跨學科、智能化的創(chuàng)客類校本課程開發(fā)

蔣莘+謝作如

編者按：隨著社會的發(fā)展、各類教育改革的逐漸推進，學科間的融合已成為大勢所趨?？鐚W科、智能化的創(chuàng)客類校本課程應如何開發(fā)？

● 創(chuàng)客課程方向分析

創(chuàng)客類的課程應該涵蓋哪些方向？目前并沒有很明確的定義。雖然創(chuàng)客們的作品種類復雜，包羅萬象。但是，我們從創(chuàng)客們研究的方向還是大致可以看出一些特征。

1.跨學科

創(chuàng)客的研究方向，基本上都打破了學科的界限，如生物藝術的作品，不僅和生物、藝術相關，更是結合了電子、控制、網(wǎng)絡等。其實，學科本來就是人為劃定的，在生活應用中，往往都需要用綜合的學科知識去解決一些具體問題。這也是最近STEM、STEAM、STEM+教育思潮如此受人關注的原因。

2.智能化

創(chuàng)客們喜歡玩新技術，智能控制技術當然是最受歡迎的?；用襟w、機器人、物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設備，無論哪一種，看起來都挺酷。Arduino把單片機開發(fā)技術降到了最低，因而成為了創(chuàng)客們的神器。

3.軟硬結合

很少看到哪位創(chuàng)客的作品是純粹的軟件，或者純粹的硬件。智能化的特點，幾乎體現(xiàn)了創(chuàng)客們軟硬兼施的技術高度。在他們的眼里，電子技術和編程技術本來就是密不可分的基本技術。

● 創(chuàng)客課程校本化可能

因為在當前的國家課程設置中，并沒有劃出綜合類的課程，綜合實踐活動僅僅定位在活動，而難以實施創(chuàng)客類課程。更為遺憾的是，高中技術課程標準中，把信息技術和通用技術分為不同的課程，導致了智能化、軟硬結合的課程找不到對應的位置。因此，要開展創(chuàng)客類課程，只能通過校本課程的形式開展了。

校本課程是與國家課程、地方課程相對應的，以學校為本位的，由學校自行確定開發(fā)的課程。作為國家課程的補充，信息技術校本課程開發(fā)大致可以分為兩種思路：①在技術廣度方面進行拓展。這類課程主要培養(yǎng)學生的學科興趣和學科素養(yǎng)，了解和體驗學科知識在生產(chǎn)生活中的應用以及國內(nèi)外前沿性的最新應用，樹立推動信息技術未來發(fā)展的共同愿景。②在技術深度方面進行挖掘。這類課程主要通過項目或者專題的形式，引導學生對某一領域開展深入探究與實踐，體驗運用信息技術解決實際問題的方法和過程，培養(yǎng)學生的技術素養(yǎng)和綜合能力。

創(chuàng)客類課程一般以第二種方式開發(fā)，但是考慮到2004年出臺的高中信息技術課標已經(jīng)嚴重滯后，與當前的技術發(fā)展脫節(jié)。所以很多課程會結合兩種開發(fā)思路的特點，既有廣度的拓展，又有深度的挖掘，如物聯(lián)網(wǎng)技術、互動媒體技術、智能家居技術、手機編程和3D打印等。那么，創(chuàng)客類校本課程的開發(fā)可以選擇哪些技術平臺？下面對一些技術平臺進行介紹，通過這些技術平臺，我們能夠看到開源軟件和開源硬件推動下的信息技術教學，正在從邏輯世界（程序語言）走向電子世界（可編程集成電路），最終通過3D打印等原型或產(chǎn)品的設計構建工具，走向改變世界的原子世界。

1.邏輯世界：圖形化語言到代碼語言

（1）Scratch類

Scratch是一款由麻省理工學院 （MIT） 設計開發(fā)的面向兒童的簡易編程工具。Scratch雖然采用積木堆砌的形式編寫程序，但是功能十分強大，支持數(shù)組、事件驅動、多線程編程，具備了面向對象的程序語言的基本特點。難得的是，Scratch提供了外部傳感器和樂高WEDO系列馬達、傳感器的接口，只要拖拽指令塊圖標，就可以制作出各種有趣的互動作品。Scratch2.0加入了攝像頭識別和自定義模塊功能，還支持第三方的插件，功能更加強大。對青少年來說，用Scratch開發(fā)各種創(chuàng)客作品，是非常好的選擇。

