面向中小學創客教育的工程技術實驗教學探討

陳 璐,廖 峻,莫德云

(嶺南師范學院 物理科學與技術學院,廣東 湛江 524048)

近幾年,人工智能技術在各行業被廣泛應用,也給基礎教育領域帶來了革新. 2022年,教育部發布的《教師數字素養》從數字化意識、數字技術知識與技能、數字化應用、數字社會責任以及專業發展等5個維度對新時代的教育從業者提出了更高的要求[1]. 2023年,教育部等十八部門印發的《關于加強新時代中小學科學教育工作的意見》,要求強化實驗教學,探索利用人工智能、虛擬現實等技術手段改進實驗教學,擴充教育教學資源[2]. 從中小學信息科技的教育內容方面分析,新課改要求信息科技教學課堂逐步引入機械、電子、通信等學科背景的基礎知識,以先進加工設備、嵌入式開源硬件、高度集成傳感器、兼容圖形化編程軟件等為技術載體,開發信息時代的手工課和勞動課內容[3-4]. 有了政策的良好導向和完備的技術支持,“眾創”的理念不再是紙上談兵,為中小學教育階段引入技術與工程類實踐課題創造了條件,使得“創客”的涵義和內容在少年兒童教育中發芽和生長.

1 STEM教育與創客教育

STEM教育可以理解為以科學、技術、工程、數學為核心的科技創新教育[5],旨在培養交叉學科、創新型、復合型人才,最早由美國學者提出并在當地的K-12教學中推行[4]. 在我國傳播的十余年間,通過在中小學教學中廣泛實踐,STEM教育已逐漸成為基礎教育領域的共識,其特點是能夠培養青少年動手、創新、綜合運用科學知識的能力,具有多學科融合的性質和符合學生年齡的呈現方式. STEM 教育的工程課題著重強調結合實際生活和生產開展分析、實踐和技術應用,在產品研究、設計、測試中得到綜合訓練,而這樣的課題難度大,且成本較高,設備使用也有專業門檻,在義務教育中不易推廣.

“創客”最初意指將創意轉變為現實的人,創客空間是指具有加工車間和工作室功能的開放性實驗室[6]. 伴隨著計算機性能的提升和數字化技術的發展,創客概念延伸到了教育行業,泛指為培養青少年創新創造能力需要構建融合學科教學、作品設計、創意加工、調試分析等流程的創作環境. 由此推動了創客空間建設和各種創客項目的發展.

目前,教學實踐中的創客教育主要指在創客空間開展以實物創作為主的創新訓練,是提升青少年工程技術綜合應用能力的一種途徑. 創意作品具備相當的技術挑戰,可作為完整的工程啟蒙教育案例,學生在創客空間里共享資源和知識,完成課程實踐和創新[7]. 工程教育的開展離不開應用技術的發展和普及,包括入門簡單和界面友好的軟硬件,比如積木機器人、開源單片機、激光切割技術、3D打印技術等.

現階段少兒編程的普及得益于圖形化編程軟件的開發和應用. 圖形化編程也叫模塊化編程、積木編程,其原型來自20世紀80年代麻省理工學院與樂高公司合作的項目. 所研發的積木機器人的“大腦”是將編程語言表現為圖形拖塊、適合少年兒童使用的編程軟件,“主機”不需要連接電腦的集成電路控制模塊,可搭載各類傳感器當做“感官”,再將樂高式拼接積木結合電機作為其“動作系統”,從而實現系統控制和運動.

嵌入式開源硬件的開發使工程教育的對象范圍擴大到小學階段,其高度集成的單片機系統可實現常見的電路控制,并兼容圖形化少兒編程軟件,如此一來,只要掌握基礎的邏輯知識,便能夠制作電子創意產品. 在材料加工方面,之前必須經過專業訓練才能操作的設備(比如鉗工、車工機械等),如今在創客教育中已能被代替,先進加工技術日益成熟,更適于引入中小學工程實驗教學的操作難度低、安全性能高的產品,并配套面向少兒的建模軟件.

