混合式高職創客教育教學效果分析及啟示

王小金 陳文沛 沙海銀

關鍵詞：高職院校；創客教育；混合教學

0 引言

創新是國家發展源源不斷的動力，高職創客教育被賦予學生創新能力培養的使命，在數字時代，互聯網是保障，數字資源是基礎，數字技術、智能技術為教學深入改革提供支撐。2023年2月，世界數字大會上，教育部介紹全國中小學互聯網接入率已經達到100%，我國基本建成了世界第一大教育教學資源庫，充分利用數字技術，利用大數據、人工智能等技術，使得技術與教學融合更加深入。以湛江幼兒師范專科學校為例，由于學校發展的重心從舊校區到新校區，舊校區的教學環境落后、機房設備老舊，軟硬件的連接上，存在編譯時間過長，嚴重影響學生的學習積極性和教師教學進度，使教學效果大打折扣。為此，本學期教學迫切需要一種降低機房設備硬件條件、又能滿足學生實訓學習的在線網絡平臺。Wokwi仿真平臺是一種免費的在線平臺，提供了豐富的教學案例、虛擬仿真的電子元件、即時的虛擬實驗效果，基本滿足教學的需求，為教師授課演示、學生實訓效果提供保證。創客教育是富有探究性的課程，基于項目式教學方法，學生動手做是非常重要的環節，這強調了實驗教學的重要性。然而，相比真實實驗，虛擬實驗具有便利性、重復試錯率等特點，在實際教學中得到廣泛應用和推廣。然而，真實實驗和虛擬實驗混合式教學效果如何？學生的學習興趣傾向在哪個方面？這對提高學生創客教育課程學習興趣和效果具有非常重要的作用，也是本研究的主要問題。

1 理論基礎與相關研究

1.1 具身認知理論

具身認知（Embodied Cognition） 的核心要義包括：認知過程的進行方式和步驟實際上是被身體的物理屬性所決定的；認知的內容是身體提供的；認知、身體、環境是一體的，認知存在于大腦，大腦存在于身體，身體存在于環境。也就是說，認知過程深深地植根于身體與它周邊物理環境的交互之中[1]。具身認知理論認為具體、形象的身體經驗是建構知識的途徑，這和直觀教學法主張運用真實事物為載體傳遞教學信息[2]。Black等人通過設計系列具身性活動來“做”數學，由此提出一個可用于課堂場景的具身教學框架（IEF，Instructional Embodied Framework） 。該框架指向正式教學場景，通過設計不同類型的具身作為學生的投入性活動， 以利用行動和感知來發展對概念的理解。以國家智慧職教平臺為例，在線仿真課程教學為實訓學習提供了豐富的實驗資源。創客教育課程基于Arduino開發板進行理論和實踐的講解，引入在線仿真教學平臺，提供高度仿真的電子元件、電路連接和在線編程相結合的功能，能夠即時反饋實驗結果，具有一定的真實性，學生體驗性較強，反響較好。

1.2 虛擬仿真實驗與真實實驗的概念

虛擬仿真實驗是一種基于虛擬現實、計算機網絡、人機交互、人工智能等技術構建的開放式網絡化的實踐教學手段，實現教學實驗中實驗設備和實驗項目的數字化和虛擬化[3]，為用戶提供一個可實時交互的“實驗現場”，使得學生能夠不受時間和空間的限制，不受輸入設備和實驗平臺的限制，利用自己的經驗對所學知識進行探索、驗證、強化和應用等[1]。真實實驗廣泛應用于物理、化學、生物、電工電子等學科領域，利用實物完成教學實驗的過程，從而達到培養學生動手能力、實驗設計能力、創新能力的作用。以物理類實驗為例，對培養學生科學素養和提高學生科學實驗能力、創新能力有著重要的作用[4-5]。

