陳 璐,廖 峻,莫德云

(嶺南師范學(xué)院 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,廣東 湛江 524048)

近幾年,人工智能技術(shù)在各行業(yè)被廣泛應(yīng)用,也給基礎(chǔ)教育領(lǐng)域帶來了革新. 2022年,教育部發(fā)布的《教師數(shù)字素養(yǎng)》從數(shù)字化意識、數(shù)字技術(shù)知識與技能、數(shù)字化應(yīng)用、數(shù)字社會責(zé)任以及專業(yè)發(fā)展等5個維度對新時代的教育從業(yè)者提出了更高的要求[1]. 2023年,教育部等十八部門印發(fā)的《關(guān)于加強(qiáng)新時代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見》,要求強(qiáng)化實驗教學(xué),探索利用人工智能、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)手段改進(jìn)實驗教學(xué),擴(kuò)充教育教學(xué)資源[2]. 從中小學(xué)信息科技的教育內(nèi)容方面分析,新課改要求信息科技教學(xué)課堂逐步引入機(jī)械、電子、通信等學(xué)科背景的基礎(chǔ)知識,以先進(jìn)加工設(shè)備、嵌入式開源硬件、高度集成傳感器、兼容圖形化編程軟件等為技術(shù)載體,開發(fā)信息時代的手工課和勞動課內(nèi)容[3-4]. 有了政策的良好導(dǎo)向和完備的技術(shù)支持,“眾創(chuàng)”的理念不再是紙上談兵,為中小學(xué)教育階段引入技術(shù)與工程類實踐課題創(chuàng)造了條件,使得“創(chuàng)客”的涵義和內(nèi)容在少年兒童教育中發(fā)芽和生長.

1 STEM教育與創(chuàng)客教育

STEM教育可以理解為以科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)為核心的科技創(chuàng)新教育[5],旨在培養(yǎng)交叉學(xué)科、創(chuàng)新型、復(fù)合型人才,最早由美國學(xué)者提出并在當(dāng)?shù)氐腒-12教學(xué)中推行[4]. 在我國傳播的十余年間,通過在中小學(xué)教學(xué)中廣泛實踐,STEM教育已逐漸成為基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的共識,其特點是能夠培養(yǎng)青少年動手、創(chuàng)新、綜合運用科學(xué)知識的能力,具有多學(xué)科融合的性質(zhì)和符合學(xué)生年齡的呈現(xiàn)方式. STEM 教育的工程課題著重強(qiáng)調(diào)結(jié)合實際生活和生產(chǎn)開展分析、實踐和技術(shù)應(yīng)用,在產(chǎn)品研究、設(shè)計、測試中得到綜合訓(xùn)練,而這樣的課題難度大,且成本較高,設(shè)備使用也有專業(yè)門檻,在義務(wù)教育中不易推廣.

“創(chuàng)客”最初意指將創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實的人,創(chuàng)客空間是指具有加工車間和工作室功能的開放性實驗室[6]. 伴隨著計算機(jī)性能的提升和數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展,創(chuàng)客概念延伸到了教育行業(yè),泛指為培養(yǎng)青少年創(chuàng)新創(chuàng)造能力需要構(gòu)建融合學(xué)科教學(xué)、作品設(shè)計、創(chuàng)意加工、調(diào)試分析等流程的創(chuàng)作環(huán)境. 由此推動了創(chuàng)客空間建設(shè)和各種創(chuàng)客項目的發(fā)展.

目前,教學(xué)實踐中的創(chuàng)客教育主要指在創(chuàng)客空間開展以實物創(chuàng)作為主的創(chuàng)新訓(xùn)練,是提升青少年工程技術(shù)綜合應(yīng)用能力的一種途徑. 創(chuàng)意作品具備相當(dāng)?shù)募夹g(shù)挑戰(zhàn),可作為完整的工程啟蒙教育案例,學(xué)生在創(chuàng)客空間里共享資源和知識,完成課程實踐和創(chuàng)新[7]. 工程教育的開展離不開應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展和普及,包括入門簡單和界面友好的軟硬件,比如積木機(jī)器人、開源單片機(jī)、激光切割技術(shù)、3D打印技術(shù)等.

