創客教育背景下 小學項目式學習的設計與實踐

王珍真

創客教育融合多種學科知識，集數字化教學、創新教育、體驗式教育和項目式學習于一體，培養師生創客的綜合實踐能力和創新設計能力，并不斷將學生引向更深入的學習。如何在小學階段進一步推廣普及創客教育？基于學校學情的項目式學習是最直接有效的方法，并從核心素養的角度把握課程開發的方向。筆者所在學校項目式學習的總目標是，讓學生在已經學會三維建模技術的基礎上，繼續學習Arduino編程，體驗從外形設計到內部功能實現的過程，促進科學、數學、設計、工程、藝術等方面的知識拓展，解決實際問題，培養學生的創新能力，提升學生的規劃能力，鍛煉學生的動手能力。精心設計的創客項目是項目式學習的載體，項目式學習的教學設計在不同的階段需要不同的教學目標和教學策略。下面，筆者以《3D打印制作懶人花盆》課程為例，講講如何進行小學項目式學習課程實施。

● 項目準備階段

造物內容強調探究內容的意義性和真實性，以及學生在情境中學習的重要性。只有在真實情境或貼近真實情境中開展意義學習，才更能促進學生對所學內容進行意義建構和知識遷移。真實情景下的問題涉及多學科知識，將真實問題作為項目式學習的出發點，有利于引導學生分析問題、解決問題以及反思問題，以此促進學生問題解決能力發展。頭腦風暴是培養創新思維的有效方法，組內成員結合生活實際以及書籍網絡尋找方案，將大量的全新構思加入到設計中，在討論過程中碰撞，通過對可行性進行一一分析、記錄、排雜，最終確定具有可行性并有價值的設計方案。

例如，當代都市白領工作繁忙卻又不失生活中的小情趣，會在家中或辦公室栽種綠植。但因疏于照料，植物缺乏光照或澆水，這樣下去植物極易枯萎。因此，急需設計一款桌面級花盆，這樣的花盆不僅外觀優雅，令人賞心悅目，而且也能解決以上問題。

如表1所示，整合問題1和問題2得出的主要問題是自動給植物澆灌適量的水。綜合兩項可行性方案，得到聯合方案：使用傳感器、水泵、蜂鳴器等硬件設備，結合程序設計，根據土壤含水量，實現自動提醒，控制澆水的頻率和水量。除此之外，使用光敏傳感器，利用光敏數據控制燈的亮滅，在光線微弱的情況下，能為植物提供更多光照。

● 合作探究階段

通過頭腦風暴已經得出最具有可行性的實施方案，提取出對應的電子元件，從而確定使用的方法，明確相應技術要領，為接下來的程序設計提供思路與方向。

了解了元件功能，就進入程序編寫環節，它是實現造物智能化的關鍵點，造物需使用相關程序指令調動傳感器和其他電子元件。經過第一階段的學習，各項目組學生已經嘗試了不同電子元件的連接方式、代碼編寫范式。面對實際問題，學生可以根據需求，分析實現原理，將需使用的子部件代碼進行有序結合，反復調試。在這個過程中，不僅要實現程序與需求完美結合，更重要的是提高學生的編程及綜合運用能力。

學生具備較強的三維設計能力，能夠根據所學知識，針對實際任務，計算相關結構的尺寸，熟練地設計出基本模型，再結合實際數據和硬件要求，反復討論并修改，最終完成合理有效的設計并打印。

使用電子元件需要知曉其工作環境和工作特性，以及不同元件之間如何聯系，教師應引導學生通過網絡查找資料，結合科學知識繪制合適的電路圖，并填寫有關電子元件功能、特性的記錄表（如表2）。

在編寫完整程序之前，首先學生需要掌握每個電子元件使用過程中的子代碼，如土壤濕度傳感器數據讀取（程序代碼及元件拼接如圖1），在沒有水的環境下，土壤濕度傳感器讀取到的數據為1023，有水環境時讀數為29，且不受水溫影響。

各項目組學生通過討論分析得出“土壤濕度控制抽水泵開關的原理”，經歷了“需求分析—編寫程序—調試運行”，即計算機解決問題的全過程，掌握了程序編寫的方法，最終編寫出土壤濕度控制抽水泵的程序代碼（如圖2）。

在設計整體造型時，首先要考慮電子元件的安置。在設計整體造型的過程中，燈能夠給植物提供光照，光敏傳感器、土壤濕度傳感器（部分組件）隱藏在結構內部，并且留有存放UNO主控板的空間，成為主要任務。針對要求，某項目組的學生在討論中制訂了多種方案，并繪制出設計草圖（如上頁圖3）。

上述規劃各有優缺點，經過系統的可行性分析，該項目組選定了略簡單但隱秘性和拓展性強的造型（如上頁圖4），并由三維建模負責成員熟練地進行模型設計，以保障打印出最優的數字模型。

● 迭代改進階段

在造物內容的實施過程中，最后的展示評價環節尤為重要。各項目組成員需要將軟硬件組裝起來，將三維設計打印模型和UNO主控板、傳感器等電子元件搭建成真正能解決問題的產品。不同項目組成員在交流作品時，沿著“明確問題—設計方案—原理搭建—編寫程序—三維建模—造物實現”進行分享，包括制作過程中遇到的棘手難題，利用網絡、查閱書籍或尋求老師幫助等方法解決。在介紹項目實現的過程中，分享者不僅提高了語言組織能力，還能收獲其他學生及教師的認可，收獲更多的建議。例如，前述項目組整理收到的建議（如表3），再一次進行可行性分析，將其運用到造物過程中，不斷優化。

根據其他學生集體的建議，該項目組的成員將花盆設計方案做了修改，重新設計制作，得到“懶人花盆二代”（如圖5）。

● 總結與反思

在創客教育中，學習問題來源于生活，學生具有更持續性的學習興趣。造物內容的實踐激發了學生的自主探究興趣，提高了問題意識。在項目式學習的實踐中，學生充分發揮內在潛力，每位學生都能夠根據情景，提出不同的思路去解決問題，成員間互相溝通整合，最后按照可行性最高的設計思路進行探究與制作。通過這樣的學習方式，促使學生養成了綜合應用數學、科學、藝術等學科知識解決問題的意識，提升了學生的團隊意識。

對于教師來說，關注點從講授知識點轉向了提升學生的思維能力。在項目式學習中，沒有標準答案，每一位學生都能夠大膽地提出個人的思考和解決問題的方法。教師不再將教授知識作為造物實踐中的重點，而是將每個環節參與的主體地位還給學生，教師的角色也從教授者轉換為課程活動的組織者。

對于課程來說，信息技術核心素養得到了真正落實：創意思維的實物化可以增強學生的空間想象能力，提升學生的創新素養;趣味教學情境的帶入，助力學生主動樹立學習意識、培養探究精神;實際生活檢驗的學習成果，促使理論與實際相結合，引導學生在檢驗中獲得新知識和技能;多元多維的評價單元，激發了學生的創造能力，培養了學生的創新意識。