走出創(chuàng)客空間

劉欣

當(dāng)我們思考創(chuàng)客教育的時(shí)候，我們可以從兩個(gè)角度對(duì)創(chuàng)客教育進(jìn)行理解。一是通過(guò)教育的方式培養(yǎng)創(chuàng)客的“創(chuàng)客的教育”；二是用創(chuàng)客的方法改造教育的“創(chuàng)客式教育”，二者互相融合，互相支撐，形成創(chuàng)客教育的主題，創(chuàng)客教育的最終目的在于培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)造能力和創(chuàng)新思維的創(chuàng)新型人才。

創(chuàng)客空間的營(yíng)造是進(jìn)行創(chuàng)客教育的一種很好的辦法，在創(chuàng)客空間中，我們能夠通過(guò)硬件的配置和軟件的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)客的教育這一目的；但如果為了創(chuàng)客而創(chuàng)客，則不會(huì)充分發(fā)揮創(chuàng)客教育的意義。

創(chuàng)新并不是創(chuàng)客這個(gè)群體的特殊屬性，而是未來(lái)社會(huì)的普遍需求。所以，創(chuàng)客教育不能局限于創(chuàng)客空間的限制，更要走出創(chuàng)客空間，走向校園的方方面面，重構(gòu)我們的校園生活。創(chuàng)客式教育促使我們思考：如何用創(chuàng)客思維改造我們的日常課程，如何用創(chuàng)客思維改變我們的教學(xué)設(shè)備。

下面我們將通過(guò)3個(gè)案例，從硬件和軟件2個(gè)維度，以及硬件與軟件的結(jié)合，看看怎樣利用創(chuàng)客教育的成果改變我們的校園。前2個(gè)例子都可以通過(guò)學(xué)生在創(chuàng)客空間或課堂上進(jìn)行制作，并應(yīng)用于課堂學(xué)習(xí)，為教學(xué)服務(wù)，制作成本都不高，適合教師邁出創(chuàng)客教育的第一步；而最后一個(gè)例子更適合創(chuàng)客教育的深入實(shí)踐和發(fā)展。

邏輯電路搶答器：用開(kāi)源硬件整合創(chuàng)客課程與傳統(tǒng)課程

在中學(xué)學(xué)習(xí)中，邏輯電路是物理教學(xué)及信息技術(shù)課程上會(huì)涉及的知識(shí)，也是電子計(jì)算機(jī)的組成基礎(chǔ)，掌握邏輯電路的基本原理也可以為計(jì)算機(jī)科學(xué)的學(xué)習(xí)和理解打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)課堂的講解中，學(xué)生需要記住各種邏輯門的符號(hào)及真值表，如果缺乏深度的接觸，搭建起真正的邏輯電路，學(xué)生會(huì)對(duì)這個(gè)問(wèn)題缺乏進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

目前，越來(lái)越多的課堂將搶答作為活躍課堂氣氛和提高學(xué)生知識(shí)掌握能力的手段加入了日常的課程設(shè)計(jì)中。而目前許多課堂設(shè)計(jì)的搶答環(huán)節(jié)都是根據(jù)教師的肉眼進(jìn)行判斷哪位學(xué)生舉手比較快，那么，我們是否可以給學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)搶答器，讓每個(gè)學(xué)生只要一按在桌子上的按鈕，通過(guò)基本的電路原理，就可以判斷出哪位學(xué)生先進(jìn)行了搶答。

在這個(gè)案例中，學(xué)生將會(huì)用Boson Kit元件搭建起一個(gè)搶答器，并做成一個(gè)可供其他課堂使用的服務(wù)工具。在課堂上每當(dāng)學(xué)生按下?lián)尨鹌靼粹o的時(shí)候，都能快速喚起他們思考和制作的過(guò)程。

Boson Kit是由著名的創(chuàng)客公司DFRobot開(kāi)發(fā)的一款創(chuàng)客開(kāi)源硬件。Boson Kit元件的設(shè)計(jì)部件分為輸入模塊、輸出模塊、功能模塊及其他模塊。與其他開(kāi)源硬件不同的是，Boson Kit在創(chuàng)客制作中不需要使用軟件進(jìn)行編程制作，更適合進(jìn)行創(chuàng)客體驗(yàn)式創(chuàng)作。Boson Kit中擁有與門、或門、非門3種基本的邏輯模塊，學(xué)生可以通過(guò)這些模塊組成更加復(fù)雜的邏輯電路。例如，通過(guò)基本的邏輯門電路組裝成計(jì)算機(jī)的基本元件半加器。

