王旭卿

(上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)系，上海 200234)

面向STEM教育的創(chuàng)客教育模式研究

王旭卿

(上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)系，上海 200234)

當(dāng)前越來(lái)越多的教育工作者開(kāi)始關(guān)注STEM教育和創(chuàng)客教育，并將兩者結(jié)合起來(lái)，讓學(xué)生在利用前沿技術(shù)“玩創(chuàng)新”和自主探究的過(guò)程中提升創(chuàng)造能力和STEM綜合素養(yǎng)。而創(chuàng)客教育主要依托的技術(shù)之一就是物理計(jì)算和互動(dòng)媒體技術(shù)，它是當(dāng)前信息技術(shù)與其他學(xué)科(如藝術(shù)設(shè)計(jì))交叉、融合的新生領(lǐng)域，借由軟硬件的整合可以創(chuàng)建感知和響應(yīng)現(xiàn)實(shí)模擬世界的交互式系統(tǒng)，強(qiáng)化人與數(shù)字世界的聯(lián)系。面向STEM教育，創(chuàng)客教育的目標(biāo)與方向、實(shí)施過(guò)程可以更加清晰。在綜合考慮創(chuàng)客教育的基本理念、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)策略、評(píng)價(jià)方法和學(xué)習(xí)環(huán)境六個(gè)方面的基礎(chǔ)上，可以構(gòu)建面向STEM教育的創(chuàng)客教育模式?；谖锢碛?jì)算平臺(tái)的創(chuàng)客教育有著深厚的理論基礎(chǔ)——建造主義，它是適應(yīng)數(shù)字信息化時(shí)代、培養(yǎng)學(xué)生STEM素養(yǎng)和創(chuàng)新實(shí)踐能力的一種教育新范型，可以為探索信息技術(shù)教育改革、通用技術(shù)教育改革乃至中小學(xué)教育的整體變革提供了新思路和新方向。

STEM教育；創(chuàng)客教育；物理計(jì)算；創(chuàng)意計(jì)算；互動(dòng)媒體作品

一、STEM教育和創(chuàng)客教育

STEM教育是科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineer)和數(shù)學(xué)(Mathematics)教育的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是1980年代美國(guó)為提升國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力和勞動(dòng)力創(chuàng)新能力而提出的一項(xiàng)國(guó)家教育戰(zhàn)略，重點(diǎn)旨在打破學(xué)科領(lǐng)域邊界，培養(yǎng)學(xué)生的科技理工素養(yǎng)。目前它已成為國(guó)內(nèi)外教育界關(guān)注復(fù)合型創(chuàng)新性人才培養(yǎng)、勞動(dòng)力水平提升的熱點(diǎn)課題。從STEM到STEAM(增添藝術(shù)領(lǐng)域)，再到STEMx(增添更多項(xiàng)學(xué)科領(lǐng)域)，STEM教育的內(nèi)涵和外延越來(lái)越豐富，它囊括了藝術(shù)、體育、人文、計(jì)算機(jī)科學(xué)、調(diào)查研究、創(chuàng)造與革新、全球溝通協(xié)作等21世紀(jì)所需的知識(shí)與技能，發(fā)展為包容性更強(qiáng)的跨學(xué)科綜合素養(yǎng)教育[1]。

比STEM教育的提出晚了幾十年的創(chuàng)客教育則明顯具有互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代特征，它是近年來(lái)伴隨創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)(Maker Movement)的興起和創(chuàng)客文化的傳播，逐漸在校園內(nèi)外發(fā)展起來(lái)的一股創(chuàng)新教育熱潮，它把數(shù)字技術(shù)同時(shí)作為教育的內(nèi)容和手段，是數(shù)字技術(shù)與教育不斷融合而產(chǎn)生的新型教育范式，它將重新定義中小學(xué)校的綜合實(shí)踐課程和信息技術(shù)課程。當(dāng)前，秉承著設(shè)計(jì)、制作、分享、交流、開(kāi)源的創(chuàng)客文化，國(guó)內(nèi)一些大中小學(xué)里的學(xué)生創(chuàng)客們(也可稱(chēng)為“小小創(chuàng)客”)不再依賴裝備昂貴的實(shí)驗(yàn)室，而是在教師創(chuàng)客的指導(dǎo)下，開(kāi)始接觸前沿的信息技術(shù)(如機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)、智能家居等)，嘗試?yán)煤?jiǎn)單易用的數(shù)字技術(shù)(如3D打印技術(shù)和Arduino開(kāi)源硬件等)，面向?qū)嶋H需求進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作、分享和跨時(shí)空學(xué)習(xí)，在動(dòng)手和動(dòng)腦的創(chuàng)造中把創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，以實(shí)現(xiàn)個(gè)人桌面定制的夢(mèng)想。如今校園里的“創(chuàng)客空間”(Makerspace)、“創(chuàng)客”課程如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，如溫州中學(xué)的“互動(dòng)媒體技術(shù)”“Arduino創(chuàng)意機(jī)器人”課程，并在課程中滲透STEM教育的理念和實(shí)踐。這些課程成了呵護(hù)并激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情，為學(xué)生提供“讓想象落地”的重要平臺(tái)[2]。學(xué)生們?cè)凇巴鎰?chuàng)新”和自主探究的過(guò)程中激發(fā)了創(chuàng)新的興趣，培養(yǎng)了創(chuàng)造能力，提升了STEM綜合素養(yǎng)，也錘煉了團(tuán)隊(duì)合作、解決問(wèn)題的能力，而這些恰恰是當(dāng)前學(xué)校教育的薄弱環(huán)節(jié)。創(chuàng)客教育為迎合當(dāng)代學(xué)生“玩轉(zhuǎn)”前沿?cái)?shù)字技術(shù)的需要，培養(yǎng)適應(yīng)未來(lái)社會(huì)所需的復(fù)合型創(chuàng)新性人才提供了途徑和平臺(tái)。

