STEAM科技創(chuàng)新教育背景下創(chuàng)客類(lèi)教育裝備的選擇
——以首都師范大學(xué)附屬中學(xué)“青牛創(chuàng)客空間”為例

湖北省十堰市第一中學(xué)(442000)

何 樂(lè)

STEAM科技創(chuàng)新教育背景下創(chuàng)客類(lèi)教育裝備的選擇
——以首都師范大學(xué)附屬中學(xué)“青牛創(chuàng)客空間”為例

湖北省十堰市第一中學(xué)(442000)

何 樂(lè)

1 STEAM科技創(chuàng)新教育發(fā)展形勢(shì)

2015年是中國(guó)的“創(chuàng)客”元年，特別是在2015年3月全國(guó)“兩會(huì)”上“創(chuàng)客”第一次被寫(xiě)入政府工作報(bào)告后，各類(lèi)創(chuàng)客空間如雨后春筍般涌現(xiàn)出來(lái)，各類(lèi)創(chuàng)客協(xié)會(huì)、創(chuàng)客學(xué)會(huì)、創(chuàng)客聯(lián)盟、創(chuàng)客學(xué)院紛紛成立，各類(lèi)創(chuàng)客大賽、創(chuàng)客嘉年華層出不窮，各類(lèi)創(chuàng)客研討會(huì)、創(chuàng)客高峰論壇此起彼伏。新聞媒體、高等院校、政府部門(mén)和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人也高度關(guān)注創(chuàng)客教育。2015年5月18日，由中國(guó)教育報(bào)牽頭成立了“中國(guó)青少年創(chuàng)客教育聯(lián)盟”；2015年7月24日，由清華大學(xué)等高校聯(lián)合發(fā)起成立了“全國(guó)教師創(chuàng)客聯(lián)盟”；2015年9月2日，教育部《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進(jìn)教育信息化工作指導(dǎo)意見(jiàn)(征求意見(jiàn)稿)》提出：“有效利用信息技術(shù)推進(jìn)眾創(chuàng)空間建設(shè)，探索STEAM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式?！?015年11月19日，劉延?xùn)|副總理在第二次全國(guó)教育信息化工作電視會(huì)議的講話中提出：“積極探索信息技術(shù)在創(chuàng)業(yè)大學(xué)、創(chuàng)客教育、微課堂等方面的應(yīng)用，提升學(xué)生的信息素養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展?！?/p>

2016年3月3日，《教育部教育裝備研究與發(fā)展中心2016年工作要點(diǎn)》中指出：“貫徹國(guó)家‘雙創(chuàng)’要求，為創(chuàng)客教育、‘STEAM課程’提供教育裝備支撐。”教育部制定的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》也提出：“有條件的地區(qū)要積極探索信息技術(shù)在‘眾創(chuàng)空間’、跨學(xué)科學(xué)習(xí)、創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應(yīng)用。”

2 首都師范大學(xué)附屬中學(xué)的特色創(chuàng)客教育

首都師范大學(xué)附屬中學(xué)(以下簡(jiǎn)稱首師大附中)的“青牛創(chuàng)客空間”于2016年4月1日正式投入使用，標(biāo)志著創(chuàng)客教育真正走進(jìn)課程，走入校園?！扒嗯?chuàng)客空間”分為創(chuàng)想?yún)R、智控坊、Robot廣場(chǎng)、夢(mèng)舞臺(tái)、數(shù)控工坊和奔碼隧道6個(gè)功能區(qū)域。創(chuàng)想?yún)R是學(xué)生頭腦風(fēng)暴和思維碰撞的場(chǎng)所；智控坊為學(xué)生提供一應(yīng)俱全的智能控制硬件支持；Robot廣場(chǎng)讓學(xué)生成為Robot的造物主，落實(shí)創(chuàng)客必須以造物為重點(diǎn)這個(gè)核心思想；夢(mèng)舞臺(tái)為學(xué)生提供自我展示的廣闊空間；數(shù)控工坊是連接虛擬與現(xiàn)實(shí)的橋梁，讓學(xué)生的創(chuàng)想可以成為現(xiàn)實(shí)；奔碼隧道讓學(xué)生利用計(jì)算機(jī)編程，熟悉計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。在“青牛創(chuàng)客空間”中可以直觀感受到創(chuàng)新教育下的教育裝備有了新的擴(kuò)展，各類(lèi)新設(shè)備新裝備已經(jīng)走入校園。

