創(chuàng)客空間支持下STEAM課程群建設

謝作如 劉正云

【摘   要】創(chuàng)客教育的實施離不開創(chuàng)客空間，支撐創(chuàng)客空間的運行需要STEAM課程的實施。溫州中學自2008年建立創(chuàng)客空間以來開展了各種STEAM課程，并在課程開設中實現(xiàn)課程結(jié)構(gòu)的扁平化及教學實踐的環(huán)環(huán)相扣，效果良好。本課題以此為基礎，旨在開發(fā)以創(chuàng)客空間為課后活動場所，圍繞科學、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學等學習領(lǐng)域組織、規(guī)劃的一系列校本課程，以培養(yǎng)學生的STEAM素養(yǎng)和實踐能力及問題解決能力。

【關(guān) 鍵 詞】創(chuàng)客教育；創(chuàng)客空間；STEAM課程群

【作者簡介】謝作如，浙江省溫州中學信息中心主任（浙江溫州 325014）；劉正云，南京師范大學教育科學學院教育技術(shù)碩士研究生（江蘇南京 210024）。

隨著創(chuàng)客文化的風起云涌，創(chuàng)客思想以其開源、共享、鼓勵創(chuàng)新等特性受到大眾認可，創(chuàng)客教育也隨之興起。創(chuàng)客教育和STEAM教育（科學、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學）有著天然的聯(lián)系，其基于真實世界和基于項目的學習特征，對青少年科學技術(shù)實踐能力的培養(yǎng)有著重要的作用。同時，創(chuàng)客教育關(guān)注軟硬件相結(jié)合的技術(shù)，能有效彌補基礎教育中的缺失。在國內(nèi)專家呼吁信息技術(shù)與通用技術(shù)及綜合實踐活動、研究性學習等科目合并以提高青少年實踐能力和綜合運用能力的同時，創(chuàng)客教育以其獨特的價值引起越來越多科技教育者的關(guān)注。

創(chuàng)客教育的實施離不開創(chuàng)客空間的建設。事實上，創(chuàng)建創(chuàng)客空間的過程并不復雜，但培養(yǎng)真正的創(chuàng)客很難。創(chuàng)客空間背后相應的課程設置，將是支撐其不斷運行并發(fā)展壯大不可或缺的因素。創(chuàng)客空間的可持續(xù)運營需要怎樣的創(chuàng)客課程作為支撐？由各個毫無關(guān)聯(lián)的動手項目零散地拼湊抑或形成具備一定邏輯的課程體系？本文結(jié)合溫州中學STEAM選修課程建設的經(jīng)驗，依托創(chuàng)客空間研究STEAM課程群的體系架構(gòu)和教學實施，將創(chuàng)客活動與學校特色課程結(jié)合起來，形成可復制的特色科目群。

一、STEAM課程群內(nèi)涵

課程群是有緊密聯(lián)系的課程集合，不是其簡單相加，能擺脫課程的單一性。一般而言，課程群有兩大屬性。一是課程內(nèi)容相關(guān)性。課程群的課程緊緊圍繞教學體系或培養(yǎng)目標展開，課程間的知識、方法、問題等邏輯聯(lián)系愈加外顯，有效促進學生知識的貫通及遷移應用。二是課程內(nèi)容整合性。通過對課程群的整體規(guī)劃設計來填補空白，刪除重復課程，實現(xiàn)整體效益的最大化。因此，課程群的內(nèi)涵可以界定如下：課程群是為完善施教對象認知結(jié)構(gòu)，將本專業(yè)或跨專業(yè)中若干知識、方法、問題等有內(nèi)在邏輯的課程加以整合而形成的課程體系。[1]