二、物理計(jì)算與基于Scratch的物理計(jì)算平臺(tái)

前沿?cái)?shù)字技術(shù)是開(kāi)展創(chuàng)客教育的必要技術(shù)支撐，基于3D打印技術(shù)的個(gè)性化制造、建立人與數(shù)字世界交互關(guān)系的物理計(jì)算(Physical Computing)和為人工制品賦予生命和智能的程序設(shè)計(jì)[3]是其中三項(xiàng)重要的核心技術(shù)。這里主要就物理計(jì)算概念及其工具/平臺(tái)進(jìn)行闡述。

(一)物理計(jì)算

從廣義上說(shuō)，物理計(jì)算(或稱(chēng)為物理交互設(shè)計(jì)，Physical Interaction Design)就是借助軟硬件，建立能感知和響應(yīng)現(xiàn)實(shí)模擬世界的活動(dòng)式、交互式物理系統(tǒng)，它為我們理解人與數(shù)字世界的交互提供了一整套充滿創(chuàng)造性的框架。在實(shí)際應(yīng)用層面上，物理計(jì)算就是使用微控制器(Microcontroller)、傳感器(Sensor)和執(zhí)行器(Actuator)，把模擬輸入轉(zhuǎn)換為一種軟件系統(tǒng)，或者控制諸如馬達(dá)、舵機(jī)、照明設(shè)備或其他硬件的電子機(jī)械裝置，從而完成人與人、人與物、物與物交互的手工制作藝術(shù)品、設(shè)計(jì)或DIY發(fā)燒友項(xiàng)目[4]。

目前，物理計(jì)算已在博物館展品、藝術(shù)展示、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、智能家電、智能家居、商業(yè)營(yíng)銷(xiāo)、科學(xué)研究等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如，2010年上海世博會(huì)及一些科學(xué)藝術(shù)展覽會(huì)和電視節(jié)目中，許多吸引眼球、融合多種新穎人機(jī)交互方式的互動(dòng)媒體藝術(shù)作品大放異彩，如電子魚(yú)缸、互動(dòng)投影、虛擬翻書(shū)、4D影院等[5]。實(shí)際上，這些讓觀眾徜徉、參與其中的奇幻世界就是通過(guò)由微控制器、傳感器和執(zhí)行器構(gòu)建的互動(dòng)裝置系統(tǒng)與真實(shí)世界發(fā)生聯(lián)系而形成的(如下圖所示)，它們將數(shù)字化的虛擬世界與現(xiàn)實(shí)的模擬世界無(wú)縫銜接(也稱(chēng)虛實(shí)結(jié)合)，這些互動(dòng)媒體作品背后的工作原理就是物理計(jì)算。

交互式物理系統(tǒng)

一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)典型的基于物理計(jì)算原理而創(chuàng)作的互動(dòng)媒體作品包括動(dòng)作采集(即多樣化的輸入)、智能處理(即快速準(zhǔn)確地處理)和顯示輸出(即多樣化的輸出)三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)這些關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要應(yīng)用多種技術(shù)，如傳感器技術(shù)、控制技術(shù)、編程技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等。利用這些互動(dòng)媒體技術(shù)和物理計(jì)算原理所創(chuàng)造的互動(dòng)媒體作品實(shí)際上需要融合創(chuàng)作者的多學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)，例如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作、操作與執(zhí)行、驅(qū)動(dòng)與控制、檢測(cè)與感知、智能與程序設(shè)計(jì)和藝術(shù)與媒體設(shè)計(jì)等[6]，其跨界綜合程度可見(jiàn)一斑。因此，利用物理計(jì)算平臺(tái)、制作互動(dòng)媒體作品使學(xué)生有機(jī)會(huì)通過(guò)設(shè)計(jì)和制造計(jì)算機(jī)增強(qiáng)的物品和空間，在探究技術(shù)/工程與數(shù)學(xué)、科學(xué)、藝術(shù)等跨學(xué)科之間交叉和融合的過(guò)程中培育學(xué)生的STEM綜合素養(yǎng)。

(二)基于Scratch的物理計(jì)算工具/平臺(tái)

由于一些開(kāi)源的物理計(jì)算平臺(tái)(如Arduino)隱藏了直接操作微控制器的大多數(shù)技術(shù)細(xì)節(jié)，為用戶封裝了一個(gè)易于使用的工具包，用戶只要通過(guò)輸入、輸出接口就能方便地與其打交道。這就使得物理計(jì)算工具/平臺(tái)越來(lái)越普及，前沿、綜合的數(shù)字技術(shù)不再遙不可及，普通的設(shè)計(jì)師、藝術(shù)家和中小學(xué)生都可以利用這些物理計(jì)算平臺(tái)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意想法。

Scratch是美國(guó)麻省理工學(xué)院MIT媒體實(shí)驗(yàn)室推出的一款可視化、代碼塊拖拉式的教育性編程工具，因其界面友好、寓教于樂(lè)，深受?chē)?guó)內(nèi)外師生的喜歡。Scratch風(fēng)靡全球的原因，一方面在于它激發(fā)了學(xué)生的信息化表達(dá)和數(shù)字化創(chuàng)作的熱情，學(xué)生可以在互動(dòng)媒體作品的創(chuàng)作、玩耍、分享過(guò)程中提升創(chuàng)意計(jì)算能力(即創(chuàng)意設(shè)計(jì)和計(jì)算思維)；另一方面在于Scratch連接硬件平臺(tái)的拓展性特別突出，它可以連接諸如Picoboard傳感器板、MakeyMakey/酷樂(lè)宅電路板、Arduino單片機(jī)、Kinect體感設(shè)備等物理計(jì)算平臺(tái)，這些平臺(tái)大多廉價(jià)、開(kāi)源、跨平臺(tái)，提供簡(jiǎn)易易用的硬件編程環(huán)境。學(xué)生可以通過(guò)使用各種輸入和輸出接口，與周?chē)默F(xiàn)實(shí)世界打交道，制作擺脫鍵盤(pán)、鼠標(biāo)束縛的、虛實(shí)結(jié)合的互動(dòng)媒體作品。以下簡(jiǎn)要介紹四類(lèi)適合中小學(xué)生使用的、基于Scratch的物理計(jì)算工具/平臺(tái)。

