湖北省十堰市第一中學(442000)

何 樂

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

湖北省十堰市第一中學(442000)

何 樂

1 STEAM科技創(chuàng)新教育發(fā)展形勢

2015年是中國的“創(chuàng)客”元年，特別是在2015年3月全國“兩會”上“創(chuàng)客”第一次被寫入政府工作報告后，各類創(chuàng)客空間如雨后春筍般涌現(xiàn)出來，各類創(chuàng)客協(xié)會、創(chuàng)客學會、創(chuàng)客聯(lián)盟、創(chuàng)客學院紛紛成立，各類創(chuàng)客大賽、創(chuàng)客嘉年華層出不窮，各類創(chuàng)客研討會、創(chuàng)客高峰論壇此起彼伏。新聞媒體、高等院校、政府部門和國家領(lǐng)導(dǎo)人也高度關(guān)注創(chuàng)客教育。2015年5月18日，由中國教育報牽頭成立了“中國青少年創(chuàng)客教育聯(lián)盟”；2015年7月24日，由清華大學等高校聯(lián)合發(fā)起成立了“全國教師創(chuàng)客聯(lián)盟”；2015年9月2日，教育部《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作指導(dǎo)意見(征求意見稿)》提出：“有效利用信息技術(shù)推進眾創(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教育信息化工作電視會議的講話中提出：“積極探索信息技術(shù)在創(chuàng)業(yè)大學、創(chuàng)客教育、微課堂等方面的應(yīng)用，提升學生的信息素養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，促進學生全面發(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》中指出：“貫徹國家‘雙創(chuàng)’要求，為創(chuàng)客教育、‘STEAM課程’提供教育裝備支撐?！苯逃恐贫ǖ摹督逃畔⒒笆濉币?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’、跨學科學習、創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應(yīng)用?！?/p>

2 首都師范大學附屬中學的特色創(chuàng)客教育

首都師范大學附屬中學(以下簡稱首師大附中)的“青牛創(chuàng)客空間”于2016年4月1日正式投入使用，標志著創(chuàng)客教育真正走進課程，走入校園?！扒嗯?chuàng)客空間”分為創(chuàng)想?yún)R、智控坊、Robot廣場、夢舞臺、數(shù)控工坊和奔碼隧道6個功能區(qū)域。創(chuàng)想?yún)R是學生頭腦風暴和思維碰撞的場所；智控坊為學生提供一應(yīng)俱全的智能控制硬件支持；Robot廣場讓學生成為Robot的造物主，落實創(chuàng)客必須以造物為重點這個核心思想；夢舞臺為學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)實的橋梁，讓學生的創(chuàng)想可以成為現(xiàn)實；奔碼隧道讓學生利用計算機編程，熟悉計算機語言。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展，各類新設(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)學生的興趣特長，為培養(yǎng)創(chuàng)新人才奠基，而不是要把學生都培養(yǎng)成程序員、機床操作員。反復(fù)練習或許能成就完美卻無法成就創(chuàng)新，教師必須發(fā)自內(nèi)心地去關(guān)愛學生，努力發(fā)現(xiàn)學生的閃光點，激發(fā)他們的學習興趣和奮斗精神，讓每個學生都帶著夢想去實現(xiàn)自己的價值。家長也需要用前瞻性的眼光，順應(yīng)時代的發(fā)展，努力做好學生發(fā)展的引路人。創(chuàng)客教育的核心是創(chuàng)新。對于中學而言，創(chuàng)客教育不是某方面知識的應(yīng)用，而是要實現(xiàn)培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的體系建設(shè)，讓創(chuàng)新教育落到實處。它既是學生個性發(fā)展的內(nèi)在需求，也是時代發(fā)展的大勢所趨。創(chuàng)客教育，是培育學生提出問題、研究問題、動手實踐、解決問題的綜合能力的教育方式，初步融合了科學研究、技術(shù)制作、藝術(shù)創(chuàng)作的全過程，能夠培養(yǎng)學生的主動探索精神、批判性思維能力、自主創(chuàng)新能力、合作研究能力、語言表達能力、藝術(shù)創(chuàng)作能力等。

創(chuàng)客思維系列課程從認知和實踐兩個部分帶領(lǐng)學生成為真正意義上的創(chuàng)客，產(chǎn)生深入探究的熱情；機器人系列課程讓學生熟知當前國內(nèi)外最熱門的機器人研究，學習各組成部分的工作原理，并利用所學知識設(shè)計、搭建功能性機器人；3D打印系列課程，學生可以體驗從設(shè)計到建模，再到物品生成的全過程，激發(fā)學生的靈感，讓學生借助3D打印去實現(xiàn)自己的發(fā)明創(chuàng)造；編程系列課程使學生主動進入計算機和編程的世界，運用無生命的機器語言去實現(xiàn)有生命的無限創(chuàng)意；無人機系列課程引導(dǎo)學生了解無人機飛行器的發(fā)展，學習其工作原理、硬件組裝、程序設(shè)計，最終讓學生通過手腦并用實現(xiàn)自己的飛天夢。