現(xiàn)階段少兒編程的普及得益于圖形化編程軟件的開發(fā)和應(yīng)用. 圖形化編程也叫模塊化編程、積木編程,其原型來自20世紀(jì)80年代麻省理工學(xué)院與樂高公司合作的項目. 所研發(fā)的積木機(jī)器人的“大腦”是將編程語言表現(xiàn)為圖形拖塊、適合少年兒童使用的編程軟件,“主機(jī)”不需要連接電腦的集成電路控制模塊,可搭載各類傳感器當(dāng)做“感官”,再將樂高式拼接積木結(jié)合電機(jī)作為其“動作系統(tǒng)”,從而實現(xiàn)系統(tǒng)控制和運動.

嵌入式開源硬件的開發(fā)使工程教育的對象范圍擴(kuò)大到小學(xué)階段,其高度集成的單片機(jī)系統(tǒng)可實現(xiàn)常見的電路控制,并兼容圖形化少兒編程軟件,如此一來,只要掌握基礎(chǔ)的邏輯知識,便能夠制作電子創(chuàng)意產(chǎn)品. 在材料加工方面,之前必須經(jīng)過專業(yè)訓(xùn)練才能操作的設(shè)備(比如鉗工、車工機(jī)械等),如今在創(chuàng)客教育中已能被代替,先進(jìn)加工技術(shù)日益成熟,更適于引入中小學(xué)工程實驗教學(xué)的操作難度低、安全性能高的產(chǎn)品,并配套面向少兒的建模軟件.

近年來,人工智能技術(shù)突飛猛進(jìn),各類國產(chǎn)教育軟件和培訓(xùn)機(jī)構(gòu)蓬勃發(fā)展,義務(wù)教育階段已將編程和嵌入硬件項目加入信息技術(shù)教育和勞動教育,并在教材中有所體現(xiàn). 另外,編程和嵌入硬件項目也在青少年競賽包括“全國青少年人工智能創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽”“全國中小學(xué)信息技術(shù)創(chuàng)新與實踐大賽”“世界機(jī)器人大會青少年機(jī)器人設(shè)計與信息素養(yǎng)大賽”等多項科技類賽事中有所體現(xiàn). 因此,信息化數(shù)字化教學(xué)已是大勢所趨,也是基礎(chǔ)教育工作者聚焦的研究方向[8-10].

2 中小學(xué)工程技術(shù)實驗教學(xué)中的問題及對策

創(chuàng)客教育開展的力度和成效因區(qū)域的不平衡發(fā)展存在一定差異,經(jīng)過對湛江本地的中小學(xué)調(diào)研發(fā)現(xiàn),欠發(fā)達(dá)地區(qū)工程技術(shù)實驗的開展主要依托于第三方機(jī)構(gòu),校本課程的開發(fā)和創(chuàng)課教師的培養(yǎng)還有待加強(qiáng). 調(diào)查內(nèi)容如圖1所示.

圖1 創(chuàng)新創(chuàng)造課程調(diào)研內(nèi)容

對本地2所小學(xué)的科學(xué)實驗課程調(diào)研結(jié)果顯示:基于傳統(tǒng)實驗的演示、探究環(huán)節(jié)較多,而實物的設(shè)計與實現(xiàn)、動手操作類項目較少. 學(xué)校層面組織了“校園科技節(jié)”“科技運動會”“科普進(jìn)社區(qū)”等活動,但這些活動著重成果的呈現(xiàn)方式和互動效果,學(xué)生需要在短時間內(nèi)搭建出作品用于展示,其過程基本由指導(dǎo)教師和家長完成,對于低年級學(xué)生這類現(xiàn)象更加明顯. 由于人力資源和場所、環(huán)境等條件因素的限制,開發(fā)校本課程、組織課后社團(tuán)仍是課程改革的難點和重點.