1.Picoboard傳感器板

Picoboard傳感器板是一種能支持Scratch感應(yīng)外部環(huán)境的電路板，通過(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)相連。它具有五種感應(yīng)、偵測(cè)外部環(huán)境的硬件接口，包括聲音傳感器、光線傳感器、按鈕、滑桿和自定義(電阻型)傳感器，能采集數(shù)字和模擬輸入量。由于Picoboard傳感器板是一種數(shù)據(jù)輸入型電路板，因此它只能感知外界的信息(即通過(guò)各種硬件接口獲取外部數(shù)據(jù))而不能輸出控制信息[7]。連接Picoboard傳感器板后，人們操控Scratch程序的交互手段更加豐富多樣，可以結(jié)合其他材料(如銅箔紙)制作各種控制器，使Scratch程序與外界真實(shí)世界無(wú)縫銜接。

2.MakeyMakey/酷樂(lè)宅

MakeyMakey/酷樂(lè)宅是兩款功能接近但實(shí)現(xiàn)手段不一的小型電路板，通過(guò)USB接口連接電腦，使用鱷魚(yú)夾掛接其它物體，實(shí)現(xiàn)外接映射鍵盤(pán)。前者由美國(guó)麻省理工大學(xué)媒體實(shí)驗(yàn)室的兩名博士生Jay Silver和Eric Rosenbaum研發(fā)，后者由國(guó)內(nèi)溫州地區(qū)一群對(duì)科技和創(chuàng)意有著無(wú)限熱情的年輕人研發(fā)。這兩種神奇的電路板可以讓各種日常物品成為一個(gè)計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備，如讓樓梯變成鋼琴，讓香蕉變成鍵盤(pán)，讓橡皮泥變成游戲手柄。只要物體(如橡皮泥、水、人體或各種植物、金屬)表面濕潤(rùn)或?qū)щ?，微控制器就能檢測(cè)出微弱的電流，并通過(guò)USB發(fā)送一個(gè)按鍵、鼠標(biāo)或執(zhí)行程序等信號(hào)給計(jì)算機(jī)，從而讓任何連接到電路板上的物體擁有類(lèi)似觸摸感應(yīng)的功能[8]。

3.Arduino單片機(jī)

Arduino單片機(jī)是一款開(kāi)源的可編程微型控制器，可用于搭建機(jī)器人和智能機(jī)器。數(shù)字的或者模擬的輸入/輸出端口是Arduino單片機(jī)與現(xiàn)實(shí)世界連接的重要通道，借由這些輸入/輸出端口，Arduino單片機(jī)可以與各種輸入設(shè)備和輸出設(shè)備連接。常見(jiàn)的輸入設(shè)備有光敏元件、熱敏元件、超聲波元件、電位器等，常見(jiàn)的輸出設(shè)備有LED、電機(jī)馬達(dá)、蜂鳴器等。當(dāng)Arduino單片機(jī)對(duì)這些輸入、輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)作采集、顯示輸出時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了感知外界環(huán)境和控制現(xiàn)實(shí)世界的目的[9]。與Scratch傳感器板相比，Arduino單片機(jī)具有雙向輸入/輸出數(shù)據(jù)的接口，因此Arduino單片機(jī)的互動(dòng)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過(guò)Scratch傳感器板，可以搭建輸入、輸出相互影響的反饋系統(tǒng)。通?？梢允褂肁rduino IDE、S4A、Ardublock、Mind+等開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行硬件編程。

4.體感設(shè)備

支持體感交互的設(shè)備逐漸走向平民百姓。Kinect(全身體感設(shè)備)、普通攝像頭和Leap Motion(手勢(shì)感應(yīng)設(shè)備)就是其中的三種體感交互設(shè)備。Kinect是微軟開(kāi)發(fā)的一種3D體感攝影機(jī)(又稱(chēng)為體感設(shè)備)，它集成了諸多先進(jìn)視覺(jué)技術(shù)，具有骨架跟蹤、動(dòng)作識(shí)別、人臉識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別等功能，正如其宣傳語(yǔ)所說(shuō)——“You Are the Controller”(你就是遙控器)，Kinect已成為徹底突破人機(jī)控制界限的自然交互設(shè)備，將對(duì)未來(lái)的生活、娛樂(lè)帶來(lái)創(chuàng)意性的改變[10]。Kinect for Windows是支持體感型應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的外設(shè)，通過(guò)Kinect2Scratch驅(qū)動(dòng)程序可以與Scratch編程環(huán)境相連接，支持學(xué)生開(kāi)發(fā)自己定制的體感游戲或其他體感應(yīng)用，如雙手操縱演奏音樂(lè)、雙腳操作飛機(jī)大戰(zhàn)游戲、用肢體運(yùn)動(dòng)認(rèn)識(shí)奇偶數(shù)，學(xué)生可以在玩中學(xué)、做中學(xué)的過(guò)程中感受屏幕替身、骨架跟蹤的基本概念和思想方法。Scratch2.0也支持基于攝像頭的體感應(yīng)用開(kāi)發(fā)，它能偵測(cè)視頻畫(huà)面變化的幅度，當(dāng)變化的幅度超過(guò)設(shè)定值，就能激活后續(xù)的行為。