在這個(gè)活動(dòng)中，我們給出參考的BosonKit模塊如下表。

教師也可以根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)增加或減少模塊。

在動(dòng)手制作之前，我們需要對(duì)搶答器的需求進(jìn)行討論分析。在課堂上，學(xué)生通過(guò)資料搜索、分組討論等方式了解搶答器的類型，通過(guò)調(diào)查、訪談等方式明確產(chǎn)品需求，這也是創(chuàng)客制作中不可缺少的環(huán)節(jié)。并對(duì)以往課堂搶答這一環(huán)節(jié)的過(guò)程進(jìn)行分解，繪制成一個(gè)流程圖。

由簡(jiǎn)到難，我們從雙人搶答器開(kāi)始做起。在搶答器的制作中，在動(dòng)手制作之前，教師有必要讓學(xué)生熟悉Boson Kit元件，讓學(xué)生在摸索中了解元件的特征。在這里的教學(xué)環(huán)節(jié)中，我們可以采用小組討論的方法讓學(xué)生進(jìn)行頭腦風(fēng)暴去解決問(wèn)題，同時(shí)也可以對(duì)工具做一些限制，甚至制造一些小障礙，促進(jìn)學(xué)生思考如何構(gòu)建邏輯電路。

在學(xué)生形成一定的初步想法后，學(xué)生將設(shè)計(jì)理念與說(shuō)明寫在記錄紙上，并記錄討論形成的電路圖。并向教師提出物資需求，教師可以給予適當(dāng)?shù)慕ㄗh與反饋，學(xué)生根據(jù)建議進(jìn)行適當(dāng)修改，并繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

有了設(shè)計(jì)方案之后，學(xué)生需要進(jìn)行原型的制作，并進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)一步反思測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。并通過(guò)小組間互評(píng)的方式，了解別的小組是如何進(jìn)行這項(xiàng)設(shè)計(jì)的。

最后一個(gè)環(huán)節(jié)是作品展示，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)多樣化的手段展示自己的作品。在整個(gè)搶答器的制作過(guò)程中，學(xué)生能夠從中學(xué)習(xí)邏輯電路的基本知識(shí)，鍛煉設(shè)計(jì)思維，培養(yǎng)創(chuàng)客精神，引起學(xué)生對(duì)知識(shí)的進(jìn)一步興趣，打開(kāi)創(chuàng)客大門。

對(duì)于有更深興趣的學(xué)生，教師可以通過(guò)組織創(chuàng)客社團(tuán)等方式進(jìn)行搶答器的進(jìn)一步改進(jìn)學(xué)習(xí)，如設(shè)計(jì)多人搶答器，使用藍(lán)牙通訊模塊進(jìn)行無(wú)線化改進(jìn)，增加多種模式的搶答器等。優(yōu)秀的設(shè)計(jì)作品可以進(jìn)行生產(chǎn)銷售，成為教師裝備的一部分。

點(diǎn)名器：用計(jì)算思維解決課堂上的問(wèn)題

Scratch是創(chuàng)客活動(dòng)中最常見(jiàn)的入門編程技術(shù)之一，也是中小學(xué)最廣泛學(xué)習(xí)的編程語(yǔ)言。在學(xué)生們學(xué)習(xí)Scratch的時(shí)候，我希望學(xué)生不只是學(xué)會(huì)這門技術(shù)，還能夠把技術(shù)應(yīng)用在實(shí)際生活中。