近年來,人工智能技術突飛猛進,各類國產教育軟件和培訓機構蓬勃發展,義務教育階段已將編程和嵌入硬件項目加入信息技術教育和勞動教育,并在教材中有所體現. 另外,編程和嵌入硬件項目也在青少年競賽包括“全國青少年人工智能創新挑戰賽”“全國中小學信息技術創新與實踐大賽”“世界機器人大會青少年機器人設計與信息素養大賽”等多項科技類賽事中有所體現. 因此,信息化數字化教學已是大勢所趨,也是基礎教育工作者聚焦的研究方向[8-10].

2 中小學工程技術實驗教學中的問題及對策

創客教育開展的力度和成效因區域的不平衡發展存在一定差異,經過對湛江本地的中小學調研發現,欠發達地區工程技術實驗的開展主要依托于第三方機構,校本課程的開發和創課教師的培養還有待加強. 調查內容如圖1所示.

圖1 創新創造課程調研內容

對本地2所小學的科學實驗課程調研結果顯示:基于傳統實驗的演示、探究環節較多,而實物的設計與實現、動手操作類項目較少. 學校層面組織了“校園科技節”“科技運動會”“科普進社區”等活動,但這些活動著重成果的呈現方式和互動效果,學生需要在短時間內搭建出作品用于展示,其過程基本由指導教師和家長完成,對于低年級學生這類現象更加明顯. 由于人力資源和場所、環境等條件因素的限制,開發校本課程、組織課后社團仍是課程改革的難點和重點.

另一方面,相對于硬件設施,學生使用軟件情況較好. 家長普遍重視孩子數字化、信息化知識的學習和人工智能素養的提升,對市面上的青少年建模和編程軟件也有所耳聞,并希望學校多開設此類課程. 為解決科學課程資源不足的問題,被調研的2所小學與大學科學教育師范專業結為了幫扶對象,以實現資源共享,推進大學生實踐基地和小學創新實驗室建設.

根據調研結果,開展校本工程技術教育并在跨學科實驗教學中有機創新和融合,對于一些不發達地區的學校存在實際困難,其具體原因表現在以下幾方面:

1)資源不足. 工程技術能力培養需要結合科技發展配置場地和器材,由于設備更新迅速、價格昂貴且不耐使用,導致地區差異明顯,欠發達地區學生的學習機會較少[11].

2)能力欠缺. 小學、初中學生由于年齡特點,基礎知識和理解能力均有限制,無論是項目式案例還是學科融合實驗,科學應用的手段尤為重要,例如計算機輔助設計、編程、電子電路等技術,少年兒童往往難以理解,需要大量練習,課堂和社團活動時間不足以完成[12].

3)學習興趣不高. 雖然實踐教學在義務教育中得到了普遍重視,但學生和家長對理論知識的學習更為側重[13],所開設項目多為演示和驗證性實驗,欠缺激發青少年興趣和自主創新精神的綜合性課題.

4)實踐內容單一. 盡管信息課、勞動課和第二課堂設置了鍛煉動手能力的環節,例如認識使用傳感器、機器人、單片機等,體現了工程技術的應用場景,但更多是將新技術機械式地拼接,因此仍需探索與學科教學的有機融合方式[14].

圍繞上述問題,針對目前工程教育中的短板,以嶺南師范學院科學技術教育本科教學經驗為參考,擬從器材配置、課程設計、內容組織3方面切入,探索基于STEM教育理念和創客教育相結合的中小學工程技術實驗教學途徑.

2.1 工程實驗室的器材配置

創客空間一般由1個或幾個完成創意落地的實驗室組成,規劃時應考慮其功能分區,配備基礎的計算機、投影儀、加工臺等. 對于經濟欠發達的地區,昂貴的硬件投入往往難以實現,因此在器材配置方面,要兼顧創新性、重復性、經濟性、趣味性等需求. 比如配置開源的虛擬仿真平臺(例如Scratch,3D-ONE,mBlock,Mindstorms等). 虛擬平臺能夠提供更多的實驗場景和實驗條件,且投入和維護成本低;作為創客工具,可以引導學生圍繞不同難度的主題進行實驗設計、創造和分析;鍛煉不同于理論教學的空間思維能力、動手能力和協同解決問題的能力. 部分專門面向低齡段學生開發的虛擬軟件如表1所示.

