小學創客教育新模式發展研究——以編程貓與開源硬件相結合的課堂設計與實踐為例

伍璐利

（貴州師范大學教育學院，貴州 貴陽 550025）

0 引言

目前，我國正處于以創新驅動推動高質量發展的關鍵時期，面對快速發展的信息化時代的挑戰，我國教育工作者、科技研究者以及政府工作人員不斷思考如何培養人們的創新能力和創造思維以及如何培養出適應時代發展的創新型人才等問題。2021 年全國兩會期間，黃慶學接受人民網專訪時表示，“政府工作報告強調，堅持創新在我國現代化建設全局中的核心地位，把科技自立自強作為國家發展的戰略支撐。這特別凸顯了科技創新在實現中華民族偉大復興中的重要性。”[1]而基礎教育研究是科技創新的源泉，創客與教育的結合是必然趨勢，創客教育于中小學開展勢在必行。

創客教育不僅要體現在內容的創新，更需要挖掘更多、更加新穎的教學模式以適應信息化時代的創客課堂。而開源硬件的出現和發展為創客教育的發展提供了契機，與此同時創客教育亦促使開源硬件的發展，產生不同的開源平臺。開源硬件方向的編程教育逐漸走進中小學課堂并著眼于創新思維與創造能力培養，這將成為創客教育教學新發展的方向。2018年1月5日，教育部印發《普通高中課程方案和語文等學科課程標準的有關情況》提出，要將三維設計、開源硬件、人工智能正式劃入新課標，成為高中學習的必修課[2]。2020 年5 月19 日，教育部學校規劃建設發展中心決定開展未來學校創新發展課題——編程課程體系與教學模式專題研究工作[3]。開源硬件支持創客教育課堂新模式的形成，兩者的結合使得創客教育課堂模式的不斷創新，讓學生于課堂中自主探究，激發學生的創作欲望以及鍛煉學生的創新思維，以此培養學生的創新能力和團隊協作意識。

綜上所述，創新型教育教學模式在中小學的教育中充分發揮學習者創造性思維和素養，培養學習者的計算思維以及編程能力。而與開源硬件的結合創客教育新模式契合了信息時代的精神，加快創客教育的發展，有利于培養創新人才。

1 信息技術創客課堂與開源硬件相結合課堂教學模式構建課堂

根據喬伊斯和威爾的教學模式理論，創客教學模式有五個核心構成要素，分別是：指導理念、教學目標、教學過程、評價標準和實踐條件[4]。

1.1 指導理論

教學模式是基于特定的指導思想建立的，創客教學模式亦是如此。綜合分析小學編程以及開源硬件相結合的小學創客教學新模式的理論基礎主要包括創新教育、做中學等。

1）創新教育理論

在我國，創新教育是中央教育研究院在1998年正式提出的理念，在教育學界引起了很大的反響，并有效地推動了我國教育改革的進行。創新教育就是以培養人們創新精神和創新能力為基本價值取向的教育，而創新教育與創客教育有著一致的理念，基于此，創新教育理論為創客教學模式的構建提供了有力的理論支撐。

2）做中學理論

美國教育家杜威提出的“從做中學要比從聽中學更是一種較好的方法。”即“從活動中學”“從真實體驗中學”。他的教育思想主要以實用主義哲學為基礎，強調應在做的過程中發展自我。即從現實生活出發，提倡從動手實踐和問題解決過程中習得知識。創客教育與實際生活密切聯系，通過“從做中學”，從學生的興趣、習慣、經驗和個性出發，開展教育教學活動，充分激發學生的個性和創新能力，滿足學生的多樣化發展的需要。編程貓與開源硬件相結合的創客教學課堂也是一種典型的“做中學”的學習活動，在課堂上，通過指導學生參與教學活動，注重學習過程而不是結果，讓學生在實踐中學習。因此，杜威的“做中學”理念可以為編程貓與開源硬件相結合的小學創客教學模式的構建提供理論指導。

1.2 教學目標

教學活動可通過所指定的教學目標來評價師生是否達到預期結果的標準。創客教育的教學目標是培養學生的創新實踐能力以及分享意識。本研究基于創設真實情境，以任務驅動使學生在學習中體驗到科學知識與技術能力的融會貫通，提高學生的解決實際問題能力與提高學生的創新思維、意識與能力，由此本研究制定創客教育課堂三維目標。