在課上或者課外，我們經(jīng)常就一件身邊的事提出問(wèn)題，帶著學(xué)生們一起分析和給出解決方案。能否用編程幫教師點(diǎn)名，這是我最常拋出來(lái)讓學(xué)生思考的問(wèn)題之一。每次我提出這個(gè)問(wèn)題的時(shí)候，經(jīng)常有學(xué)生馬上就說(shuō)：“建一個(gè)包含所有學(xué)生名字的鏈表（鏈表是Scratch里實(shí)現(xiàn)數(shù)組的方式，是一系列數(shù)據(jù)的集合），再隨機(jī)抽取就行了?！边@就是典型的以技術(shù)為導(dǎo)向的思維。針對(duì)一個(gè)問(wèn)題，技術(shù)通常并不直接等同于解決方案。那么，用Scratch編程的點(diǎn)名解決方案應(yīng)該如何下手呢？

我們可以先帶著學(xué)生進(jìn)行需求分析，把教師當(dāng)作我們的服務(wù)對(duì)象，把點(diǎn)名這件事更深入地拆解分析。進(jìn)行需求分析最方便的就是畫(huà)思維導(dǎo)圖了。首先我們先列出點(diǎn)名的目的都有哪些。這個(gè)環(huán)節(jié)我們可以讓學(xué)生分組討論，并鼓勵(lì)他們盡可能多想，把思維放開(kāi)。學(xué)生討論結(jié)束后，我們先把討論結(jié)果列出來(lái)（見(jiàn)圖1），然后帶著大家一起逐條分析，提煉出一個(gè)服務(wù)對(duì)象最需要的需求。比如對(duì)我來(lái)說(shuō)，出勤點(diǎn)名是不需要的，而經(jīng)常需要的是點(diǎn)名回答問(wèn)題，或者點(diǎn)名參加課堂活動(dòng)?！包c(diǎn)名抽獎(jiǎng)”是一個(gè)很有趣的需求，但并不會(huì)經(jīng)常用到。所以，以我作為服務(wù)對(duì)象，點(diǎn)名要解決的問(wèn)題可以描述為“從全班同學(xué)中選取一個(gè)人”。endprint

看這個(gè)描述，一些同學(xué)會(huì)覺(jué)得和剛才說(shuō)的“建立名字鏈表并隨機(jī)抽取”好像是一樣的。那我們需要繼續(xù)進(jìn)行分析。首先我們對(duì)比一下，由一位教師點(diǎn)名，和用計(jì)算機(jī)程序點(diǎn)名，能否是一樣的過(guò)程。或者說(shuō)，Scratch程序?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)名的過(guò)程，是否就是復(fù)制教師點(diǎn)名的過(guò)程，這又可以開(kāi)始一輪討論。分析后我們發(fā)現(xiàn)，如果是一位教師點(diǎn)名，看起來(lái)這個(gè)行為過(guò)程很快，教師張嘴說(shuō)出一位同學(xué)的名字就完成了。那么，Scratch程序如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程呢？這是我認(rèn)為最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。

推導(dǎo)實(shí)現(xiàn)流程時(shí)，我一般會(huì)先反問(wèn)一個(gè)問(wèn)題：“如果教師不知道學(xué)生的名字，是否還能完成點(diǎn)名？”這個(gè)問(wèn)題不太容易想到。在課堂上，如果教師不知道學(xué)生的名字，也是可以點(diǎn)名的。教師可以用手指，點(diǎn)一位學(xué)生即可；而Scratch程序就不可能做到。實(shí)在沒(méi)有名冊(cè)，程序的解決辦法只能是學(xué)生座位都預(yù)先編號(hào)，程序隨機(jī)選取編號(hào)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)名?；氐轿艺n堂的情況，我是知道所有學(xué)生名字的，所以不需要用編號(hào)。

接下來(lái)，我會(huì)寫下教師點(diǎn)名的步驟（見(jiàn)圖2），然后讓學(xué)生給出Scratch對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方法。第1步，教師要“記憶學(xué)生名冊(cè)”，Scratch的實(shí)現(xiàn)方法是“建立學(xué)生名字鏈表”。第2步，教師要在腦子里“選取一位同學(xué)”，Scratch是“獲得一個(gè)隨機(jī)數(shù)，以此隨機(jī)數(shù)為索引，提取一位學(xué)生名字”。第3步，教師想好了選哪一位學(xué)生，再要做的是“說(shuō)出名字”。這一步Scratch的實(shí)現(xiàn)就復(fù)雜了。我們要Scratch不只是顯示出學(xué)生的名字，同時(shí)還要“念”出名字的話，需要先在Scratch里錄好所有學(xué)生名字的語(yǔ)音。每一條語(yǔ)音的名稱要跟學(xué)生名字一一對(duì)應(yīng)，我們就可以用學(xué)生名字作變量，播放與變量值同名的語(yǔ)音即可。第3步的具體實(shí)現(xiàn)可以不講解得太具體，留給學(xué)生在實(shí)操時(shí)思考。