創(chuàng)客空間支持下的STEAM課程群是在課程群的內(nèi)涵指導下建設及完善的。STEAM課程強調(diào)對學生科學素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、藝術(shù)素養(yǎng)以及數(shù)學素養(yǎng)的培養(yǎng)。STEAM課程群建設過程中的關(guān)鍵點在于各課程知識點的融合與分解。“融合”是有意識地減少甚至消除重復的課程內(nèi)容，“分解”則是對課程進行再設計的過程，經(jīng)過“融合”和“分解”，能凸顯核心課程內(nèi)容，有利于學生STEAM素養(yǎng)的培養(yǎng)和實踐動手能力的提高。由于劃入課程群內(nèi)部的課程本身既相互關(guān)聯(lián)又彼此獨立，課程設計者需要對STEAM課程群的內(nèi)容非常熟悉，其對內(nèi)容進行融合和分解操作的優(yōu)劣直接影響課程效果。在STEAM課程群中，科學、技術(shù)、工程、藝術(shù)及數(shù)學素養(yǎng)不是割裂地存在，而是有機結(jié)合的，因而跨學科學習是課程的核心內(nèi)容。但是，STEAM課程并非一定要均衡地承載科學、技術(shù)、工程、藝術(shù)及數(shù)學這五門學科領(lǐng)域的內(nèi)容，不同的課程各有側(cè)重，不需要拘泥在STEAM的學科組合上，如《Arduino創(chuàng)意機器人》偏重于智能控制、《互動媒體技術(shù) 》則偏重于媒體交互。

二、溫州中學創(chuàng)客空間建設

創(chuàng)客空間是一個具有加工車間、工作室功能的開放實驗室。溫州中學的創(chuàng)客空間建立于2008年，原是科技制作社的活動場所，2013年向全校學生開放。創(chuàng)客空間器材清單如表1所示。其中，3D打印機、小型車床、焊臺等工具是其標配。Arduino作為最著名的開源硬件，是STEAM課程群的主要實施平臺，配制的相關(guān)套件數(shù)量可供大班教學；Raspberry Pi、Banana Pi、pcDuino等多種硬件平臺，用于學生項目研究、實際開發(fā)創(chuàng)造或教師演示；小型激光雕刻機、3D打印機等加工工具，方便學生加工各種結(jié)構(gòu)件；各類成品、電子類書籍、設計創(chuàng)造類書籍給學生提供良好的自學支撐[2]。

表1 創(chuàng)客空間器材清單

溫州中學創(chuàng)客空間是獨立于學生機房、教室的存在，與校園圖書館相似，全天開放。創(chuàng)客空間里，創(chuàng)客指導師通過各種創(chuàng)客分享活動，鼓勵不同年級、不同班級的學生觀察生活、發(fā)現(xiàn)問題,研究跨學科的綜合性項目，提升技術(shù)并交流創(chuàng)意。創(chuàng)客空間鼓勵學生在保證自身安全的前提下，動手使用各種金屬、木質(zhì)、塑料甚至電子工具進行創(chuàng)作，將想法轉(zhuǎn)變成現(xiàn)實。

創(chuàng)客空間亦是STEAM課程學習者練習、鞏固、拓展的活動場所。學生通過選修課習得了基本工具、基礎知識與技能之后，可前往創(chuàng)客空間進行深度學習、作品制作、創(chuàng)意實現(xiàn)等。創(chuàng)客空間提供的3D打印機、電烙鐵、基礎電子套件等多樣化器材與加工工具及創(chuàng)客指導師的深入指導、跨年級、跨班級同學之間的交流學習，都是學生學習STEAM課程堅實有力的保障。

三、STEAM課程群建設與實踐

（一）扁平化的課程結(jié)構(gòu)

創(chuàng)客空間支持下的STEAM課程群包含的各門課程在內(nèi)容上相互獨立、課程目標各不相同，但彼此之間又是緊密銜接、互相依靠的關(guān)系。如圖1所示，各種STEAM課程組成了STEAM課程群，是一種扁平化的課程體系設計?？紤]到STEAM做為校內(nèi)選修課程，很難自行建立嚴密的課程知識體系，扁平化看似簡單，其實是一種睿智的選擇。各門STEAM課程的學習雖然沒有規(guī)定其前后關(guān)系，但其難度通過不同星級予以區(qū)別，其中一星最易、三星最難。在高一第一學期，基本上以開設一星難度的STEAM課程為主。

