開展科技平面創(chuàng)客教育整體提高學生科學素養(yǎng)

◇陳乾杰（廣東：佛山市順德區(qū)北滘鎮(zhèn)承德小學）

創(chuàng)客教育活動的核心包括興趣、造物和分享，其中“造物”是創(chuàng)客教育活動的靈魂所在。我們發(fā)現(xiàn)創(chuàng)客教育活動之所以難以全面滲透到小學學科教學中，根本原因就在于創(chuàng)客教育活動在小學階段出現(xiàn)“造物難”的困境，其主要體現(xiàn)在難以駕馭造物的工具、難以掌握造物的技能、缺乏造物的任務(wù)或機會三個方面。

廣東省教育科學“十三五”規(guī)劃2019年度中小學教師教育能力提升計劃項目課題“小學科技創(chuàng)客教育對提高學生科學素養(yǎng)的研究”，探討在開展科技平面創(chuàng)客教育中適合小學開展的科技創(chuàng)客教育活動，克服小學生“造物難”的問題，引導(dǎo)學生自主造物、善于造物、樂于創(chuàng)作，整體提高他們的科學素養(yǎng)。

一、課題研究的基本情況

（一）研究背景

1.國外的創(chuàng)客教育現(xiàn)狀

西方國家實施創(chuàng)客教育比國內(nèi)稍早，個別國家根據(jù)自己的本土特色，形成了比較固定的創(chuàng)客教育模式。如美國的創(chuàng)客教育倡導(dǎo)“使用真工具、真材料、解決真問題”理念，而英國的創(chuàng)客教育則從藝術(shù)入手，早在2013年調(diào)整的課程綱要就開始規(guī)劃藝術(shù)設(shè)計的相關(guān)課程，鼓勵學生參與藝術(shù)設(shè)計以及手工藝等活動，訓練學生養(yǎng)成獨立思考的能力和提高藝術(shù)設(shè)計的素養(yǎng)。近年來，英國正努力打破過去“只有將來打算從事理工科或是醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的孩子，才學數(shù)學等STEM 學科”的限制，鼓勵中小學生采取更加多元與開放的學習方式。國外創(chuàng)客教育的開展呈現(xiàn)兩大特點：創(chuàng)客教育的對象都往低年齡段發(fā)展，特別是16 歲以下的少年兒童；創(chuàng)客教育在國外依然與傳統(tǒng)教育博弈著，國外的創(chuàng)客教育推動者都希望教師能成為創(chuàng)客教育的推手而不是阻力。

2.國內(nèi)創(chuàng)客教育的發(fā)展

比起國外，我國創(chuàng)客教育起步相對較晚。2015年9月1日，教育部辦公廳印發(fā)的征求對《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》意見的通知中，第一次提到STEM 教育和創(chuàng)客教育的概念，“創(chuàng)客教育”首次得到教育部的關(guān)注。2016年7月13日，《教育部關(guān)于新形勢下進一步做好普通中小學裝備工作的意見》中第一次提到建設(shè)創(chuàng)客空間，要求在中小學普及創(chuàng)客教育，要求各省市教育局及相關(guān)部門再根據(jù)自身情況按需配備相應(yīng)規(guī)模的創(chuàng)客空間。2017年1月19日，教育部印發(fā)關(guān)于《義務(wù)教育小學科學課程標準》的通知，深化落實創(chuàng)客教育，提到課程設(shè)計需要結(jié)合STEM和創(chuàng)客教育，對小學科學課程內(nèi)容有跨學科的要求。

這表明，國內(nèi)創(chuàng)客教育雖然起步較晚，但在短短幾年內(nèi)迅速發(fā)展。特別是2017年《義務(wù)教育小學科學課程標準》的修訂，明確把創(chuàng)客教育融入義務(wù)教育小學科學中。國內(nèi)創(chuàng)客教育主要的推廣模式是以賽促面，學校層面則主要通過企業(yè)工程師介入解決學生技術(shù)問題。該模式的優(yōu)勢就是可以在短時間內(nèi)讓創(chuàng)客教育達到嶄新的高度，不足之處就是局限了接受創(chuàng)客教育的人群，使之容易變成一種精英教育。