另一方面,相對于硬件設(shè)施,學(xué)生使用軟件情況較好. 家長普遍重視孩子數(shù)字化、信息化知識的學(xué)習(xí)和人工智能素養(yǎng)的提升,對市面上的青少年建模和編程軟件也有所耳聞,并希望學(xué)校多開設(shè)此類課程. 為解決科學(xué)課程資源不足的問題,被調(diào)研的2所小學(xué)與大學(xué)科學(xué)教育師范專業(yè)結(jié)為了幫扶對象,以實現(xiàn)資源共享,推進(jìn)大學(xué)生實踐基地和小學(xué)創(chuàng)新實驗室建設(shè).

根據(jù)調(diào)研結(jié)果,開展校本工程技術(shù)教育并在跨學(xué)科實驗教學(xué)中有機(jī)創(chuàng)新和融合,對于一些不發(fā)達(dá)地區(qū)的學(xué)校存在實際困難,其具體原因表現(xiàn)在以下幾方面:

1)資源不足. 工程技術(shù)能力培養(yǎng)需要結(jié)合科技發(fā)展配置場地和器材,由于設(shè)備更新迅速、價格昂貴且不耐使用,導(dǎo)致地區(qū)差異明顯,欠發(fā)達(dá)地區(qū)學(xué)生的學(xué)習(xí)機(jī)會較少[11].

2)能力欠缺. 小學(xué)、初中學(xué)生由于年齡特點,基礎(chǔ)知識和理解能力均有限制,無論是項目式案例還是學(xué)科融合實驗,科學(xué)應(yīng)用的手段尤為重要,例如計算機(jī)輔助設(shè)計、編程、電子電路等技術(shù),少年兒童往往難以理解,需要大量練習(xí),課堂和社團(tuán)活動時間不足以完成[12].

3)學(xué)習(xí)興趣不高. 雖然實踐教學(xué)在義務(wù)教育中得到了普遍重視,但學(xué)生和家長對理論知識的學(xué)習(xí)更為側(cè)重[13],所開設(shè)項目多為演示和驗證性實驗,欠缺激發(fā)青少年興趣和自主創(chuàng)新精神的綜合性課題.

4)實踐內(nèi)容單一. 盡管信息課、勞動課和第二課堂設(shè)置了鍛煉動手能力的環(huán)節(jié),例如認(rèn)識使用傳感器、機(jī)器人、單片機(jī)等,體現(xiàn)了工程技術(shù)的應(yīng)用場景,但更多是將新技術(shù)機(jī)械式地拼接,因此仍需探索與學(xué)科教學(xué)的有機(jī)融合方式[14].

圍繞上述問題,針對目前工程教育中的短板,以嶺南師范學(xué)院科學(xué)技術(shù)教育本科教學(xué)經(jīng)驗為參考,擬從器材配置、課程設(shè)計、內(nèi)容組織3方面切入,探索基于STEM教育理念和創(chuàng)客教育相結(jié)合的中小學(xué)工程技術(shù)實驗教學(xué)途徑.

2.1 工程實驗室的器材配置

創(chuàng)客空間一般由1個或幾個完成創(chuàng)意落地的實驗室組成,規(guī)劃時應(yīng)考慮其功能分區(qū),配備基礎(chǔ)的計算機(jī)、投影儀、加工臺等. 對于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的地區(qū),昂貴的硬件投入往往難以實現(xiàn),因此在器材配置方面,要兼顧創(chuàng)新性、重復(fù)性、經(jīng)濟(jì)性、趣味性等需求. 比如配置開源的虛擬仿真平臺(例如Scratch,3D-ONE,mBlock,Mindstorms等). 虛擬平臺能夠提供更多的實驗場景和實驗條件,且投入和維護(hù)成本低;作為創(chuàng)客工具,可以引導(dǎo)學(xué)生圍繞不同難度的主題進(jìn)行實驗設(shè)計、創(chuàng)造和分析;鍛煉不同于理論教學(xué)的空間思維能力、動手能力和協(xié)同解決問題的能力. 部分專門面向低齡段學(xué)生開發(fā)的虛擬軟件如表1所示.