Scratch是一款開源軟件，在推廣過程中衍生了好多款修改版本，如S4A、Labplus等。S4A是Scratch for Arduino的縮寫，主要提供對Arduino和Andriod的支持：采用Arduino作為傳感器和執(zhí)行器的控制平臺，提供了6組模擬輸入和2組數(shù)字輸入接口，以及舵機輸出和數(shù)字輸出接口；提供了基于HTTP協(xié)議的遠程傳感器功能和安卓手機的配套程序，可以組網(wǎng)互動，也可以和智能手機進行互動。Labplus則是國內(nèi)教育企業(yè)盛思使用的Scratch的修改版，可以支持直流馬達輸出，能以更低的成本和技術門檻讓學生體驗軟硬件互動。

（2）App Inventor

App Inventor的中文意思是“應用程序發(fā)明家”，是谷歌公司Google Lab項目中的一部分，稱為“Google AppInventor”。Google App Inventor是谷歌公司致力于完全在線的可視化編程而打造的一項Arduino手機應用程序開發(fā)工具。當時，該項目的負責人Hal Abelson是麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的一位計算機科學教授。2012年，麻省理工學院（MIT）正式接手谷歌公司的App Inventor項目，將其更名為“MIT App Inventor”，并繼續(xù)進行研發(fā)且對公眾開放使用。目前，MIT App Inventor的第二版本支持應用程序在手機和平板上的開發(fā)。因為編程門檻低，世界各地有很多教師開發(fā)了基于App Inventor的手機編程課程。

（3）Processing

Processing是由美國麻省理工學院媒體實驗室（MIT Media Lab）美學與運算小組（Aesthetics Computation Group）的Casey Reas與Ben Fry創(chuàng)立的一款專為設計師和藝術家使用的編程語言。Processing在電子藝術的環(huán)境下介紹程序語言，并將電子藝術的概念介紹給程序設計師。通過它無需太高深的編程技術，便可以實現(xiàn)夢幻般的視覺展示及媒體交互作品。同時，Processing也可結合Arduino等相關硬件，制作出令人驚艷的互動作品。

2.電子世界：軟硬件聯(lián)合編程endprint

當創(chuàng)客類課程進入電子世界之后，軟件環(huán)境和可編程硬件被完美結合起來，如Arduino既是一個開源硬件的名字，也是這款開源硬件編程的語言的名字，軟件和硬件的界限通過編程語言變得模糊起來，軟硬件聯(lián)合編程教學成為了創(chuàng)客類校本課程開發(fā)的新方向。

（1）Arduino

Arduino是一個基于開放源碼的軟硬體平臺，具有類似Java、C語言的開發(fā)環(huán)境。因源碼開放和價格低廉，Arduino目前廣泛地應用于歐美等國家和地區(qū)的電子設計及互動藝術設計領域，得到了Make magazine等出版物和Instructable等網(wǎng)站的認可和推薦。Arduino被稱為“科技藝術”，作為一種新“玩具”，甚至新的藝術載體，吸引了各個領域的人們加入到Arduino的神奇世界里來。國內(nèi)外已經(jīng)有人開發(fā)了多款基于圖形化界面的Arduino編程環(huán)境或者插件，如Modkit、Ardublock等，為Arduino的推廣普及作出了積極的貢獻。

（2）pcDuino

pcDuino是PC和Arduino的結合體。pcDuino使用A20處理器，運行速度達到1GHz，自帶1G的BDRAM和2GB的Flash，支持Ubuntu和Android，接上鼠標鍵盤和顯示器就是一臺迷你PC，尺寸有手掌大小，重量相當于半個雞蛋。pcDuino最大的優(yōu)勢是兼容Arduino，借助Arduino豐富的擴展板卡和傳感器資源，pcDuino就成了一臺能直接控制各類電子元件的計算機，在互動媒體方面，應用空間很大。pcDuino還能運行修改版的Scratch，學生通過Scratch就能控制傳感器、馬達等外部設備。利用pcDuino做一個基于WiFi的遠程控制機器人是很輕松的事情。pcDuino上面可以支持Scratch依據(jù)測控板的信息輸入做出馬達、LED輸出，因此使用pcDuino可以和Scratch測控板整合起來，構成一個完整的、可移動的機器人控制環(huán)境。