3.科學素養(yǎng)的背景

國際上普遍將科學素養(yǎng)（Scientific Literacy）概括為三個組成部分，即了解科學知識、了解科學的研究過程和方法、了解科學技術(shù)對社會和個人所產(chǎn)生的影響。我國公民科學素養(yǎng)的現(xiàn)狀是總體上公民科學素養(yǎng)水平逐漸提高，但與發(fā)達國家相比還有較大差距；青少年與科學精神有關(guān)的調(diào)查結(jié)果不理想，學校對科學精神的培養(yǎng)還存在較大問題。此外，研究表明較低年齡段的群體（特指學生）更容易提高科學素養(yǎng)，因此2017年《義務(wù)教育小學科學課程標準》重新定義了“科學素養(yǎng)”的內(nèi)涵，正式把培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)作為課程設(shè)置的重要目標。因此，本課題意在通過新的教學手段及形式探索高效可行的方式，促進學生科學素養(yǎng)的提高。

（二）研究目標

在學科教學中滲透科技創(chuàng)客活動，探索適合小學階段開展、能有效克服小學生造物難問題的科技創(chuàng)客教育活動策略，以及探討其與科學課堂整合的方法；

開發(fā)推進小學階段科技創(chuàng)客教育活動的校本讀物，以及探討其與第二課堂整合的方法；

探索出科技創(chuàng)客教育活動提高科創(chuàng)競賽水平的策略，讓學生樹立科學方法，崇尚科學精神，并學會遷移處理實際問題的能力。

總的來說就是：在小學階段通過教學滲透、隊伍建設(shè)、資源整合、文化熏陶四個方面，深化科技創(chuàng)客活動的內(nèi)涵，提高學生的科學素養(yǎng)。

二、研究成果

（一）以科技平面創(chuàng)客教育促進學生科學素養(yǎng)的提高

1.降低創(chuàng)客門檻的手段——科技平面創(chuàng)客教育

在創(chuàng)客教育全面鋪開、如火如荼開展的時候，接觸創(chuàng)客教育的學生人數(shù)在全?？?cè)藬?shù)中所占比例仍然有限，造成這種現(xiàn)象的因素包括創(chuàng)客教師專業(yè)受限、創(chuàng)客室有限、創(chuàng)客基礎(chǔ)門檻過高、創(chuàng)客設(shè)備過于復(fù)雜等。針對此無法短時間內(nèi)改變的現(xiàn)狀，我們提出科技平面創(chuàng)客教育方式，即保留創(chuàng)客教育的核心理念“興趣、造物、分享”，剔除技術(shù)要求過高（比如編程等）、工具繁多（比如各種開源硬件及傳感器等）部分，結(jié)合學?？萍冀逃慕?jīng)驗和各年級科學課程，利用簡單的工具、統(tǒng)一的材料，解決難以駕馭造物工具的問題，通過一種切割工具——線鋸，一種造物材料——瓦楞紙，一種黏合工具——熱熔膠，滿足造物的需求。

2.科技平面創(chuàng)客教育實施策略

（1）科技平面創(chuàng)客教育的實施階段

我們將教育分為三個階段，分別是手工平面創(chuàng)客階段、設(shè)備平面創(chuàng)客階段、創(chuàng)新平面創(chuàng)客階段。三大階段再細分為18 個難度遞進的任務(wù)目標。學生達到1～8 級的任務(wù)目標，就滿足日?？茖W課及家庭創(chuàng)客的造物技能，科學教師及學?？萍夹ｊ牭膶W生只要完成9～18 課的學習，就能滿足教具設(shè)計及科創(chuàng)發(fā)明的需求。在解決缺乏造物任務(wù)或機會的問題上，我們認真落實學生造物的三大平臺：一是科學課堂的實踐環(huán)節(jié)、活動環(huán)節(jié)及設(shè)計與制作環(huán)節(jié)；二是科技制作小組的第二課堂；三是青少年科技創(chuàng)新大賽。

（2）科技平面創(chuàng)客教育的場地器械

①場室：課室，科學實驗室，創(chuàng)客空間，等。

②工具：切割工具，入門時使用較為安全的學生可以使用、可以切割任意圖形的線鋸，后期學生在教師的指導(dǎo)下學習激光切割機繪圖；黏合工具，以熱熔膠為主，方便使用，成本較低，黏合速度快，黏合穩(wěn)固，能達到一定的使用需求。