三、構(gòu)建面向STEM教育的創(chuàng)客教育模式

起步較早的STEM教育與信息時(shí)代下的創(chuàng)客教育正在深度融合，這將帶來(lái)中小學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)和實(shí)踐能力提升的新增長(zhǎng)點(diǎn)。一方面，創(chuàng)客教育的數(shù)字技術(shù)和文化氛圍將豐富和優(yōu)化STEM教育的內(nèi)容和手段，讓STEM教育重新煥發(fā)新的生命力；另一方面，STEM教育的跨學(xué)科綜合理念、基于項(xiàng)目或問(wèn)題的教學(xué)方法使創(chuàng)客活動(dòng)更符合學(xué)校教育和人才培養(yǎng)的需求，使創(chuàng)客教育的目標(biāo)與方向、實(shí)施過(guò)程更加清晰。以下將從基本理念、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)策略、教學(xué)評(píng)價(jià)和學(xué)習(xí)環(huán)境六個(gè)側(cè)面闡釋面向STEM教育的創(chuàng)客教育模式。

(一)基本理念

創(chuàng)客教育主要以學(xué)生的自主探究和動(dòng)手制造為核心，它根植于杜威的進(jìn)步主義和Logo語(yǔ)言發(fā)明者——西蒙·帕伯特(Seymour Papert)教授早年提出的建造主義[11]，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中利用知識(shí)建造外在的、具體的、可分享的人工制品和建立人際關(guān)系。在學(xué)科整合途徑上，可以借鑒整合性STEM教育(Integrative STEM Education，簡(jiǎn)稱(chēng)iSTEM)方法[12]，即在研究各學(xué)科特點(diǎn)的基礎(chǔ)上探求以工程技術(shù)教育為核心、整合數(shù)學(xué)和科學(xué)的教學(xué)方法，也就是利用技術(shù)/工程教育的思想和模式有意圖地整合科學(xué)/數(shù)學(xué)教育的內(nèi)容和過(guò)程，采用技術(shù)/工程教育常用的基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)(Design-based Learning)方法，讓學(xué)生在面向真實(shí)問(wèn)題解決的項(xiàng)目探究學(xué)習(xí)(Problem-based Learning)過(guò)程中，綜合運(yùn)用技術(shù)素養(yǎng)、工程/技術(shù)的設(shè)計(jì)過(guò)程、科學(xué)素養(yǎng)、科學(xué)探究和科學(xué)/數(shù)學(xué)以及其他相關(guān)概念來(lái)設(shè)計(jì)和制作人工制品，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生STEM素養(yǎng)、創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力的目的。

(二)教學(xué)目標(biāo)

創(chuàng)客教育的總體目標(biāo)是在利用物理計(jì)算平臺(tái)和3D打印技術(shù)等前沿?cái)?shù)字技術(shù)、綜合運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)、動(dòng)手創(chuàng)造人工制品，在探究所生活的世界相互聯(lián)系的不同側(cè)面的過(guò)程中學(xué)習(xí)和掌握面向真實(shí)需求的問(wèn)題解決的過(guò)程和方法，培養(yǎng)和提升創(chuàng)意設(shè)計(jì)能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、問(wèn)題分析與解決能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力以及STEM素養(yǎng)。從三維目標(biāo)來(lái)看，創(chuàng)客教育的教學(xué)目標(biāo)可以包括知識(shí)與技能(如物理計(jì)算的基本原理、硬件裝配、電子元件識(shí)別、電路搭建、程序編寫(xiě)、功能調(diào)試、3D打印建模等)、過(guò)程與方法(即在教師指導(dǎo)下，通過(guò)模仿、自主探究和動(dòng)手制造來(lái)完成從易到難的硬件裝配、電路搭建、程序編寫(xiě)和功能調(diào)試，在觀察、思考、設(shè)計(jì)、制作、試驗(yàn)等活動(dòng)中掌握發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析解決問(wèn)題的方法)和情感態(tài)度與價(jià)值觀(即感受物理計(jì)算平臺(tái)在連接人與數(shù)字虛擬世界、現(xiàn)實(shí)物理世界的便捷性，培養(yǎng)動(dòng)手解決實(shí)際問(wèn)題的興趣和熱愛(ài)生活的情意，提高問(wèn)題意識(shí)，形成勇于探索、積極實(shí)踐、樂(lè)于合作的學(xué)習(xí)態(tài)度與品質(zhì))[13]。