表1 中小學工程技術實驗器材表

此外,還可購置必要的制作工具和裝置,如小型臺鉆、小拉花鋸、3D打印機等,這些通用設備安全性能好、操作簡單,可以增加學生的參與度和興趣. 本校科學技術教育面向中小學創客搭建的示范實驗室配備的工具如圖2所示,基本能滿足創客所需的非標零配件制作需求,多年來無事故記錄,年均使用、維護成本不超過1 000元(3D打印耗材除外),一定程度解決了學生上手難、參與度低、運維成本高的問題.

(a)臺鉆與拉花鋸工作組

(b)泡沫切割機工作組

(c)并聯式3D打印機

(d)激光切割機圖2 嶺南師范學院中小學創客示范實驗室硬件配置

2.2 工程實驗的課程設計

在教學方式上,宜結合科學情境和生活情境,采用項目式教學方法. 選取工程技術類青少年競賽題目,例如青少年人工智能挑戰賽、青少年通信科技創新大賽、機器人設計與信息素養大賽等賽事中的“單片機創意智造專項賽”“創意天梯挑戰賽”“雪山運輸挑戰賽”“智能配送挑戰賽”等項目作為實驗課題. 這些項目將工程設計、3D打印、編程控制、電子技術等知識交叉融合,要求參賽選手綜合運用多學科知識完成創意設計,有效地激發學生的創造潛能,提升動手能力. 此類實驗課程的設計可從查閱資料并對參賽作品分析和學習入手,分單元拆解和復原,進而延伸為原創[15-17].

同時,在進行上述項目課題的實踐過程中,要進行適當的拆解和簡化,以適應不同基礎的學生共同創作. 以2023年中國通信工業協會舉辦的全國青少年通信科技創新大賽——智能配送挑戰賽為例,賽事要求利用數傳技術完成智能配送系統的識別、分配、配送等一系列任務. 為實現這一綜合目標,需要分解成通信網絡、智能配送機器人、機械臂、攝像頭,然后共同組合成智能配送系統. 表2為嶺南師范學院附屬中學初中部的創客實踐安排(拆分智能配送挑戰賽STEM課程任務),每周二、四下午分別開展1課時,1個學期共36課時.

表2 智能配送挑戰賽STEM課程設計

需要注意的是,對于初學者較多的班級,可以增加圖形化編程的課時,加強基本編程語句和控制結構的講解;對于有編程基礎的學生,可以適當減少機械臂編程的課時,加強編程實踐和項目實踐的內容.

拆分比賽項目,1學期搭建1個完整比賽作品,一方面增加學生對創客學習的興趣,另一方面增強學生對工程實驗的信心.

2.3 工程實驗的內容組織

應用技術的支持讓實驗自由度增加,意味著教學素材有了多種實現的可能. 組織內容時可將傳統課堂中的物理、科學、信息等學科實驗做以補充,增加新興設備的應用. 例如,采用傳感系統測量未知量,或在虛擬實驗平臺探究模擬物體的運動規律,或結合傳感模塊和圖形化編程軟件做出簡單的情景交互效果,等等. 圖3為學生在興趣課上利用無線接收模塊、電機控制模塊、機械傳動模塊仿造校內后勤中心起重機改良的輪式抓取機器人. 通過該項目的制作,學生體會了軟硬件結合的工作方式,應用計算機、機械、通信等不同學科的知識,切實體會了工程實踐的實施過程.

圖3 輪式抓取機器人

教具設計和制作也是工程教育和實驗教學有機融合的途徑,經過對實驗原理的充分理解,自主制作實驗系統或其中部件,研究問題的基本規律和解決方法,真正達到“動手、動腦、做中學”的教育目標. 學校提供實踐項目支持,包括實驗設備、工具和材料,以及實驗指導和技術支持. 通過設計、制作專用教具,一方面讓學生在實踐項目中得到指導,實現理論與實踐的有機結合;另一方面亦逐步改善創客實驗室的條件,形成良性循環. 圖4是學生學習激光切割機和3D打印機操作過程中,自主設計制作的“操作警示牌”“3D-ONE建模教具”.