虛擬仿真實驗和真實實驗的混合式教學模式成為探究性實驗的常用教學方法，有研究者通過實驗設計的方法發現虛擬實驗和真實實驗混合教學能夠為不同的實驗形式提供優勢互補，比單一的教學方法學習效果更好[6]。以物理學科為例，交互型虛擬實驗能夠打破時間和空間的限制，具有較強的推廣性[7]，有助于提高學生的學習興趣，增強實驗參與感，提高學生學習成績[8]。

1.3 高職創客教育課程介紹

創客教育旨在培養學生的創新思維能力，通過Arduino開發板與各類傳感器如溫濕度傳感器、蜂鳴器、火焰傳感器、顯示屏、舵機、紅外、測距、藍牙通信、電機、Wi-Fi等綜合應用，最后為解決一個特定領域的生活問題而生成的創意作品。研究者在探尋高職創客教育課程實施路徑，如創新學習方式、創客文化建設、創客導師制、項目化創客制度等[9]，有研究者利用創客教育與高職課程深度融合，達到創新人才的培養目標[10]；或高職教改背景下，采用創客教學法，構建混合式教學模式，有效地提高學生的學業成績[11]。

在本研究中，以湛江幼兒師范專科學校為例，創客教育以獨立課程的形式存在，主要面向工科類專業，如工業機器人、應用電子技術、數字媒體技術等，要求學生有一定的編程基礎如C語言、圖形化編程等，在完成課程實踐后，以大學生創新創業大賽為契機，結合智慧智能技術，檢驗教學成效。如智慧停車場、智能紅綠燈、智能保險箱等作品設計的完成，作品部分截圖如圖1和圖2。

2 研究設計

2.1 設計過程

創客教育課程的實施以實訓為主，通過虛擬仿真或實物的形式，結合程序設計，生成具有一定智能的新產品的過程。本學期采用虛擬仿真實驗和實物實驗進行混合式教學，在1～9周以Wokwi為平臺的虛擬實驗，在10～16周進行真實實驗，其中，真實實驗以2 ～3個人進行小組學習，每個小組一個Arduino套件，里面包括Arduino開發板和各類常見的傳感器；虛擬實驗教學以個人學習為主，利用電腦進行線上虛擬仿真實驗，使用的是wokwi.com進行Arduino開發板的虛擬仿真實驗。期末考核作品設計以小組的形式，在虛擬實驗和實物實驗中選擇其一，最后對兩個班的學生進行學習興趣和學習效果進行問卷調查，并對學生進行抽樣訪談。最后，期末作品共分24組同學，其中有4組同學選擇了虛擬實驗+外觀設計，有20組學生選擇實物實驗。

2.2 研究工具

1） 問卷調查法：使用《高職學生創客課程學習效果問卷》對每個班的學生進行調查。問卷設計分四個模塊，模塊一：期末小組作品的實現情況；模塊二：學生知識與技能掌握情況；模塊三：學生情感態度價值觀；模塊四：對課程的總體看法，包括是否喜歡該門課程、傾向哪種教學模式、上課表現等，除此之外，學生基本信息有性別和班級。

2） 訪談調研法：實驗結束后，對個別學生進行抽樣調研。訪談圍繞“Q1：與其它實驗探究課程相比，您認為我們本學期的教學有什么不同的地方？您喜歡這樣的學習方式嗎？”“Q2：在本學期學習過程中，您最喜歡哪個教學環節？為什么？”“Q3：對于本課程的學習當中，您遇到了什么困難？”“Q4：通過本學期的學習，您學到了什么？”“Q5：對于將虛實混合實驗教學應用到創客教學中有什么建議？”通過隨機抽樣的方法，選擇線上或線下的訪談調研方法，調查了10名學生，按照比例隨機選擇7名男生和3名女生，樣本涵蓋了優良中差不同層次的學生，層次劃分由平時表現和期末作品為綜合考核。

2.3 數據收集

在學期教學最后一次的課堂上，現場發放問卷71 份，回收問卷71份，有效問卷67份，有效率94.4%。從班級來說，參與工業機器人專業班級43人，數字媒體技術專業24人；女生21人，男生46人。