(三)教學(xué)內(nèi)容

創(chuàng)客教育的教學(xué)內(nèi)容將承載創(chuàng)新、制造、智能多個(gè)側(cè)面，創(chuàng)新表現(xiàn)在創(chuàng)新思維和跨界思維。創(chuàng)新思維旨在培養(yǎng)學(xué)生用創(chuàng)意設(shè)計(jì)的方法結(jié)合各種情景(如科學(xué)情景、工業(yè)情景、生活情景等)，以特定的工程目標(biāo)開(kāi)展原創(chuàng)性研究、解決問(wèn)題。例如，在2013年上海創(chuàng)意教育培訓(xùn)暨教師工作坊中，主講教師要求各組參訓(xùn)教師運(yùn)用檢測(cè)Picoboard傳感器板上電阻型傳感器A端口是否連接的方法，結(jié)合使用其他創(chuàng)意制作材料(如銅箔膠帶、細(xì)電線)設(shè)計(jì)制作游戲控制器開(kāi)關(guān)，其中有一組參訓(xùn)教師創(chuàng)作的“斗雞開(kāi)關(guān)”最具創(chuàng)意，游戲中玩家單腿站立，將兩個(gè)玩家膝蓋上的鋁箔膠帶相碰去觸發(fā)屏幕上角色的行為，這款游戲借助一個(gè)簡(jiǎn)易裝置將人與人之間的互動(dòng)融入其中，使我們感受到科技與真人現(xiàn)實(shí)游戲結(jié)合的神奇魅力，同時(shí)也喚起了大家對(duì)兒時(shí)游戲的美好回憶?？缃缢季S就是設(shè)計(jì)一些有用有趣的活動(dòng)將STEM等各學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)與技能進(jìn)行交叉、融合，例如將藝術(shù)人文領(lǐng)域與理工科、科學(xué)研究相結(jié)合。北京景山學(xué)校吳俊杰老師在拓展Picoboard傳感器板應(yīng)用方面開(kāi)展了信息技術(shù)與科學(xué)研究結(jié)合的跨學(xué)科整合實(shí)踐，他設(shè)計(jì)了一種基于Picoboard傳感器板的實(shí)驗(yàn)，即利用Picoboard傳感器板上的不同模擬量研發(fā)多個(gè)聯(lián)系生活實(shí)際的信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)—采集數(shù)據(jù)—函數(shù)擬合—應(yīng)用函數(shù)的一系列過(guò)程，帶領(lǐng)學(xué)生研究外界環(huán)境的物理量(如長(zhǎng)度、電阻等)與Picoboard傳感器板上采集的模擬量(如滑桿傳感器數(shù)值、光敏傳感器數(shù)值等)之間是否存在穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而利用這個(gè)關(guān)系來(lái)測(cè)定物理量，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量?jī)x器(如長(zhǎng)度測(cè)量的儀器、灰度掃描儀等)的制作。信息技術(shù)與科學(xué)研究的巧妙結(jié)合使學(xué)生充分感知了整合跨學(xué)科知識(shí)在問(wèn)題解決過(guò)程中的重要性和具體實(shí)現(xiàn)方法[14]。

創(chuàng)客教育的制造表現(xiàn)在讓學(xué)生直接參與對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的改造，學(xué)生創(chuàng)客在教師創(chuàng)客的帶領(lǐng)下、基于3D打印技術(shù)和物理計(jì)算平臺(tái)等前沿技術(shù)進(jìn)行動(dòng)手制造，面向真實(shí)需求來(lái)完成硬件裝配、電路搭建和作品調(diào)試。例如，溫州中學(xué)的學(xué)生利用Arduino控制板自制了兩款功能各異的互動(dòng)裝置——感知外界環(huán)境變化的風(fēng)景畫(huà)和電動(dòng)顯示器支架，前者側(cè)重于感知信息，利用與Arduino控制板相連的傳感器直接監(jiān)測(cè)外界天氣情況，并控制屏幕上風(fēng)景畫(huà)改變，來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)感知外界天氣變化的功能。后者側(cè)重于控制信息，通過(guò)程序控制電機(jī)、自動(dòng)調(diào)節(jié)電腦顯示器的支架，以達(dá)到預(yù)防頸椎病的目的。這些互動(dòng)裝置反映了學(xué)生應(yīng)用物理計(jì)算平臺(tái)解決實(shí)際問(wèn)題的能力以及難能可貴的藝術(shù)修養(yǎng)和人文關(guān)懷[15]。

創(chuàng)客教育的智能表現(xiàn)在學(xué)生通過(guò)編寫(xiě)程序和調(diào)試軟硬件系統(tǒng)，賦予人工制品以生命和智能，實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間的正常溝通與互動(dòng)。由于開(kāi)源、底層封裝、圖塊拖拉界面，基于硬件的編程門(mén)檻降低，“人人學(xué)會(huì)編程”不再遙不可及。

(四)教學(xué)策略

創(chuàng)客教育是面向STEM綜合素養(yǎng)提升的教育，其教學(xué)過(guò)程和方法主要基于項(xiàng)目、圍繞問(wèn)題來(lái)開(kāi)展，學(xué)生自主探究和動(dòng)手體驗(yàn)是教學(xué)的核心。可以采取如下一些策略。

1.回歸真實(shí)世界的實(shí)踐

創(chuàng)客教育要讓學(xué)生回歸真實(shí)世界，在觀察周?chē)澜?、關(guān)注自己和他人需要的過(guò)程中，從親近與探索自然、體驗(yàn)與融入社會(huì)、認(rèn)識(shí)與完善自我等多個(gè)主題領(lǐng)域?qū)ふ覄?chuàng)意設(shè)計(jì)的靈感，從而創(chuàng)作各種蘊(yùn)含現(xiàn)實(shí)社會(huì)意義和文化內(nèi)涵，并與科學(xué)、藝術(shù)、生活等多領(lǐng)域場(chǎng)景無(wú)縫銜接的互動(dòng)媒體作品，理解問(wèn)題解決的真諦：從生活中來(lái)再到生活中去。例如，一些學(xué)校師生使用各種物理計(jì)算工具/平臺(tái)創(chuàng)作了面向?qū)嶋H需求的互動(dòng)媒體裝置，如多個(gè)紙盤(pán)觸碰開(kāi)關(guān)組成的投票器、報(bào)警器、節(jié)水器、紙板彈琴、樓梯彈琴、基于橡皮泥的計(jì)算器等。