通過(guò)上邊的分析梳理，點(diǎn)名程序的核心思路已經(jīng)很清晰了。我們還欠缺什么呢？因?yàn)榻處熢邳c(diǎn)名時(shí)要使用Scratch程序，所以程序里還缺少一個(gè)交互邏輯，也就是教師如何操作啟動(dòng)程序（見(jiàn)圖3、圖4）。最簡(jiǎn)單的方式，我們可以使用Scratch的“小綠旗事件”啟動(dòng)，但我通常都要求學(xué)生不要依賴系統(tǒng)事件，這樣不能算是一個(gè)“獨(dú)立”的程序?？梢杂面I盤事件，也可以畫(huà)一個(gè)點(diǎn)擊按鈕，這里就讓學(xué)生自由發(fā)揮了。

在交互邏輯實(shí)現(xiàn)上，學(xué)生可以發(fā)揮他們的美術(shù)能力。比如圖5是“科技學(xué)堂”網(wǎng)站“課堂中的Scratch”慕課里的一個(gè)點(diǎn)名案例，這個(gè)案例就繪制了很漂亮的界面，一看就非常吸引人。這個(gè)案例使用了學(xué)號(hào)而不是學(xué)生名字，主要是因?yàn)榘褜W(xué)生名字的漢字都畫(huà)出來(lái)的工作量太大了，就省略為只畫(huà)o_-9十個(gè)數(shù)字。此案例還有一個(gè)非常好的創(chuàng)意，就是在給出最終選擇前，學(xué)號(hào)有一個(gè)翻滾然后漸漸停住的效果，極大地增加了趣味性（見(jiàn)圖5）。

完成了基本功能后，我們還可以深入探究改進(jìn)的可能。比如，如果程序連續(xù)2次選了同一個(gè)人，或者太多次選到同一個(gè)人，這都不符合我們?cè)谡n堂上的需要。如何避免？再比如，程序隨機(jī)選到的總是女同學(xué)，我們能否讓程序在男女生之間的選擇更平均？我們是否能建立一個(gè)規(guī)則，每一個(gè)被點(diǎn)過(guò)的同學(xué)，在本堂課就不再被點(diǎn)（見(jiàn)圖6）？

校園生活中還有非常多的案例能成為課堂上引導(dǎo)學(xué)生思考和創(chuàng)造的話題。除此之外，當(dāng)教師打開(kāi)一個(gè)Scratch程序，由計(jì)算機(jī)叫出一位同學(xué)的名字，課堂是不是也變得更活潑、更有創(chuàng)意了呢？

自動(dòng)跟隨機(jī)器人：軟硬件結(jié)合發(fā)展創(chuàng)客教育

創(chuàng)客的發(fā)展離不開(kāi)軟件工程與開(kāi)源硬件的結(jié)合，純粹的軟件或硬件的制作并不能構(gòu)成創(chuàng)客教育的全部，如何將軟件與硬件有機(jī)結(jié)合，也是一個(gè)我們值得思考的地方。

被稱為“創(chuàng)客教育之父”的著名計(jì)算機(jī)科學(xué)家、教育學(xué)家的西摩爾·派普特（ScymourPapert）在其建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論中強(qiáng)調(diào)“學(xué)習(xí)即通過(guò)分享建構(gòu)知識(shí)”，創(chuàng)客教育便是專注于問(wèn)題解決與數(shù)字化或物理制造，以建構(gòu)學(xué)習(xí)者的知識(shí)體系。事實(shí)上，他在1966年創(chuàng)造第1款面向兒童的編程教育語(yǔ)言Logo的時(shí)候，就設(shè)計(jì)了既可以通過(guò)屏幕輸出，也可以通過(guò)一個(gè)實(shí)體的“小海龜”機(jī)器人進(jìn)行輸出，學(xué)?？梢栽谶@2種輸出方式之間進(jìn)行選擇。派普特認(rèn)為，教育必須給孩子們一個(gè)“可供思考的實(shí)體”，通過(guò)感官體驗(yàn)培養(yǎng)特定的思維模式，基于這個(gè)理論基礎(chǔ)，各種服務(wù)于創(chuàng)客教育的軟硬件應(yīng)運(yùn)而生，樂(lè)高機(jī)器人套件、Scratch編程語(yǔ)言成為創(chuàng)客教育中影響力較大的硬件和軟件，這也為教師進(jìn)行創(chuàng)客教育提供了設(shè)備的支持。