3 創(chuàng)客教育的目的和核心內(nèi)容

創(chuàng)客教育最重要的是發(fā)現(xiàn)學(xué)生的興趣特長(zhǎng)，為培養(yǎng)創(chuàng)新人才奠基，而不是要把學(xué)生都培養(yǎng)成程序員、機(jī)床操作員。反復(fù)練習(xí)或許能成就完美卻無(wú)法成就創(chuàng)新，教師必須發(fā)自內(nèi)心地去關(guān)愛(ài)學(xué)生，努力發(fā)現(xiàn)學(xué)生的閃光點(diǎn)，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和奮斗精神，讓每個(gè)學(xué)生都帶著夢(mèng)想去實(shí)現(xiàn)自己的價(jià)值。家長(zhǎng)也需要用前瞻性的眼光，順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，努力做好學(xué)生發(fā)展的引路人。創(chuàng)客教育的核心是創(chuàng)新。對(duì)于中學(xué)而言，創(chuàng)客教育不是某方面知識(shí)的應(yīng)用，而是要實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的體系建設(shè)，讓創(chuàng)新教育落到實(shí)處。它既是學(xué)生個(gè)性發(fā)展的內(nèi)在需求，也是時(shí)代發(fā)展的大勢(shì)所趨。創(chuàng)客教育，是培育學(xué)生提出問(wèn)題、研究問(wèn)題、動(dòng)手實(shí)踐、解決問(wèn)題的綜合能力的教育方式，初步融合了科學(xué)研究、技術(shù)制作、藝術(shù)創(chuàng)作的全過(guò)程，能夠培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)探索精神、批判性思維能力、自主創(chuàng)新能力、合作研究能力、語(yǔ)言表達(dá)能力、藝術(shù)創(chuàng)作能力等。

創(chuàng)客思維系列課程從認(rèn)知和實(shí)踐兩個(gè)部分帶領(lǐng)學(xué)生成為真正意義上的創(chuàng)客，產(chǎn)生深入探究的熱情；機(jī)器人系列課程讓學(xué)生熟知當(dāng)前國(guó)內(nèi)外最熱門(mén)的機(jī)器人研究，學(xué)習(xí)各組成部分的工作原理，并利用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)、搭建功能性機(jī)器人；3D打印系列課程，學(xué)生可以體驗(yàn)從設(shè)計(jì)到建模，再到物品生成的全過(guò)程，激發(fā)學(xué)生的靈感，讓學(xué)生借助3D打印去實(shí)現(xiàn)自己的發(fā)明創(chuàng)造；編程系列課程使學(xué)生主動(dòng)進(jìn)入計(jì)算機(jī)和編程的世界，運(yùn)用無(wú)生命的機(jī)器語(yǔ)言去實(shí)現(xiàn)有生命的無(wú)限創(chuàng)意；無(wú)人機(jī)系列課程引導(dǎo)學(xué)生了解無(wú)人機(jī)飛行器的發(fā)展，學(xué)習(xí)其工作原理、硬件組裝、程序設(shè)計(jì)，最終讓學(xué)生通過(guò)手腦并用實(shí)現(xiàn)自己的飛天夢(mèng)。

4 硬件建設(shè)為創(chuàng)客教育的目的及核心內(nèi)容服務(wù)