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，學校非常重視創(chuàng)新教育的硬件投入。為創(chuàng)客空間專門建設(shè)的一棟教學樓里各類硬件設(shè)施種類齊全，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)計上，由于學生興趣愛好不同，學習能力不同，所以從結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝加工、智能控制、人文藝術(shù)等幾大方向，開設(shè)選修課程。

基礎(chǔ)通修包含《程序設(shè)計入門》《視頻編輯》《動畫制作入門》《設(shè)計基礎(chǔ)》。

興趣選修包含《APP開發(fā)》《趣味程序設(shè)計》《Arduino開源硬件》《飛行原理》《平面設(shè)計》《怎樣開波音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》《天文奧賽》《機器人競賽》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。

課程開設(shè)與之對應(yīng)的教育裝備見表1。

表1 課程對應(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)精修針對各類奧賽，自主研修為青少年創(chuàng)新科技大賽做準備。這些課程開設(shè)和與之對應(yīng)的設(shè)備選擇，都是建立在師資力量和學生學習能力的基礎(chǔ)之上，層次鮮明，目標清晰，突出學生在項目學習、體驗式學習和個性化學習等創(chuàng)客學習的優(yōu)勢。為開設(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實的基礎(chǔ)，對于這些設(shè)備的選購具有指導(dǎo)和借鑒意義。

5 結(jié)合實際有針對性的購置制造類設(shè)備

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

5.1 入門級別簡單硬件

Arduino及其傳感器和樂高類組合積木。Arduino被國際上稱為電子積木，它不但能夠用在學習上，而且能夠直接搭建機器人、尋跡小車等教具。Arduino及其傳感器價格較低，而且現(xiàn)在可用圖形化編程進行控制。結(jié)合樂高類積木組件架構(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。不僅花費較少而且方便教學，在機房上就可以開展創(chuàng)客教育。這種組合具有安全性高，學生操作方便的特點，在結(jié)構(gòu)件的制造方面，教師無需培訓(xùn)即可掌握樂高類積木的使用技巧。

此方案較適合小學和初中開展創(chuàng)客教育時使用。

5.2 進階級別硬件

利用3D打印機或激光切割機等工具開展機械結(jié)構(gòu)教育。目前3D打印比較熱門，不少學校采購的3D打印機為FDM類型。這類打印機的優(yōu)點是價格低廉，缺點有以下3點。首先是速度較慢，即便是簡單幾何體結(jié)構(gòu)，也不能減少填充率來增加打印速度，導(dǎo)致頂層面無法完整打印。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，即便去除也會對表面產(chǎn)生破壞。最后還有熱收縮問題造成尺寸偏差，空腔結(jié)構(gòu)精度不準，翹曲問題等。鑒于這種情況，激光切割機是非常好的補充，對于規(guī)則的幾何體，用薄木板或有機板激光切割后組合，可以大大提高制作效率，同時也鍛煉了學生動手能力和空間想象能力。這樣的設(shè)備組合可以滿足創(chuàng)意類比賽的需求。需要注意的是，激光切割機具有一定的安全隱患，在場地選擇上要用單獨房間放置，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及高中學校開展創(chuàng)客教育時使用。

5.3 高級別硬件

目前有條件的學校已經(jīng)購置準工業(yè)級加工設(shè)備，比如數(shù)控車床、多軸雕刻機、五軸銑床等。這些設(shè)備可以加工金屬類零件，制作高強度、高精度的配件，比如機械手臂、機器人大賽所需的機器人結(jié)構(gòu)件、尋跡小車、多軸無人機等，也可以制作較復(fù)雜的浮雕類創(chuàng)意作品。我校也購置了桌面型銑床和車床等工具，在實際工作中發(fā)現(xiàn)其放置地址很重要，距離教學區(qū)太近會造成噪聲污染，影響教學。這些設(shè)備對操作人員要求較高，尤其是四軸、五軸雕刻機，需要經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)才能操作，學生參與動手制作需要很長學習的時間。尤為需要注意的是，這些設(shè)備具有較高的危險性，應(yīng)當嚴格遵守操作規(guī)程避免發(fā)生危險。

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

5.4 特種級別硬件

如高壓水切割、數(shù)控沖床、折板機等。這些設(shè)備的優(yōu)點是加工效率高，加工能力強；缺點是使用率低，占地面積大，需要專業(yè)技術(shù)人員操作和保養(yǎng)，生產(chǎn)時危險性極高，非常容易出現(xiàn)安全事故。這種類型的加工最好通過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)合學校推進創(chuàng)客教育過程中選購教育裝備工作，通過首師大附中“青牛創(chuàng)客空間”的實例，分析了各種硬件裝備的效能及優(yōu)缺點，提供了適合各類學校的創(chuàng)客類教育裝備選擇方案。

裝備與管理

2017-07-28