圖4 學生設計的教具

綜上所述,教學改進應以現有資源擴展為方向,包括擴充器材、增設項目、加深難度等橫向和縱向擴展,綜合提升創新樂趣和創客技能. 可擴展的內容如圖5所示.

圖5 中小學工程技術實驗的教學擴展內容

3 中小學工程技術實驗教學示例

3.1 延伸傳統實驗

在討論力與加速度的關系實驗中,加入使用數字化實驗設備和編程軟件的環節,經過簡單的組合,可通過手的擺動力度直觀演示“力的大小與加速度成正比”的效果(圖6),增加互動的同時,激發學生對傳感器應用等知識的好奇心. 如果進一步將傳感模塊做成小車,設計數字信號值與測量值的比例關系,可制作測量加速度的教具.

(a)施加加速度前 (b)施加加速度后圖6 使用傳感器演示力與加速度的關系

3.2 拓寬技術應用

選擇入門快、上手容易的軟硬件,在第一次實驗課時進行快速制作創意作品實踐,首先學習操作簡單的智能化儀器,再根據工程問題的產生溯源理論基礎,逆向教學避免了學生產生畏難情緒,提升學習樂趣. 圖7是學生使用激光切割機制作的2個小作品,其中圖7(a)為學生根據廣東湛江當地非物質文化遺產——雷州石狗設計的一款二維卡通造型,并用激光切割機制作出了亞克力和木質板材2種材質的手機支架;圖7(b)為激光切割機制作的拇指琴. 這些創客作品的配件只需掌握基本激光切割機操作即可在短時間內制作完成. 通過上述作品的制作,學生能夠熟悉掌握儀器的使用,在后續教學中,教師再引導學生利用單片機和傳感器制作能發出提示音效的手機架和具有電子調音功能的拇指琴等,以豐富整個創客單元.

(a)湛江雷州石狗手機支架

(b)DIY拇指琴圖7 通過激光切割機制作的小創作

3.3 軟硬結合、提升思考能力

將軟件編程與硬件實物結合,設計動畫與現實的情景交互內容. 如圖8所示,采用界面豐富、操作便捷的圖形化軟件和高度集成開源硬件,可實現舵機轉動與動畫中手掌擺動同步的效果. 情景交互題目在進行邏輯思維訓練的同時還模擬現實場景搭建,加深學生對真實工程問題的體會和思考.

圖8 Arduino情景交互編程

3.4 分享科學創作

物體三維結構的認識對于中小學生較為抽象,傳統課堂采用手工畫圖和講解的方法通常較為枯燥,可選用市面上針對基礎教育研發的建模軟件引導學生創建創作主頁,這些軟件界面色彩豐富、簡潔,其網絡社區還有分享功能,有利于學生在分享中獲得樂趣. 圖9為3D-One共享社區上中學生繪制的建筑模型和社區中其他中小學生的優秀作品. 另外,分析和講解自己的創客作品可作為實驗項目開展,讓學生在現場講演的基礎上,拍攝創作步驟微課程,以短視頻形式拓寬科學普及渠道,以青少年群體喜聞樂見的方式寓教于樂,使數字技術全方位賦能教育教學.

(a)3D-One共享社區

(b)學生測繪的校園建筑圖9 青少年三維建模軟件和共享社區

4 結束語

中小學創客課程主要的教學目標是“造物”,“造物”過程中產生的問題構成了各類工程應用課題,要解決這些問題,科學理論的解釋和現實技術的支持二者相輔相成,并激發出新的技術和新的方法. 工程類綜合實踐作為開發創客項目的良好素材,仍待持續討論和改進. 目前,國內的跨學科理念和創客教育碰撞產生了多元化的火花,在教學設計和課程開發方向取得了長足進展,本文從創客空間打造、創意示例挖掘、創新資源整合角度提供了思考和建議.