首師大附中作為百年名校，教育資源豐富，學(xué)校非常重視創(chuàng)新教育的硬件投入。為創(chuàng)客空間專門(mén)建設(shè)的一棟教學(xué)樓里各類(lèi)硬件設(shè)施種類(lèi)齊全，零件豐富，基本涵蓋目前高中創(chuàng)客教育的所有教育內(nèi)容。在課程設(shè)計(jì)上，由于學(xué)生興趣愛(ài)好不同，學(xué)習(xí)能力不同，所以從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝加工、智能控制、人文藝術(shù)等幾大方向，開(kāi)設(shè)選修課程。

基礎(chǔ)通修包含《程序設(shè)計(jì)入門(mén)》《視頻編輯》《動(dòng)畫(huà)制作入門(mén)》《設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》。

興趣選修包含《APP開(kāi)發(fā)》《趣味程序設(shè)計(jì)》《Arduino開(kāi)源硬件》《飛行原理》《平面設(shè)計(jì)》《怎樣開(kāi)波音747》《微電影》《模型制作》。

專業(yè)精修包含《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》《算法設(shè)計(jì)》《天文奧賽》《機(jī)器人競(jìng)賽》等課程。

自主研修包含《3D古建筑復(fù)原》《VR課程中的3D創(chuàng)作》《雕刻與精密加工》《傳感物聯(lián)初探》等課程。

課程開(kāi)設(shè)與之對(duì)應(yīng)的教育裝備見(jiàn)表1。

表1 課程對(duì)應(yīng)的教育裝備

基礎(chǔ)通修解決創(chuàng)客所需基礎(chǔ)技能，興趣選修注重興趣引導(dǎo)，專業(yè)精修針對(duì)各類(lèi)奧賽，自主研修為青少年創(chuàng)新科技大賽做準(zhǔn)備。這些課程開(kāi)設(shè)和與之對(duì)應(yīng)的設(shè)備選擇，都是建立在師資力量和學(xué)生學(xué)習(xí)能力的基礎(chǔ)之上，層次鮮明，目標(biāo)清晰，突出學(xué)生在項(xiàng)目學(xué)習(xí)、體驗(yàn)式學(xué)習(xí)和個(gè)性化學(xué)習(xí)等創(chuàng)客學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)。為開(kāi)設(shè)課程服務(wù)、為創(chuàng)客教育的目的服務(wù)、為核心內(nèi)容服務(wù)的硬件設(shè)備，為這些成果的取得打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)于這些設(shè)備的選購(gòu)具有指導(dǎo)和借鑒意義。

5 結(jié)合實(shí)際有針對(duì)性的購(gòu)置制造類(lèi)設(shè)備

創(chuàng)客教育的重點(diǎn)是“造物”，提到造物就離不開(kāi)工具的選擇，工欲善其事必先利其器，如何選擇制造設(shè)備是目前各單位開(kāi)展創(chuàng)客教育面臨的重要問(wèn)題。創(chuàng)客活動(dòng)所需要的制造設(shè)備組合大致可分為如下幾種。

5.1 入門(mén)級(jí)別簡(jiǎn)單硬件

Arduino及其傳感器和樂(lè)高類(lèi)組合積木。Arduino被國(guó)際上稱為電子積木，它不但能夠用在學(xué)習(xí)上，而且能夠直接搭建機(jī)器人、尋跡小車(chē)等教具。Arduino及其傳感器價(jià)格較低，而且現(xiàn)在可用圖形化編程進(jìn)行控制。結(jié)合樂(lè)高類(lèi)積木組件架構(gòu)模型，用編程控制Arduino硬件，逐步形成了一條創(chuàng)客教育的主線。不僅花費(fèi)較少而且方便教學(xué)，在機(jī)房上就可以開(kāi)展創(chuàng)客教育。這種組合具有安全性高，學(xué)生操作方便的特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)件的制造方面，教師無(wú)需培訓(xùn)即可掌握樂(lè)高類(lèi)積木的使用技巧。