這里為教師介紹的一個(gè)軟硬件結(jié)合案例是“自動(dòng)跟隨機(jī)器人”。它利用Scratch語(yǔ)言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的自動(dòng)化操作。在這個(gè)案例中，機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)跟隨互動(dòng)對(duì)象前進(jìn)一段路程，并對(duì)互動(dòng)對(duì)象進(jìn)行問(wèn)候；當(dāng)互動(dòng)對(duì)象離開(kāi)一定距離的時(shí)候，機(jī)器人返回原位。機(jī)器人采用的是樂(lè)高的EV3作為控制核心，以配套的紅外傳感器作為輸入設(shè)備，使用Scratch語(yǔ)言進(jìn)行編程，是一個(gè)適合于中學(xué)生開(kāi)展機(jī)器人活動(dòng)及計(jì)算思維課程的一個(gè)案例。案例的內(nèi)容可在http：//kaspesla.github.io/ev3scratch/中找到。

硬件方面選擇的是樂(lè)高EV3，這是樂(lè)高在2013年發(fā)布的第3代機(jī)器人，是一款面向創(chuàng)客教育市場(chǎng)設(shè)計(jì)，融合興趣、知識(shí)、體驗(yàn)為一體的教育機(jī)器人。目前，它以開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便、易于操作和拓展性強(qiáng)的特點(diǎn)，為眾多的學(xué)校創(chuàng)客教育所喜愛(ài)。使用樂(lè)高作為硬件的基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)在于學(xué)生可以利用樂(lè)高模塊化的積木拼插，快速完成機(jī)械結(jié)構(gòu)的搭建。

軟件層面的構(gòu)建，我們選擇Scratch x作為工具進(jìn)行編程。Scratch目前已經(jīng)成為主流的編程教育工具，其優(yōu)勢(shì)不必贅述。而Scratch x是以Scratch語(yǔ)言為基礎(chǔ)，為開(kāi)發(fā)測(cè)試設(shè)備而設(shè)計(jì)的可視化編程語(yǔ)言的拓展實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。Scratch x原理是在電腦上通過(guò)程序和瀏覽器之間的接口，通過(guò)USB或者藍(lán)牙達(dá)到與其他設(shè)備通訊的目的。通過(guò)這個(gè)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)編程語(yǔ)言與硬件設(shè)備的連接，達(dá)到給學(xué)生提供一個(gè)“可供思考的實(shí)體”的效果。

感應(yīng)器也是目前創(chuàng)客教育中不可或缺的一項(xiàng)技術(shù)，各大創(chuàng)客硬件的開(kāi)發(fā)商都在產(chǎn)品中加入了很多感應(yīng)模塊。在“自動(dòng)跟隨機(jī)器人”的設(shè)計(jì)中，學(xué)生需要了解感應(yīng)器的基本原理，明白紅外感應(yīng)是如何測(cè)量人與機(jī)器的距離，并進(jìn)行條件判斷的；但又不需要太過(guò)于深入地了解感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，學(xué)生可以快速通過(guò)感應(yīng)器實(shí)現(xiàn)自己的機(jī)器人設(shè)計(jì)。

EV3+Scratch的設(shè)計(jì)還有很多，值得我們進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。以創(chuàng)客教育為動(dòng)力，學(xué)生能夠在日常生活的觀察中找到設(shè)計(jì)的地方，并且進(jìn)行深入的思考，動(dòng)手制作并分享，獲得能力和知識(shí)，這樣才能適應(yīng)未來(lái)人才的需要，促進(jìn)教育的發(fā)展。endprint