表1 中小學(xué)工程技術(shù)實驗器材表

此外,還可購置必要的制作工具和裝置,如小型臺鉆、小拉花鋸、3D打印機(jī)等,這些通用設(shè)備安全性能好、操作簡單,可以增加學(xué)生的參與度和興趣. 本?？茖W(xué)技術(shù)教育面向中小學(xué)創(chuàng)客搭建的示范實驗室配備的工具如圖2所示,基本能滿足創(chuàng)客所需的非標(biāo)零配件制作需求,多年來無事故記錄,年均使用、維護(hù)成本不超過1 000元(3D打印耗材除外),一定程度解決了學(xué)生上手難、參與度低、運維成本高的問題.

(a)臺鉆與拉花鋸工作組

(b)泡沫切割機(jī)工作組

(c)并聯(lián)式3D打印機(jī)

(d)激光切割機(jī)圖2 嶺南師范學(xué)院中小學(xué)創(chuàng)客示范實驗室硬件配置

2.2 工程實驗的課程設(shè)計

在教學(xué)方式上,宜結(jié)合科學(xué)情境和生活情境,采用項目式教學(xué)方法. 選取工程技術(shù)類青少年競賽題目,例如青少年人工智能挑戰(zhàn)賽、青少年通信科技創(chuàng)新大賽、機(jī)器人設(shè)計與信息素養(yǎng)大賽等賽事中的“單片機(jī)創(chuàng)意智造專項賽”“創(chuàng)意天梯挑戰(zhàn)賽”“雪山運輸挑戰(zhàn)賽”“智能配送挑戰(zhàn)賽”等項目作為實驗課題. 這些項目將工程設(shè)計、3D打印、編程控制、電子技術(shù)等知識交叉融合,要求參賽選手綜合運用多學(xué)科知識完成創(chuàng)意設(shè)計,有效地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造潛能,提升動手能力. 此類實驗課程的設(shè)計可從查閱資料并對參賽作品分析和學(xué)習(xí)入手,分單元拆解和復(fù)原,進(jìn)而延伸為原創(chuàng)[15-17].

同時,在進(jìn)行上述項目課題的實踐過程中,要進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟鸾夂秃喕?以適應(yīng)不同基礎(chǔ)的學(xué)生共同創(chuàng)作. 以2023年中國通信工業(yè)協(xié)會舉辦的全國青少年通信科技創(chuàng)新大賽——智能配送挑戰(zhàn)賽為例,賽事要求利用數(shù)傳技術(shù)完成智能配送系統(tǒng)的識別、分配、配送等一系列任務(wù). 為實現(xiàn)這一綜合目標(biāo),需要分解成通信網(wǎng)絡(luò)、智能配送機(jī)器人、機(jī)械臂、攝像頭,然后共同組合成智能配送系統(tǒng). 表2為嶺南師范學(xué)院附屬中學(xué)初中部的創(chuàng)客實踐安排(拆分智能配送挑戰(zhàn)賽STEM課程任務(wù)),每周二、四下午分別開展1課時,1個學(xué)期共36課時.

表2 智能配送挑戰(zhàn)賽STEM課程設(shè)計

需要注意的是,對于初學(xué)者較多的班級,可以增加圖形化編程的課時,加強(qiáng)基本編程語句和控制結(jié)構(gòu)的講解;對于有編程基礎(chǔ)的學(xué)生,可以適當(dāng)減少機(jī)械臂編程的課時,加強(qiáng)編程實踐和項目實踐的內(nèi)容.