圖1 創(chuàng)客空間支持下的STEAM課程群建設示意圖

部分STEAM課程的簡介如下。

《Arduino創(chuàng)意機器人》課程選擇國際最著名的開源機器人平臺Arduino，遵循STEAM的教學理念，結(jié)合打孔器、3D打印機、激光切割機等工具，DIY個性化的機器人，培養(yǎng)學生的設計能力、動手能力、邏輯思維能力和實踐創(chuàng)新能力。

《跟我學App Inventor》課程結(jié)合MIT實驗室的App Inventor軟件展開教學。學生在運用App Inventor平臺進行手機應用創(chuàng)意開發(fā)時充分利用手機上的各種傳感器對實際獲得的數(shù)據(jù)進行建模、應用。

《互動媒體技術(shù)》課程是一門涵蓋計算機、智能手機、傳感器技術(shù)和人工智能技術(shù)相關(guān)教學內(nèi)容的課程。通過研究互動媒體作品中“有趣”的人機互動技術(shù)，學生可以自己動手設計、制作互動媒體作品，體驗技術(shù)在生活中的應用，提高STEAM素養(yǎng)。

《物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)》課程關(guān)注的是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。學生根據(jù)實際需求來搭建硬件、編寫程序，模擬實現(xiàn)物物相連。該課程可提高學生閱讀Arduino程序的能力，學會基本程序修改及利用物聯(lián)網(wǎng)解決實際問題。

《數(shù)學視界下的3D打印》課程設計了“初識 3D 打印”“3D 數(shù)學博物館”“SCAD 基本操作”“SCAD 基礎立體模型”“SCAD 基本語言”“SCAD 綜合應用”等專題，使學生了解數(shù)學 3D 建模的過程，重在培養(yǎng)學生的建模意識，提高學生的推理論證、運算求解、數(shù)據(jù)處理、語言組織、語言表達等基本能力。

從上述培養(yǎng)目標中，可看出該STEAM課程群內(nèi)容豐富，重點突出，能很好地培養(yǎng)學生綜合運用學科知識(生物、化學、地理、物理等)理解并改造自然界的能力，正確理解、使用、管理以及評價技術(shù)的能力，發(fā)現(xiàn)以及解決真實情境下數(shù)學問題時的邏輯分析與交流能力以及對技術(shù)的工程設計與開發(fā)過程的理解能力。[3]

（二）環(huán)環(huán)相扣的教學實踐

STEAM課堂強調(diào)學生在“雜亂無章”的學習情境中的設計能力與問題解決，要求學生將學習到的各學科知識與過程轉(zhuǎn)變成探究世界相互聯(lián)系的不同側(cè)面。在教學過程中，大部分STEAM課程采用項目學習法，將課程內(nèi)容分解成具體項目進行教與學，把知識講解和實際實踐有機地整合在一起，給學生充足時間在實踐中解決實際問題。例如，《Arduino創(chuàng)意機器人》將課程分為三個單元，從LED、風扇、小車三個方面進行項目聚類（見表2）；《跟我學App Inventor》將課程分為入門篇、游戲篇、學習篇、實踐篇（見表3），通過由淺入深、循序漸進的課程內(nèi)容，最終要求學生能完成一個功能相對完整的APP。

表2 《Arduino創(chuàng)意機器人》課程安排

表3 《跟我學App Inventor》課程安排

另外，本STEAM課程群在開設中需要注意以下幾點。一是課程開設時間。為了確保學生的實踐時間，STEAM課程基本上采用兩節(jié)課連上的方式開展；二是學生選課規(guī)則。本STEAM課程群中的幾門課程都是作為選修課供學生自由選擇的。學生每次只能選擇一門課程，且不能重復選擇；三是課程軟硬件平臺。本STEAM課程群中，基本采用開源軟硬件為課程平臺，如在硬件方面采用Arduino、樹莓派等，在編程方面采用ArduBlock、Mixly、App Inventor、Scratch、S4A和Processing等軟件，在3D建模方面則分別使用SketchUp和OpenScad等。