2.圍繞創(chuàng)新，大膽實(shí)踐

追求創(chuàng)新是創(chuàng)客教育的重要價(jià)值取向，創(chuàng)新可能來(lái)自于對(duì)微小而獨(dú)特需求的發(fā)現(xiàn)，而表達(dá)創(chuàng)新想法的途徑就是制作個(gè)性化、具有智能、能帶來(lái)高附加值的互動(dòng)媒體作品，這類(lèi)作品可能是生活中能用的東西，如測(cè)溫報(bào)警、溫控風(fēng)扇、網(wǎng)絡(luò)澆花器[16]、遙控臺(tái)燈[17]等，也可能是有質(zhì)感的、讓人們愉悅心情的東西，如流水燈、呼吸燈、蜂鳴器電子琴、開(kāi)啟并奏樂(lè)的蛋糕盒[18]等。吳俊杰老師把這兩點(diǎn)歸納為做有用的東西(Make It Real)和做有質(zhì)感的東西(Make It Cool)[19]。由于互動(dòng)媒體作品面向?qū)嵱?、面向美學(xué)欣賞，創(chuàng)作者需要考慮應(yīng)用需求和現(xiàn)實(shí)困境，大膽實(shí)踐，在聆聽(tīng)周?chē)瑢W(xué)和用戶意見(jiàn)的基礎(chǔ)上持續(xù)完善。比如為了把互動(dòng)媒體作品做得更有質(zhì)感，可以把作品做得大一些、讓作品與人互動(dòng)、結(jié)合信息通訊的知識(shí)與技術(shù)創(chuàng)作作品，這樣獨(dú)具創(chuàng)意的互動(dòng)媒體作品就不再只是冷冰冰的裝置和設(shè)備，而變身成為巧妙解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題、充滿生活樂(lè)趣的智能作品。

3.倡導(dǎo)迭代式學(xué)習(xí)過(guò)程和有意圖的擺弄式學(xué)習(xí)方式

迭代式學(xué)習(xí)過(guò)程是不斷重復(fù)、遞進(jìn)的過(guò)程。美國(guó)MIT終身幼兒園研究小組主任雷斯尼克教授曾提出創(chuàng)意思考螺旋(Creative Thinking Spiral)，它包括不斷迭代發(fā)展的五個(gè)階段，即想象→創(chuàng)造→玩?！窒怼此肌傧胂蟆璠20]，也就是互動(dòng)媒體作品的創(chuàng)作開(kāi)始于不成熟的想法或創(chuàng)意靈感，然后經(jīng)歷設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試、改進(jìn)和修飾作品，最終完成可以運(yùn)作的互動(dòng)媒體作品。分享、反思是整個(gè)互動(dòng)媒體作品創(chuàng)作過(guò)程的組成部分，因?yàn)榻涣鞣窒韯?chuàng)作成果和深刻反思學(xué)習(xí)過(guò)程是靈感、想象、完善、提高的源泉。

擺弄(Tinkering)是一種重視探究和動(dòng)手體驗(yàn)的工作風(fēng)格和學(xué)習(xí)方式，它不同于有條理的規(guī)劃，允許學(xué)生“以玩耍、探究、迭代的方式投入到問(wèn)題或項(xiàng)目中”[21]，從嘗試制造智能裝置的想法開(kāi)始，動(dòng)手制作互動(dòng)裝置和編寫(xiě)配合裝置合理發(fā)揮功能的程序，經(jīng)常評(píng)估目標(biāo)，一遍又一遍地探究新途徑和研究新方案，不斷擺弄和調(diào)試軟硬件，一方面解決硬件電路搭建、機(jī)械裝置裝配方面的困境，另一方面查找軟件開(kāi)發(fā)、程序設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題，才能達(dá)到預(yù)定目標(biāo)或滿足檢驗(yàn)假設(shè)的需求。整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程充滿了混亂、驚奇、偶爾的煩惱或失落，但這就像真實(shí)的科學(xué)研究和工程制造一樣。

4.強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科綜合，鼓勵(lì)合作探究

創(chuàng)客教育是圍繞設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)增強(qiáng)的互動(dòng)裝置和空間而展開(kāi)的，這是一些吸引學(xué)生、激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的活動(dòng)。它需要以工程、技術(shù)為核心，綜合應(yīng)用跨學(xué)科知識(shí)與技能，并鼓勵(lì)不同興趣特質(zhì)的同學(xué)一起參與合作式探究。例如，2014年5月上海師范大學(xué)兩名計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)師范專(zhuān)業(yè)學(xué)生聯(lián)合本校音樂(lè)、美術(shù)專(zhuān)業(yè)的多名學(xué)生，一起圍繞音樂(lè)元素合作創(chuàng)作了“音樂(lè)風(fēng)暴”互動(dòng)媒體作品，該作品功能完整，包括樂(lè)曲播放、知識(shí)問(wèn)答、歌詞知識(shí)介紹、曲譜游戲、簡(jiǎn)易電子琴和簡(jiǎn)易電子鼓六個(gè)模塊，可以讓玩家體驗(yàn)自己成為樂(lè)隊(duì)成員、音樂(lè)鑒賞家、樂(lè)器演奏家、作曲家和作詞家的樂(lè)趣。其中簡(jiǎn)易電子琴和電子鼓是利用Picoboard傳感器板、MakeyMakey電路板和其他材料(銅箔紙、紙板、海綿等)完成的。該作品在2014年上海舉辦的Scratch Day China創(chuàng)意編程作品展示交流活動(dòng)中進(jìn)行公開(kāi)展示，其精美的畫(huà)面、精致的音效、流暢的功能受到現(xiàn)場(chǎng)來(lái)賓和其他中小學(xué)參賽成員的嘖嘖稱(chēng)贊。由此可見(jiàn)，跨學(xué)科綜合和團(tuán)隊(duì)合作可以使互動(dòng)媒體作品創(chuàng)作的深度和廣度進(jìn)一步提升。

5.提倡案例教學(xué)，鼓勵(lì)再創(chuàng)作

基于案例的模仿、探究是開(kāi)展創(chuàng)客教育的重要途徑，案例融合了必要的知識(shí)與技能、滲透了面向現(xiàn)實(shí)問(wèn)題解決的方法與過(guò)程，為學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)和創(chuàng)新能力提升搭建了必要的腳手架。案例的學(xué)習(xí)不僅限于模仿，還應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)媒體作品的再創(chuàng)作，從作品的互動(dòng)方式到呈現(xiàn)方式，再到功能的拓展都可以引導(dǎo)學(xué)生提出自己的創(chuàng)意想法，再付諸實(shí)現(xiàn)。再創(chuàng)作是計(jì)算參與理念下的重要實(shí)踐方式[22]，它有助于學(xué)生不斷積累創(chuàng)意設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)高水平的原創(chuàng)性設(shè)計(jì)與創(chuàng)作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(五)評(píng)價(jià)方法