拆分比賽項目,1學(xué)期搭建1個完整比賽作品,一方面增加學(xué)生對創(chuàng)客學(xué)習(xí)的興趣,另一方面增強(qiáng)學(xué)生對工程實驗的信心.

2.3 工程實驗的內(nèi)容組織

應(yīng)用技術(shù)的支持讓實驗自由度增加,意味著教學(xué)素材有了多種實現(xiàn)的可能. 組織內(nèi)容時可將傳統(tǒng)課堂中的物理、科學(xué)、信息等學(xué)科實驗做以補充,增加新興設(shè)備的應(yīng)用. 例如,采用傳感系統(tǒng)測量未知量,或在虛擬實驗平臺探究模擬物體的運動規(guī)律,或結(jié)合傳感模塊和圖形化編程軟件做出簡單的情景交互效果,等等. 圖3為學(xué)生在興趣課上利用無線接收模塊、電機(jī)控制模塊、機(jī)械傳動模塊仿造校內(nèi)后勤中心起重機(jī)改良的輪式抓取機(jī)器人. 通過該項目的制作,學(xué)生體會了軟硬件結(jié)合的工作方式,應(yīng)用計算機(jī)、機(jī)械、通信等不同學(xué)科的知識,切實體會了工程實踐的實施過程.

圖3 輪式抓取機(jī)器人

教具設(shè)計和制作也是工程教育和實驗教學(xué)有機(jī)融合的途徑,經(jīng)過對實驗原理的充分理解,自主制作實驗系統(tǒng)或其中部件,研究問題的基本規(guī)律和解決方法,真正達(dá)到“動手、動腦、做中學(xué)”的教育目標(biāo). 學(xué)校提供實踐項目支持,包括實驗設(shè)備、工具和材料,以及實驗指導(dǎo)和技術(shù)支持. 通過設(shè)計、制作專用教具,一方面讓學(xué)生在實踐項目中得到指導(dǎo),實現(xiàn)理論與實踐的有機(jī)結(jié)合;另一方面亦逐步改善創(chuàng)客實驗室的條件,形成良性循環(huán). 圖4是學(xué)生學(xué)習(xí)激光切割機(jī)和3D打印機(jī)操作過程中,自主設(shè)計制作的“操作警示牌”“3D-ONE建模教具”.

圖4 學(xué)生設(shè)計的教具

綜上所述,教學(xué)改進(jìn)應(yīng)以現(xiàn)有資源擴(kuò)展為方向,包括擴(kuò)充器材、增設(shè)項目、加深難度等橫向和縱向擴(kuò)展,綜合提升創(chuàng)新樂趣和創(chuàng)客技能. 可擴(kuò)展的內(nèi)容如圖5所示.

圖5 中小學(xué)工程技術(shù)實驗的教學(xué)擴(kuò)展內(nèi)容

3 中小學(xué)工程技術(shù)實驗教學(xué)示例

3.1 延伸傳統(tǒng)實驗

在討論力與加速度的關(guān)系實驗中,加入使用數(shù)字化實驗設(shè)備和編程軟件的環(huán)節(jié),經(jīng)過簡單的組合,可通過手的擺動力度直觀演示“力的大小與加速度成正比”的效果(圖6),增加互動的同時,激發(fā)學(xué)生對傳感器應(yīng)用等知識的好奇心. 如果進(jìn)一步將傳感模塊做成小車,設(shè)計數(shù)字信號值與測量值的比例關(guān)系,可制作測量加速度的教具.