3 數據分析

3.1 描述性分析

從上表1可以看出，學生在知識與技能的掌握上滿意最高，包括各類傳感器的使用、圖形化編程的思路、小組探究過程，但是在期末現場期末作品實現情況上的掌握缺乏信心，標準偏差和方差最小，表明了學生對此模塊的調查上一致性較弱。在情感態度價值觀上，表現較為穩定。

從上表2可以看出，學生在知識與技能的掌握上滿意最高，在期末現場期末作品實現情況上的掌握缺乏信心，標準偏差和方差最小，表明了學生對此模塊的調查上一致性較弱。在情感態度價值觀上，表現較為穩定。

在教學評價上，有58.2%的學生認為本次教學和實踐“有趣富有挑戰，通過團隊合作，自己動手，實現自己的創意”，有28.4%認為“很有趣，我盡力參與課堂”，有9.0%認為“有趣，但是條件有限，無法充分參與”，有4.5%認為“很無聊，我不感興趣”。在小組合作過程中的人數分組里，79.1%的學生認為3個人一組更合理，10.4%學生認為4個人一組更合理。

結合實際課堂教學，本學期采用的是線上虛擬仿真實驗和線下真實實驗教學相結合，其中有62.7%學生表示很喜歡“前半學期Wokwi線上虛擬仿真實驗教學，后半學期Aruino實物實驗教學”，有11.9%的學生希望“ 前半學期Aruino 實物實驗教學，后半學期Wokwi線上虛擬仿真實驗教學”，有11.9%的學生希望“整學期都是Wokwi 線上虛擬仿真實驗教學”，有13.4% 的學生希望“整學期都是Aruino 實物實驗教學”。在教學內容上，有52.2%學生表示“搭建和編寫二者我都喜歡”，有26.9%學生表示“更喜歡搭建，不太喜歡編程”，有14.9%學生表示“更喜歡編程，而不太喜歡搭建”，有6%的學生表示“二者我都不喜歡”。由此看出，線上與線下相混合的創客教學模式被大部分學生所接受，并且能夠較好地傳授教學知識，提高學生的學習興趣，達到預期的教學效果。

3.2 獨立樣本t 檢驗

在獨立樣本t 檢驗數據分析中發現，不同性別的學生在課程教學評價、參加創客比賽和完成期末作品設計報告上具有顯著的差異性，如表3和表4所示。

由表3和表4中可以看出，男女生在本次教學和實踐的整體評價、參加創客比賽和完成期末作品上有顯著差異，這意味著女生在參加創客、科技比賽和完成期末作品的意愿以及課程教學評價上顯著高于男生的意愿，在小組合作完成期末作品設計過程中完成度更高，參加創客比賽的意愿更為強烈，為此，應積極鼓勵女生組隊參加創客科技比賽，發展創客學習興趣，做出更優秀的作品，對于男生來說，以引導為主，提升他們的學習積極性。在教學和實踐的整體評價上，女生能夠充分體會到創客教學有趣富有挑戰，能夠通過團隊合作實現自己的創意，且有趣性比男生更高。

3.3 訪談文本分析

在學期課程結束之后，對學生訪談調研，并對學生的回復進行了文本分析。分析結果如下：

1） Q1：與其它實驗探究課程相比，您認為我們本學期的教學有什么不同的地方？您喜歡這樣的學習方式嗎？

10名學生均表示喜歡這種方式，原因有理論與實踐相結合，增加學生動手能力，對學生的創新思維培養有正向的引導作用，除此以外，學生對教師上課的風格表示比較喜歡。

2） Q2：在本學期學習過程中，您最喜歡哪個教學環節？為什么？

8名學生表示喜歡分組動手做作品的環節，實踐操作過程是理論與實踐相結合的過程，對學生來說是一個考驗，有助于培養學生的學習成就感；有2名學生喜歡師生互動環節，課堂氣氛活躍有趣。