創(chuàng)客教育的評(píng)價(jià)方法應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐能力和STEM素養(yǎng)的提升，可以采用聚焦創(chuàng)客成果和創(chuàng)客學(xué)習(xí)過(guò)程的多元評(píng)價(jià)方法，通過(guò)搭建現(xiàn)場(chǎng)或網(wǎng)絡(luò)在線的分享、交流平臺(tái)，讓學(xué)生創(chuàng)客們展示自己創(chuàng)造的互動(dòng)媒體作品，交流創(chuàng)作作品的過(guò)程與收獲，與作品的受眾、用戶面對(duì)面交流，也可以通過(guò)觀看其他同伴的作品，開(kāi)闊創(chuàng)作思路，汲取再創(chuàng)作的靈感?，F(xiàn)在，國(guó)內(nèi)各地組織了多場(chǎng)互動(dòng)媒體作品或創(chuàng)客教育的集中展示、交流活動(dòng)，如2014年5月上海的Scratch Day、2014年11月溫州市首屆青少年創(chuàng)客文化節(jié)[23]以及在常州舉辦的全國(guó)中小學(xué)生創(chuàng)客邀請(qǐng)賽等，這些盛大的現(xiàn)場(chǎng)展示交流活動(dòng)吸引了學(xué)生、教師、家長(zhǎng)、學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)、校外培訓(xùn)機(jī)構(gòu)等多方參與，現(xiàn)場(chǎng)展示的許多互動(dòng)媒體作品都呈現(xiàn)出創(chuàng)作者的創(chuàng)新思考和獨(dú)特創(chuàng)意，創(chuàng)客教育的教學(xué)評(píng)價(jià)隨著社會(huì)性交往的融入而變得更加真實(shí)，更加有利于學(xué)生的個(gè)性發(fā)展。

(六)學(xué)習(xí)環(huán)境

校園創(chuàng)客空間是培養(yǎng)小小創(chuàng)客的重要場(chǎng)所和學(xué)習(xí)環(huán)境，根據(jù)學(xué)校教育和人才培養(yǎng)的特點(diǎn)，應(yīng)在比較、借鑒社會(huì)創(chuàng)客空間的基礎(chǔ)上建立校園創(chuàng)客空間，為“小小創(chuàng)客”的培育提供必要的物質(zhì)保障、技術(shù)支持、學(xué)習(xí)環(huán)境和創(chuàng)客文化。我們不僅要給予小小創(chuàng)客們寬松的工作空間、充裕的創(chuàng)作時(shí)間，而且要提供支援性的指導(dǎo)和幫助。理想的創(chuàng)客學(xué)習(xí)環(huán)境是一種圍繞技術(shù)探究和互動(dòng)媒體創(chuàng)作的工作坊(Workshop)，使用“一種顛倒課堂和基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)模式，教室周?chē)请娮訄D書(shū)館，學(xué)生可以根據(jù)精選視頻和社區(qū)資料自學(xué)，教室的中心則是討論桌、加工工具、實(shí)驗(yàn)儀器和展示平臺(tái)，學(xué)生基于具體的項(xiàng)目，解決真實(shí)情境下的問(wèn)題……”[24]。

四、結(jié)語(yǔ)

隨著前沿?cái)?shù)字技術(shù)的開(kāi)源、底層封裝和門(mén)檻降低，越來(lái)越多的中小學(xué)信息技術(shù)教師開(kāi)啟了創(chuàng)客教育之旅，他們帶領(lǐng)著一批中小學(xué)生，開(kāi)始面向現(xiàn)實(shí)生活挑戰(zhàn)、實(shí)際需求或者追求對(duì)生活的美化和情操的陶冶，嘗試突破傳統(tǒng)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)的人機(jī)交互局限，用多樣化的輸入、快速準(zhǔn)確的處理和多樣化的輸出來(lái)設(shè)計(jì)、制作具有獨(dú)特人機(jī)互動(dòng)方式的互動(dòng)媒體作品。從趣味編程到趣味創(chuàng)造[25]，國(guó)內(nèi)師生們創(chuàng)造的互動(dòng)媒體作品已經(jīng)在科學(xué)實(shí)驗(yàn)、數(shù)學(xué)建模、仿真模擬、藝術(shù)表達(dá)、創(chuàng)意設(shè)計(jì)等方面挖掘出越來(lái)越多的創(chuàng)新實(shí)踐潛力[26]。基于物理計(jì)算平臺(tái)、3D打印技術(shù)等前沿技術(shù)的創(chuàng)客教育有著深厚的理論基礎(chǔ)——建造主義，它是適應(yīng)數(shù)字信息化時(shí)代、培養(yǎng)學(xué)生STEM素養(yǎng)和創(chuàng)新實(shí)踐能力的一種教育新范型。面對(duì)洶涌的技術(shù)變革浪潮和教育新理念，教育工作者有必要思考它們對(duì)中小學(xué)信息技術(shù)教育改革、通用技術(shù)教育改革、綜合實(shí)踐課程改革乃至中小學(xué)教育的整體變革的意義與價(jià)值，在面向STEM教育的創(chuàng)客教育實(shí)踐中，不斷積累深化教育改革、提高教育質(zhì)量的新思路、新經(jīng)驗(yàn)。從中國(guó)制造到中國(guó)創(chuàng)造之路任重道遠(yuǎn)，面向STEM教育的創(chuàng)客教育或許可以開(kāi)創(chuàng)一條讓更多學(xué)生參與創(chuàng)新、從小培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力和STEM綜合素養(yǎng)的道路。

[1]袁剛,沈祖蕓.全球都在跨越STEM[EB/OL].http://mp.weixin.qq.com/mp/appmsg/show?__biz=MjM5Njg3ODkwMQ==amp;appmsgid=1000160 1amp;itemidx=1amp;sign=d9e6dc4975747018ac659a9e66b1dc77#wechat_redirect,2014-10-01.