此方案較適合小學(xué)和初中開(kāi)展創(chuàng)客教育時(shí)使用。

5.2 進(jìn)階級(jí)別硬件

利用3D打印機(jī)或激光切割機(jī)等工具開(kāi)展機(jī)械結(jié)構(gòu)教育。目前3D打印比較熱門(mén)，不少學(xué)校采購(gòu)的3D打印機(jī)為FDM類(lèi)型。這類(lèi)打印機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，缺點(diǎn)有以下3點(diǎn)。首先是速度較慢，即便是簡(jiǎn)單幾何體結(jié)構(gòu)，也不能減少填充率來(lái)增加打印速度，導(dǎo)致頂層面無(wú)法完整打印。其次是非連續(xù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜圖形需要增加支撐，這種支撐很難去除，即便去除也會(huì)對(duì)表面產(chǎn)生破壞。最后還有熱收縮問(wèn)題造成尺寸偏差，空腔結(jié)構(gòu)精度不準(zhǔn)，翹曲問(wèn)題等。鑒于這種情況，激光切割機(jī)是非常好的補(bǔ)充，對(duì)于規(guī)則的幾何體，用薄木板或有機(jī)板激光切割后組合，可以大大提高制作效率，同時(shí)也鍛煉了學(xué)生動(dòng)手能力和空間想象能力。這樣的設(shè)備組合可以滿足創(chuàng)意類(lèi)比賽的需求。需要注意的是，激光切割機(jī)具有一定的安全隱患，在場(chǎng)地選擇上要用單獨(dú)房間放置，專人保管，防止不熟悉操作的人員觸碰而造成傷害。

此方案較為適合初中高年級(jí)及高中學(xué)校開(kāi)展創(chuàng)客教育時(shí)使用。

5.3 高級(jí)別硬件

目前有條件的學(xué)校已經(jīng)購(gòu)置準(zhǔn)工業(yè)級(jí)加工設(shè)備，比如數(shù)控車(chē)床、多軸雕刻機(jī)、五軸銑床等。這些設(shè)備可以加工金屬類(lèi)零件，制作高強(qiáng)度、高精度的配件，比如機(jī)械手臂、機(jī)器人大賽所需的機(jī)器人結(jié)構(gòu)件、尋跡小車(chē)、多軸無(wú)人機(jī)等，也可以制作較復(fù)雜的浮雕類(lèi)創(chuàng)意作品。我校也購(gòu)置了桌面型銑床和車(chē)床等工具，在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)其放置地址很重要，距離教學(xué)區(qū)太近會(huì)造成噪聲污染，影響教學(xué)。這些設(shè)備對(duì)操作人員要求較高，尤其是四軸、五軸雕刻機(jī)，需要經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)才能操作，學(xué)生參與動(dòng)手制作需要很長(zhǎng)學(xué)習(xí)的時(shí)間。尤為需要注意的是，這些設(shè)備具有較高的危險(xiǎn)性，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵守操作規(guī)程避免發(fā)生危險(xiǎn)。

此方案適合師資力量較強(qiáng)、基礎(chǔ)條件較好的高中學(xué)校開(kāi)展創(chuàng)客教育時(shí)使用。

5.4 特種級(jí)別硬件

如高壓水切割、數(shù)控沖床、折板機(jī)等。這些設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是加工效率高，加工能力強(qiáng)；缺點(diǎn)是使用率低，占地面積大，需要專業(yè)技術(shù)人員操作和保養(yǎng)，生產(chǎn)時(shí)危險(xiǎn)性極高，非常容易出現(xiàn)安全事故。這種類(lèi)型的加工最好通過(guò)以校企合作方式外包，交給專業(yè)的加工廠完成。

6 小結(jié)

本文從在STEAM科技創(chuàng)新教育背景下，結(jié)合學(xué)校推進(jìn)創(chuàng)客教育過(guò)程中選購(gòu)教育裝備工作，通過(guò)首師大附中“青牛創(chuàng)客空間”的實(shí)例，分析了各種硬件裝備的效能及優(yōu)缺點(diǎn)，提供了適合各類(lèi)學(xué)校的創(chuàng)客類(lèi)教育裝備選擇方案。

裝備與管理

2017-07-28