3） Q3：對于本課程的學習當中，您遇到了什么困難？

實操過程中硬件連接或編程問題是學習中最大的困難。如“在網頁創建藍牙模塊的App開發比較難，在各組不協調地使用藍牙干擾了連接不成功；器件的調配問題”和“一些運作結果達不到理想狀態”。

4） Q4：通過本學期的學習，您學到了什么？

學會了電子器件的認識、仿真實驗操作、理解能力、學習能力、小組協作能力、溝通能力等，學到了創客的基本內容。

5） Q5：對于將虛實混合實驗教學應用到創客教學中有什么建議？

有6名學生認為增加實操課，指出從虛擬平臺到實物操作融會貫通存在一定的困難，需加強硬件的作用和原理的講解。在完成作品的過程中，將虛擬平臺和實物操作結合起來，同時進行。有些硬件零件缺乏，影響實操進程；有1名學生提到教師要了解小組的任務分配，加強指導；有3名學生沒有提出建議。

通過訪談調研文本得知，學生對本學期課程教學方式表示一致喜歡的態度，主要原因是理論與實踐為主，尤其是注重實踐動手操作，能夠讓學生直接體會到動手的樂趣。存在的問題有硬件的連接和軟件的編程，兩者出現的概率基本持平，這表明硬件的連接和軟件的編程是較容易出現問題；在對教學的建議上，要多增加實踐的機會，并且對硬件的原理和功能進行詳細的說明，根據不同學生的特點分配任務，能夠有序地引導學生完成實踐操作。

4 結論與啟示

4.1 研究結論

1） 學生對本次創客教育教學模式持有正面的學習態度

從學生對課程的總體評價中可以看出，大部分學生表現出對課程學習的喜歡，很愿意學習并且喜歡這種混合式的創客教育教學模式。超過80%的學生認為課堂很有趣，雖然課堂受限，但是會盡量參與小組學習，完成課堂學習要求和作品設計。主要原因是教學方法多樣，師生互動強，理論與實踐相結合的教學方式能夠有效地吸引學生的注意力，提高學生學習興趣。

2） 混合式創客教育教學模式在學生創客技能培養過程中取得較好的效果

從期末作品實現情況、創客教育知識與技能以及學生情感態度與價值觀的數據分析中可以看出，調查結果處于符合和很符合之間，這意味著本次創客教育教學模式達到了預想的三維目標，且以小組合作的方式，在限定的時間內，現場完成期末作品設計，對學生動手操作能力得到一定的驗證。本次創客教育采用線上虛擬仿真實驗和線下實物實驗相結合的方式，具體時間安排為1～9周進行線上虛擬仿真實驗，10～15 周進行線下實物實驗，期末作品可以選擇線下實物或線上虛擬仿真，較為優秀的實物作品有智能紅綠燈的設計、智慧停車場，較為優秀的虛擬仿真實驗作品有智慧保險箱。

4.2 對策建議

1） 混合式教學中應以真實實驗為主、在線仿真為輔

通過訪談調研中可知，學生建議應以真實實驗為主、在線仿真實驗為輔，注重學生動手做；應提供更多有趣的實踐案例教學，提高學生的學習興趣，制作更多有趣的作品。本次創客教育教學是教師的首次嘗試，取得較好的成效，那就是對學生創新能力的培養，如有趣的案例、有梯度的難度設計、軟硬件的作品設計等都是創新的熱點詞。

2） 根據學生特點進行任務分層設計

本課程的教學中，使用Arduino開發板和圖形化編程工具共同實現各類傳感器的過程，涉及線路的連接和編程設計，是教學的重點和難點，部分學生在線路連接或編程設計中存在一定的困難，對于不同專業的學生側重點不同。例如對于工業機器人專業學生應傾向于編程設計思路的講解，對于數字媒體專業應傾向于傳感器的功能、原理和連接進行講解，輔之以編程設計。除此以外，在同專業不同學生知識水平進行任務分層設計，以期達到最優的效果。