③材料：以瓦楞紙和薄木板為主，這些材料方便切割，具有一定的硬度和強度，造出來的物品具有一定的使用效果。

（二）編制《科技平面創(chuàng)客》校本讀物

激光切割機、3D 打印機是創(chuàng)客教育活動的重要工具，大部分地區(qū)學校都配備相應(yīng)設(shè)備，然而無論是教師還是學生都難以熟練使用、輔助教學。筆者認為，造成激光切割機入門困難的原因主要有兩點：一是難以把握繪圖的構(gòu)建、相互的尺寸，要求造物者對圖紙設(shè)計的尺寸嚴格把握；二是繪圖的二維轉(zhuǎn)為三維實物的難度大。因此，我們編制出《科技平面創(chuàng)客》校本讀物，讓讀者迅速熟悉如何將三維實物拆分成二維平面圖形。

編制的校本讀物，一方面作為教師制作教具的參考書，指導(dǎo)教師制作教具輔助課堂，提高課堂效率，讓學生更好地掌握科學知識、熟悉造物技巧；另一方面是豐富科技創(chuàng)客第二課堂活動，幫助學生迅速掌握平面創(chuàng)客技能，提高動手能力和更好地進行自由造物，進一步提升學生乃至學校發(fā)明創(chuàng)造解決生活問題的水平。校本讀物目錄如下圖：

（三）制作一批科學教具，撰寫《科技創(chuàng)客課堂實驗手冊》

我們知道，科學教材對于某些特定的知識點，如月相的變化、觀察暗盒中的小球等，都設(shè)計了一個專門的實驗教具，由于該教具針對性較強，因此實驗室一般都沒有配備，需要教師進行制作；部分實驗教材中沒有提供較好的實驗設(shè)備給予學生探究，如太陽直射與斜射溫度變化顯示儀、傳動的齒輪等，這一類實驗只能通過儀器室的原有設(shè)備開展，其探究效果有限，要求教師具備自制教具完成該課程的目標。以前自制教具的途徑一般采用環(huán)保的材料如紙皮、塑料瓶、木板等進行制作，其切割和組合難度較大，因此自制教具成為較為困難的事。

我們利用平面創(chuàng)客中設(shè)備平面創(chuàng)客的手段，鼓勵教師利用激光切割機進行教具的設(shè)計和制作，輔助教學，提高科學課堂的趣味性、有效性。我們梳理出三至六年級科學教材中需要教師自制教具完成教學的課目，并精選教具撰寫了《科技創(chuàng)客課堂實驗手冊》。

（四）探索學生科創(chuàng)發(fā)明的方法

我們面向全體學生開展科技平面創(chuàng)客活動，讓學生掌握切割和黏合以及簡單實物制作的技巧，從而更好地完成科學課上的設(shè)計與制作內(nèi)容和課余時間的創(chuàng)作與制作；對科創(chuàng)發(fā)明興趣濃厚的學生，教師輔導(dǎo)學生進一步熟悉科技創(chuàng)客的技術(shù)技巧，熟練掌握激光切割機和3D 打印機的使用，完成青少年科技創(chuàng)新的實物開發(fā)和模型測試。我校的科技創(chuàng)新發(fā)明開發(fā)有一套較為高效的制作流程，步驟如下圖所示：

當學生發(fā)現(xiàn)問題后，進行構(gòu)思設(shè)計，這與普通的頭腦風暴法幾乎相同。但為了讓學生的構(gòu)思設(shè)計落到實處，我們鼓勵學生利用平面創(chuàng)客的手工創(chuàng)客方法，利用線鋸、瓦楞紙、塑料瓶、熱熔膠等材料工具進行手工模型制作，并測試基本功能。手工模型設(shè)計合理就進行下一階段的設(shè)備模型制作，手工設(shè)計模型不合理就重新構(gòu)思設(shè)計。在設(shè)備模型階段，可以利用激光切割機、3D打印機等更為精細、精確的設(shè)備制作模型進行測試，假如模型功能沒問題就進行實物制作，如有問題，繼續(xù)改進手工模型。在實物制作階段，我們借助社會的力量，制作成大型的木制品、不銹鋼品、高強度3D 打印等實物，開展進一步的實物測試。在實物測試過程中出現(xiàn)問題，則通過調(diào)整設(shè)備模型進行改進。該方法適合任何發(fā)明創(chuàng)作的學生使用，同時克服發(fā)明創(chuàng)作中動手難的問題。

三、研究成效

（一）科技平面創(chuàng)客教育提高了學生的科學素養(yǎng)