(a)施加加速度前 (b)施加加速度后圖6 使用傳感器演示力與加速度的關(guān)系

3.2 拓寬技術(shù)應(yīng)用

選擇入門快、上手容易的軟硬件,在第一次實驗課時進(jìn)行快速制作創(chuàng)意作品實踐,首先學(xué)習(xí)操作簡單的智能化儀器,再根據(jù)工程問題的產(chǎn)生溯源理論基礎(chǔ),逆向教學(xué)避免了學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒,提升學(xué)習(xí)樂趣. 圖7是學(xué)生使用激光切割機(jī)制作的2個小作品,其中圖7(a)為學(xué)生根據(jù)廣東湛江當(dāng)?shù)胤俏镔|(zhì)文化遺產(chǎn)——雷州石狗設(shè)計的一款二維卡通造型,并用激光切割機(jī)制作出了亞克力和木質(zhì)板材2種材質(zhì)的手機(jī)支架;圖7(b)為激光切割機(jī)制作的拇指琴. 這些創(chuàng)客作品的配件只需掌握基本激光切割機(jī)操作即可在短時間內(nèi)制作完成. 通過上述作品的制作,學(xué)生能夠熟悉掌握儀器的使用,在后續(xù)教學(xué)中,教師再引導(dǎo)學(xué)生利用單片機(jī)和傳感器制作能發(fā)出提示音效的手機(jī)架和具有電子調(diào)音功能的拇指琴等,以豐富整個創(chuàng)客單元.

(a)湛江雷州石狗手機(jī)支架

(b)DIY拇指琴圖7 通過激光切割機(jī)制作的小創(chuàng)作

3.3 軟硬結(jié)合、提升思考能力

將軟件編程與硬件實物結(jié)合,設(shè)計動畫與現(xiàn)實的情景交互內(nèi)容. 如圖8所示,采用界面豐富、操作便捷的圖形化軟件和高度集成開源硬件,可實現(xiàn)舵機(jī)轉(zhuǎn)動與動畫中手掌擺動同步的效果. 情景交互題目在進(jìn)行邏輯思維訓(xùn)練的同時還模擬現(xiàn)實場景搭建,加深學(xué)生對真實工程問題的體會和思考.

圖8 Arduino情景交互編程

3.4 分享科學(xué)創(chuàng)作

物體三維結(jié)構(gòu)的認(rèn)識對于中小學(xué)生較為抽象,傳統(tǒng)課堂采用手工畫圖和講解的方法通常較為枯燥,可選用市面上針對基礎(chǔ)教育研發(fā)的建模軟件引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)建創(chuàng)作主頁,這些軟件界面色彩豐富、簡潔,其網(wǎng)絡(luò)社區(qū)還有分享功能,有利于學(xué)生在分享中獲得樂趣. 圖9為3D-One共享社區(qū)上中學(xué)生繪制的建筑模型和社區(qū)中其他中小學(xué)生的優(yōu)秀作品. 另外,分析和講解自己的創(chuàng)客作品可作為實驗項目開展,讓學(xué)生在現(xiàn)場講演的基礎(chǔ)上,拍攝創(chuàng)作步驟微課程,以短視頻形式拓寬科學(xué)普及渠道,以青少年群體喜聞樂見的方式寓教于樂,使數(shù)字技術(shù)全方位賦能教育教學(xué).

(a)3D-One共享社區(qū)

(b)學(xué)生測繪的校園建筑圖9 青少年三維建模軟件和共享社區(qū)

4 結(jié)束語

中小學(xué)創(chuàng)客課程主要的教學(xué)目標(biāo)是“造物”,“造物”過程中產(chǎn)生的問題構(gòu)成了各類工程應(yīng)用課題,要解決這些問題,科學(xué)理論的解釋和現(xiàn)實技術(shù)的支持二者相輔相成,并激發(fā)出新的技術(shù)和新的方法. 工程類綜合實踐作為開發(fā)創(chuàng)客項目的良好素材,仍待持續(xù)討論和改進(jìn). 目前,國內(nèi)的跨學(xué)科理念和創(chuàng)客教育碰撞產(chǎn)生了多元化的火花,在教學(xué)設(shè)計和課程開發(fā)方向取得了長足進(jìn)展,本文從創(chuàng)客空間打造、創(chuàng)意示例挖掘、創(chuàng)新資源整合角度提供了思考和建議.