（3）Microduino

Microduino的尺寸比Arduino更小，相當于一個大的方形紐扣，由北京的一位大學實驗室教師最先開發(fā)。和Arduino的故事類似，迅速集結了一批開發(fā)者，幫助其添加功能。其尺寸上的優(yōu)勢使得它堆疊的效果和產(chǎn)品級別的電路板的功能及尺寸毫無區(qū)別，加之成本優(yōu)勢，使得很多產(chǎn)品沒有必要生產(chǎn)定制的電路板。依據(jù)其設計的校本課程可以直接稱為電子產(chǎn)品制造而不是電子產(chǎn)品原型設計。

3.原子世界：從掃描、設計到打印

（1）Kinect和Leap Motion

Kinect是微軟開發(fā)的3D體感攝影機，具備即時動態(tài)捕捉、影像辨識、麥克風輸入和語音辨識等功能。微軟的宣傳標語說：“你的身體就是控制器”。Kinect的出現(xiàn)不僅帶來了一種新的游戲操控體驗，由之引發(fā)的讓機器“讀懂人”的交互方式，也正引領人機交互技術的新一輪變革。Leap Motion是一款體積僅一包口香糖大小的體感控制器。通過USB連接計算機后，它會創(chuàng)造出一個4立方英尺的工作空間。在這個空間里，10根手指的動作都會被即時追蹤，誤差在0.01毫米以內(nèi)，最大頻率是每秒鐘290幀，精確度相當于Kinect的200倍。這樣的精準程度足夠保證用戶順利完成如pinch-to-zoom或控制3D渲染物體等操作。當Leap Motion首次亮相之時，外界認為它承載了一個新穎而獨特的計算機用戶體驗——通過揮舞手指或拳頭來和計算機進行交互。和Kinect一樣，Leap Motion也提供了SDK，可以二次開發(fā)。

利用Kinect和Leap Motion，可以開發(fā)手勢識別、體感控制之類的課程，但是不用擔心其開發(fā)語言是否過于復雜。早有人寫好了Kinect for Scratch和Leap Motion for Scratch的第三方插件。用Scratch就能研究手勢識別、體感控制之類的課程了。使用Kinect可以制作3D掃描儀，直接輸出物品的3D模型，可以用SketchUp做進一步的加工，最后用3D打印機輸出出來。

（2）SketchUp

SketchUp是一款三維建筑設計方案創(chuàng)作的優(yōu)秀工具，但是因為其支持導出STL文件，成為3D設計的最好選擇之一。比起Solidworks、UG等專業(yè)級工具來說，數(shù)十兆大小的SketchUp在普通配置的計算機中可以流暢運行。目前，SketchUp常常用于通用技術課的三視圖繪制。而如果要求不高，小學生用SketchUp畫出一些小零件并用3D打印機打印出來，并不是一件難度很高的事。

（3）3D打印機

3D打印機一度成為創(chuàng)客的代名詞，目前3D打印的課程集中在3D建模課的模型實現(xiàn)、數(shù)學課當中復雜幾何關系的建構、設計課中產(chǎn)品原型的設計和產(chǎn)品制造。3D打印的耗材和3D打印機都處于充分的市場競爭的狀態(tài)，這有利于降低成本、提升品質。因此，3D打印的課程如果和軟硬件編程結合起來，將是最優(yōu)秀最有價值的創(chuàng)客類課程。

羅列了這么多技術平臺，其實還僅僅是當前各類適用于創(chuàng)客類課程技術的九牛一毛。隨著創(chuàng)客運動在世界各地的迅猛發(fā)展，將會有更多的技術平臺不斷涌現(xiàn)。但是，對有意開發(fā)跨學科、智能化的創(chuàng)客類校本課程的教師來說，倒沒有必要在平臺選擇上過于糾結。只要你能把握開源、低門檻、支持軟硬件這幾個關鍵詞，一切皆為可能。endprint