四、STEAM課程群實施影響

（一）對學生的影響

學生根據(jù)STEAM課程所學的知識、技能，消除對先進技術(shù)的畏懼心理，掌握先進科技理念，提高動手能力，增強發(fā)現(xiàn)問題、解釋問題并解決問題的信心。很多在STEAM課程學習中掌握“造物”能力的學生在課余時間常停留在創(chuàng)客空間，并制作出很多出色的作品。

例如，多合一遙控機器人的制作：學生將遙控器與手機合為一體，用更多的方式（如語音）去控制小車，根據(jù)手機發(fā)出的不同指令，小車實現(xiàn)相應效果，制作出會跑、會發(fā)光、會唱歌、會講故事的智能小車；又如，Flaperon遠程實驗平臺：該平臺基于網(wǎng)絡，利用RTMP流媒體、Flash、JavaScript、PHP等技術(shù)，以MySQL為服務器數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，通過平臺提供的API與實驗端設備連接實現(xiàn)遠程實驗的開放平臺，可擴展性強、簡單易用、可實現(xiàn)實時實驗操作、數(shù)據(jù)共享分析，可應用于水質(zhì)監(jiān)測、萌寵養(yǎng)殖等方面；再如，基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的小雞孵化實驗：學生以Arduino為平臺控制加熱器設計出小雞孵化器，將溫度、濕度傳感器的數(shù)值上傳到Yeelink平臺，以WEB圖表的形式展示出來，供學生進行深入研究。同時，通過電子設備的攝錄觀察到小雞破殼出蛋的全過程。學生在該實驗中將課本上的物理、生物知識靈活地運用到具體情境中，既增添了對學科的學習興趣，又真正地體會到了“做中學、玩中學”。這些學生由于在“造物”方面的科技特長而在國內(nèi)各大高校的自主招生中脫穎而出。尤其值得高興的是，這些經(jīng)過STEAM課程學習的學生對自己的愛好有了明確的認識，在高考選擇志愿時都有一個明確的職業(yè)規(guī)劃和為之努力的奮斗目標。

（二）社會影響

溫州中學創(chuàng)客教育的實施已經(jīng)成為我國創(chuàng)客教育的一個范本，《中國教育報》《浙江教育報》等媒體都對其進行了報道。僅2014年，就有數(shù)十個來自全國各地的教育團隊前來參觀?！痘用襟w技術(shù)》《Arduino創(chuàng)意機器人》《數(shù)學視野下的3D打印》等課程先后被評為浙江省精品選修課程，由7門課程入選浙江省推薦網(wǎng)絡選修課程。此外，學校還承擔了溫州市創(chuàng)客教師培訓的任務。

在建設STEAM課程群的同時，學校將相對成熟的課程傳到網(wǎng)絡上，進行開源共享。《Arduino創(chuàng)意機器人》為國內(nèi)第一個完整的開源課程，提供了所有課程資料，包括電子教材、教學設計、教學PPT、微視頻等。同時，學校還建立了QQ群，以為更多的教師提供技術(shù)支持。截至2015年11月21日，《Arduino創(chuàng)意機器人》的共享資源自2014年6月18號開放共享以來已經(jīng)被瀏覽2210次，下載1021次，保存583次。目前，學校已經(jīng)與人民郵電出版社達成協(xié)議，《Arduino創(chuàng)意機器人》教材將在2016年1月出版。

基于創(chuàng)客空間的STEAM課程群的建設實施，給基礎教育開展STEAM教育提供了成功的佐證，驗證了STEAM教育的重要性以及中小學開展STEAM課程的可能性。如果說，STEAM課程群解決了學校大班教學的效率問題，校園創(chuàng)客空間則解決了學生實踐、拓展的問題。溫州中學在尋求一條適應中國國情的創(chuàng)客教育之路時，也為STEAM教育提供了豐富的案例支持。