1.3 教學過程

本研究創客課堂新模式與傳統的知識講授型的課堂不同，創客教育的課堂更注重發揮學生的主體地位。教師為活動的設計者、實踐的參與者和結論的指導者，平等地與學生交流討論，適當的給出個性化的指導意見，充分營造出輕松活躍的課堂氛圍，有效激發學生的創造性思維。

1.4 教學評價

教學評價是指對于教學過程及其結果采用特定的標準和原則進行評判的過程，目的是為了提升教學效果。從教學評價原則來看，創客教育新模式評價基于對整個學習過程的不斷觀察、反思并及時改變或調整活動計劃，以取得良好的教學效果。基于此，不僅注重學生最終設計的作品的創意度，而且非常重視學生建構知識和實踐能力的變化，遵循過程與結果相結合的綜合評價[5]。評價主體是指主導評價活動的人與團體。評價主體應該遵循多元化原則。基于創客教育強調創新、實踐、協作以及分享，教學評價以學生自評、互評以及教師評價的多元主體開展，既有助于培養學生批判性思維和作品的完善，又客觀的反映出整體創客教學課堂的優勢與存在的不足。

1.5 實踐條件

實踐條件為教學模式能夠有效實施的前提條件，只有滿足了實踐條件創客教學模式才能有效實施。接下來通過學生、教師和學習環境三個方面因素對創客教育新模式的實踐條件進行闡述。在創客教學活動中要改變傳統教學中學生被動學習的角色定位，把學生作為教學活動的學習主動者，讓學生主動構建知識體系，從而凸顯學生的主體地位，樹立學生的主體意識。而教師在創客教育課堂中充當學習引導者，為學生創設創客活動學習環境，在學生自主探究的過程中關注學生的學習實踐過程，引導學生學習，輔助學生創作作品。學習環境是影響學習者學習的外部環境，是促進學習者主動建構知識意義和促進能力生成的外部條件，同樣，創客課堂學習環境的構建在創客教學中舉足輕重。教師為學生創建合適的創客學習環境，有效地激發學生的創造性思維，使學生充分發揮創造力，從客觀層面培養學生的創造性思維和創新操作技能。

2 編程貓與開源硬件相結合教學活動實踐

編程貓與開源硬件相結合教學活動實踐，筆者以小學五年級信息技術第七課時“接蘋果”為例進行教學實踐。本次研究實踐對象為XH 小學五年級（2）班的學生，一共52人。采取分小組課堂學習，將學生們分為七組，每組6-7 人。教學環境為學校計算機教室，配有黑板與白板相結合的多媒體顯示系統和現代化多媒體音頻擴音系統，每位學生對應一臺電腦上課。上課前，給每組分發一份開源硬件實驗器材。

2.1 教學目標知識與技能

教學目標：

1）認識遙桿、控制板以及數據線等開源硬件；

2）下載、安裝編程貓硬件助手；

3）測試遙桿傳感器的數值；

4）編寫程序，學會根據遙桿值判斷遙桿的方向，進而控制小車的運動方向。

過程與方法：

學生通過看視頻、動手操作、小組合作探究等活動，認識和了解開源硬件及其連接，掌握和理解通過遙桿值判斷遙桿的方向進而控制小車的運動方向的方法，發展學生的動手、合作探究的能力。

情感態度與價值觀：

1）通過完成通過遙桿控制小車移動接蘋果的任務，體驗通過編程貓給開源硬件編程的樂趣，提高學生學習欲望；

2）通過合作學習，提高學生小組合作的精神。

2.2 教學過程

2.2.1 認識遙桿等開源硬件

認識遙桿等開源硬件這節課主要是為了讓同學們學習如何用遙桿控制小車接蘋果。在授課期間，首先向同學們展示遙桿控制器（圖1）、ELF mini 主控板（圖2）、RJ11 連線（圖3）、數據線（圖4）這四個開源硬件，并讓同學們自由討論這些硬件都有什么作用。隨后筆者再向同學們一一介紹這些硬件的用途。比如遙桿的用途是用來控制游戲畫面中的飛機，也可以用來控制真正的飛機；ELF mini主控板是支持編程貓軟件編程的；RJ11 連線是用來連接主控板和遙桿控制器；數據線是用來連接電腦和主控板。通過向同學們展示實物并展開自由的討論，以此來激發同學們的學習興趣和認知能力。課堂結束之后筆者進行了教學效果調查，調查發現全班52名同學都認識并了解了開源硬件，教學效果極好。