[2][24]李凌,王頡.“創(chuàng)客”：柔軟地改變教育[N].中國(guó)教育報(bào),2014-09-23(5).

[3][11]Sylvia Libow Martinez and Gary S.Stager.Invent To Learn:Making,Tinkering,and Engineering the Classroom[M].Torrance:Constructing Modern Knowledge Press，2013.

[4]Physical computing[EB/OL].http://en.wikipedia.org/wiki/Physical_computing,2014-10-01.

[5]謝作如.《互動(dòng)媒體技術(shù)》課程綱要[EB/OL].http://xkmh.zjer.cn/zjer2/st/superTeacherArticle.do?method=showArticleamp;categoryId=38 33amp;superTeacherId=12amp;articleId=36136,2014-01-15.

[6][17]謝作如.S4A和互動(dòng)媒體技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2014.

[7][14]吳俊杰,梁森山.青少年科技創(chuàng)新叢書(shū):Scratch測(cè)控傳感器的研發(fā)與創(chuàng)意應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2014.

[8]焦建利.從MakeyMakey到酷樂(lè)宅[EB/OL].http://www.jiaojianli.com/5242.html,2014-01-15.

[9]李瑞,陳杰.Arduino:開(kāi)放的軟硬件電子平臺(tái)[J].中國(guó)信息技術(shù)教育,2013,(11):82-84.

[10]余濤.Kinect應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn):用最自然的方式與機(jī)器對(duì)話[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2013年.

[12]Allison L.Felix,Joel Z.Bandstraamp; William H.J.Strosnider.Design-Based Science for STEM Student Recruitmentand TeacherProfessional Development[EB/OL].http://www.asee.org/documents/sections/middle-atlantic/fall-2010/01-Design-Based-Science-for-STEMStudent-Recruitment-and-Teache.pdf,2014-10-01.

[13]謝作如.開(kāi)源課程：Arduino創(chuàng)意機(jī)器人[EB/OL].http://blog.sina.com.cn/s/blog_6611ddcf0101kcje.html,2014-10-01.

[15]謝作如.承載STEM教育的校本課程開(kāi)發(fā)——以《互動(dòng)媒體技術(shù)》為例[R].北京：2nd International STEM in Education Conference,2012.

[16]劉玉田,許勇進(jìn).用Arduino進(jìn)行創(chuàng)造[M].北京：清華大學(xué)出版社,2014.

[18]陳磊.Scratch融入STEM教育[J].上海教育,2014,(10):38-39.

[19]吳俊杰.視頻：創(chuàng)客教育的理論與實(shí)踐[EB/OL].http://v.youku.com/v_show/id_XNzU4MTM4MjQ4.html?qq-pf-to=pcqq.group,2014-10-01.

[20]Resnick,M.Sowing the Seeds for a More Creative Society[EB/OL].http://connectedlearning.tv/sowing-seeds-more-creative-society,2014-10-01.

[21]Mitchel Resnick and Eric Rosenbaum.Designing for Tinkerability[EB/OL].http://web.media.mit.edu/～mres/papers/designing-for-tinkerability.pdf,2013-12-03.

[22]王旭卿.從計(jì)算思維到計(jì)算參與：美國(guó)中小學(xué)程序設(shè)計(jì)教學(xué)的社會(huì)化轉(zhuǎn)向與啟示[J].中國(guó)電化教育,2014,(3):97-100.

[23]蔣浩潔.首屆溫州青少年創(chuàng)客文化節(jié)——?jiǎng)?chuàng)意在飛揚(yáng)動(dòng)手High起來(lái)[N].溫州日?qǐng)?bào),2014-11-11(9).

[25]管雪沨.從趣味編程走向趣味創(chuàng)造[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育,2013,(2):43-45.

[26]謝作如.雖然很困難,但我們都在努力——“第一屆中小學(xué)STEAM教育創(chuàng)新論壇”活動(dòng)紀(jì)要[J].中國(guó)信息技術(shù)教育,2013,(10):5-8.

王旭卿：副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹行W(xué)信息技術(shù)教育、教育技術(shù)、職前教師教育(cnwxq@shnu.edu.cn)。

2015年4月2日

責(zé)任編輯：宋靈青

The Exploration of Maker Education Oriented to STEM Education

Wang Xuqing
(Department of Computer Science,College of Information,Mathematics and Electrical Engineering,Shanghai Normal University,Shanghai 200234)

Currently more and more educators began to focus on STEM education and maker education,and combine these two aspects,so that students improve creative capabilities and STEM comprehensive literacy in the process of“play innovation” and self-exploration with the cutting-edge technology.One of technologies that maker education depends on is physical computing and interactive media technology.It is the new fi eld of intersection and integration of IT and other disciplines(such as art design).An interactive system that can sense and respond to the real analog world is built by the integration of software and hardware.It can strengthen the relationship between of human and the digital world.The objectives,direction and implementation process of Maker education will be clearer,when it is oriented to STEM education.Based on considering six aspects of fundamental philosophy,instructional objectives,instructional contents,teaching strategies,evaluation methods and learning environment,maker education model oriented to STEM education can be built.Maker education based on the physical computing platforms has a profound theoretical foundation-constructionism,it is a new educational paradigm which adapts to the digital information age and focuses on cultivation of students’ STEM literacies and innovative abilities.It provides us some new ideas and directions for exploring the IT education reform,universal technology education reform and overall reform of primary and secondary education.

STEM Education; Maker Education; Physical Computing; Creative Computing; Works of Interactive Media

G434

A

1006—9860(2015)08—0036—06