經(jīng)過三年的實踐研究，學校學生科學素養(yǎng)有明顯提升，主要從學生問卷、質(zhì)量監(jiān)測、競賽水平、發(fā)明專利四個方面進行說明。

1.問卷分析體現(xiàn)

本研究長達兩年時間，期間進行了兩次問卷調(diào)查，調(diào)查的對象覆蓋一至六年級學生，調(diào)查的形式是在計算機室做不記名問卷調(diào)查。問卷主要根據(jù)小學課程標準里闡述的關(guān)于小學生科學素養(yǎng)具備要素進行設(shè)計，以側(cè)面的形式調(diào)查學生必要的科學技能知識、基本的科學方法及科學思想和利用科學知識參與社會公共事務(wù)的能力等。數(shù)據(jù)顯示，學生參與科學課堂的興趣提高了，從原來的67%“非常感興趣”上升到92%；動手和實踐能力提高了，“當你遇到一個困惑的問題時”，94%的學生在提出自己的假設(shè)和猜想后會查資料證實或動手實驗等。經(jīng)過多年的科技創(chuàng)客教育活動的滲透，學生的科學素養(yǎng)得到一定的提升。

2.科學學科期末質(zhì)量監(jiān)測成績可喜

自2019年至2021年，期末科學學科的質(zhì)量監(jiān)測方式日益豐富、多樣，體現(xiàn)出科學素養(yǎng)評估的學科性和時代性。不管監(jiān)測評估方式如何更新，學校學生參加各學期的素養(yǎng)監(jiān)測成績都是可喜的，如2019年佛山市六年級科學素養(yǎng)監(jiān)測結(jié)果位于全市前20%，2020 學年第一學期順德區(qū)科學質(zhì)量抽測排名全區(qū)第5，2021 學年第一學期順德區(qū)科學質(zhì)量監(jiān)測學生A率達100%。

3.學生參加各級各類競賽成績斐然

自本研究開展以來，學生參加各級各類發(fā)明大賽、科創(chuàng)大賽均獲優(yōu)異成績，尤其是青少年科技創(chuàng)新大賽。2020年，陳澤棋同學發(fā)明的“自帶標識防盜沙井蓋”、李慧軒同學發(fā)明的“一種便于清潔打理的家用雨棚”分別獲第35 屆廣東省青少年科技創(chuàng)新大賽一等獎、二等獎；2021年，梁鍵煜同學發(fā)明的“一種防堵塞的家用地漏”獲第36 屆廣東省青少年科技創(chuàng)新大賽二等獎并獲第九屆澳門國際發(fā)明展金獎。

4.學生發(fā)明專利受理率達100%

學生參加青少年創(chuàng)新大賽等發(fā)明賽事的作品，都是學生提出設(shè)計思路后利用科技平面創(chuàng)客手段制作出模型，再由輔導(dǎo)老師、家長進行測試指導(dǎo)和完善，形成實物后申報實用新型專利。近三年，學校學生所申報的專利共5 項，均獲受理，受理率達100%。

（二）科技平面創(chuàng)客教育促進了教師及科組的發(fā)展

研究為科組教師發(fā)展提供了鍛煉的平臺，促進了教師精研教材、錘煉課堂教學、提高平面創(chuàng)客能力等，使教師參與青年教師能力大賽、青少年創(chuàng)新大賽輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果賽、“小小科學家”中小學生科學實驗活動等均取得了優(yōu)異成績。同時，研究促進了學校科學科組的長足發(fā)展，學校科學科組獲“第三屆佛山市示范教研組”稱號。

四、成果輻射

課題在研究過程中形成了一套可復(fù)制的促進學生科學素養(yǎng)的策略，科創(chuàng)教育得到市區(qū)科學技術(shù)協(xié)會的關(guān)注與肯定。本課題主持人被聘為順德區(qū)科普講師團成員，專門負責科技輔導(dǎo)老師培訓，作科創(chuàng)方法成果推廣。自2020年以來，研究團隊受邀開展的講座有“好發(fā)明就在身邊”“青少年科技創(chuàng)新大賽TD 案例分析”“如何帶領(lǐng)學生開展科技創(chuàng)新發(fā)明活動”“廣東省少年兒童發(fā)明獎案例分享交流”“承德小學平面創(chuàng)客教育介紹”等，受到同行一致好評。

實踐證明，在小學階段開展科技平面創(chuàng)客教育，有助于學生科學素養(yǎng)的提高。我們的研究，一直在路上。