圖1 遙桿控制器

圖2 是ELF mini主控板

圖3 RJ11連線

圖4 數據線

2.2.2 遙桿的測試

通過認識遙桿等開源硬件這節課，同學們對開源硬件有了清晰的認識，隨后循序漸進地進行遙桿的測試這節課。上課時向同學們發出提問：“我們怎么用遙桿控制小車呢？”然后請同學們進行小組討論。經過討論之后小組同學得出討論結果：測試遙桿值。經過前面的探討然后要求同學們親手操作，實現遙桿值的測試并把測試結果記錄下來。之后要求小組匯報所測得的結果，并分析結果存在差異的原因，即遙桿擺放的位置不同。最后撥動遙桿，向同學們提問遙桿數值變化的范圍與遙桿搖動的方向有什么關系？經過同學們的探討之后得出結論：如圖5顯示，不撥動遙桿時，顯示為50；當向左撥遙桿時，遙桿x軸上的值在0～50；當向右撥遙桿時，遙桿x 軸上的值在50～100。因此，我們可以根據遙桿值的大小判斷遙桿的方向，進而控制小車運動了。

圖5 不撥動遙桿時數值顯示

2.2.3 遙桿的應用——控制小車運動

最后一堂課講授的是控制小車運動。在前面兩節課的學習中同學們已經掌握了開源硬件和搖桿測試等相關知識。此時要求同學們根據上節課總結出來的規律，嘗試著編寫程序，完成今天的任務：通過遙桿控制小車運動，完成接蘋果的游戲。如果還有不明白的小組可以觀看老師錄制好的視頻。當同學們完成程序編寫后，教師提出問題并與學生一起分析，請學生點評修改，同時引導學生重點注意3個問題：1）如何正確獲取遙桿值？2）用什么指令判斷遙桿的搖動方向？3）如何讓小車在松開遙桿時停止？然后學生繼續完善程序編寫。

2.3 作品創作對比分析

經過《接蘋果》編程貓課程與開源硬件相結合教學活動實踐的課堂中，收集班級學生的作品，通過對比分析可以發現使用開源硬件課堂之前，學生在類似的編程課堂上只是為了完成任務，幾乎完全照搬書本的設計方案和模仿教師課前演示的范例，完成作品效果較差。而本次采用創客教育的新型教學模式，學生作品提交的作品都是通過試錯后不斷改進進行設計的，且程序都能夠執行，而且還在原設計程序的基礎上更改角色屬性和運動方式，制作創意產品。學生作品完成率、創新率，均有顯著提升，所以采用創客教育新模式教學課堂效果顯著。

2.4 交流與訪談

課堂結束后，筆者與4名聽課教師進行訪談交流。通過訪談發現本次創客教育新模式實踐活動中，課堂氛圍更加活躍，學生積極性更高。大部分學生都能夠想出解決方案，而且愿意嘗試更多的方法設計自己的作品。學生還主動進行創作學習和分享，在分享的環節都積極分享問題的解決方案以及自己的想法。聽課老師認為本次創客教育教學過程設計得很新穎，教學步驟完整高效，以任務驅動式提高學生的自主探究能力以及創新創作能力，激發他們的學習熱情、創作思維，小組討論、協同合作完成創作還能夠鍛煉他們的合作能力，作品展示與分享對提高學生表達能力和自信心有很大幫助。

綜合作品評價、訪談老師的情況表明在本次創客教育新模式中，學生獲得良好的學習體驗，對開源硬件熟悉掌握，并且對編程越來越感興趣。學生互相交流分享創作，課堂作品完成效果提升。綜上所述，編程貓與開源硬件相結合的創客教育新模式激發學生對編程的學習興趣，提高了學生發現問題、解決問題的能力，同時也提高了學生的創新思維能力和合作意識，教學效果顯著提升。

3 總結

基礎教育中開源平臺和創客教育的推廣是未來發展的趨勢，并且將設計型學習的理念融合在創客教育中，帶來創客教育的新方向。筆者對小學創客教育教學模式研究時間不長，尚處在探索階段，筆者認為小學階段是學生思維發展的一個關鍵時期，開展編程課程是培養學生計算思維的一個重要途徑。因此，開源硬件對于基礎編程教育的推廣性的研究有著重要意義。

在信息時代，社會對青少年提出了更高的要求，在學習傳統知識的同時，要緊跟社會發展潮流，作為一名信息技術專業的學生，要不斷地提高自己的信息素養。要求我們每一位信息技術教育者，尤其是各學科教師應該努力深造，選擇合適的教學內容與方法，不斷優化教學過程，為教育事業發揮更大的作用。