智慧教室支持下的计算机应用类专业创客教育研究

沈衍彤

（深圳大学师范学院，广东 深圳 518061）

以互联网、大数据、人工智能等新兴技术为核心的新科技产业革命越演越烈，以此形成的新经济快速发展并对新型人才产生迫切需求[1]，同时国家积极推进“大众创业，万众创新”，创新成为新时代人才竞争的标签。《地平线报告（2019 高等教育版）》指出，高校在推进创新文化，培养复合型创新人才上发挥重要作用[2]，计算机应用类专业人才更是这场革命的重要驱动力。而目前大多高校的计算机应用类专业学生的学习时间和场所有限，学生难以熟练掌握专业技能，提升综合能力素质。高校计算机应用类专业的教学应该更具创新与活力，在学生熟练掌握专业技能的同时，培养学生多方面的能力和素养，以符合创新人才培养的要求。“互联网+教育”为其提供了改革的潜力：以“创新、设计、实践、分享”为核心特征的创客教育与创新人才改革的要求相吻合，与计算机应用类专业技能培养目标相契合；面向教育现代化的智慧教育也为高校改革提供了契机。计算机应用类专业的教学应紧紧抓住“互联网+教育”的机会，结合当下教学改革的热点进行改革。本文从计算机应用类专业的教学模式出发，结合创客教育与智慧教育的特质，构建一种智慧学习环境支持下的创客教学模式，希望能提升学生的专业素养，促进创新型人才的培养。

1 计算机应用类专业教学改革的必要性和可能性

1.1 计算机应用类专业教学的现状

计算机相关专业的人才培养模式、教学体系仍存在很大缺陷，明显滞后于经济和社会的发展。首先，计算机行业本身具有很大的包容性，其市场与社会的其他领域深度结合，而目前计算机应用类专业主要专注于自身的专业理论和专业技能的学习训练，对其他领域和专业关注甚少。[3]其次，新时代的计算机应用类专业应该注重学生实践能力和创新能力的培养，但很多高校仍采用以教为中心的教学模式，形式单一，枯燥乏味，不利于激发学生的学习动力。加上课时和学习场所的限制，课后师生沟通少，学生的实践经验不足，综合素养不高。

知识型输入的教学模式显然已不适应如今的大众化教育，难以应对“学生在校时间的有限性和知识的无限性的矛盾”以及“教育的基础性与探索与创造的未来性的矛盾”。[4]新时代下的计算机应用类专业的人才培养不仅要求学生掌握扎实的专业知识和技能，还需培养学生各方面的能力与素质，然而其专业的高素质人才培养的意识有待加强、其传统的教学模式有待改革。

1.2 创客教育与计算机应用类专业的联结

创客教育是融合信息技术、培养创新型人才的有效教育模式，它将动手操作、实践体验理念融入各学科的教学过程[5]，成为学科教学改革的新型模式。计算机应用类专业与创客教育有很高的契合度，二者的融合能构建一种全新的教学模式。其一，计算机应用类专业的教学以程序设计、语言编程、电路与电子技术等相关技术和应用为主，实操性强；而创客注重实践，电子技术与编程技术是创客常用的技术，与计算机应用类专业的技能培养要求非常契合。其二，创客教育强调创新、设计、实践、分享[6]，计算机的编程实际是一个创新和设计的过程，这与创客教育培养创新能力的理念一致。如果把创客教育融合到计算机专业中，创客教育的“做中学”理念还能够激发学生的学习兴趣，培养其自主学习的能力，有利于解决学生实操机会不多、创新能力不足的问题。其三，创客课堂具有整合性、研创性、协同性特征。[7]整合性指跨学科、跨领域学习，与计算机行业的包容性、多领域的特性不谋而合；而研创性和协同性则能促进学生综合能力和素质的培养。因此，把创客教育融合到计算机应用类专业的教学，一定程度上能够提升学生的专业素养、创新能力和综合素质。

1.3 创客型智慧教室的技术支撑

我国目前的创客教育主要应用于中小学的教育改革中，高校的创客教育则遇到很大的瓶颈。大部分高校的创客活动都以创业大赛为主[8]，即使少数高校创办了多学科整合、多领域融合的创客空间，但学生对此积极性不高，效果并不理想[9]。高校的创客活动不同于中小学，其项目耗时长、对技术要求高，而高校的学科课程有固定的课时，在技术要求和学时分配上难以实现在高校学科内开设专门的创客课程。

互联网技术和新一代智能技术的发展，为创客教育与高校学科整合提供了可能。“能优化教学内容呈现、便利学习资源获取、促进课堂交互开展,具有情境感知和环境管理功能”[10]的智慧教室逐渐发展成熟。杨现民等人指出，要应用好“互联网+教育”的资源生态，推进创客教育的学习资源建设，并建立相关案例库，探索其共享机制[11]。利用物联网、云计算、大数据、泛在网络等技术，把传统的创客空间打造成创客型的智慧教室，能够打破时空的限制，提升其教学环境、教学活动、教学管理，一定程度上能够解决高校创客活动时间不足、专业知识和技能针对性弱、共享性低等问题，能很好地为创客教育实现共享和应用模式。三者关系如图1所示：

图1 计算机应用类专业人才培养、创客教育和创客型智慧教室之间的关系

创客型智慧教室通过融合新媒体新技术，建设集智能化教学、管理与服务于一体的创客学习平台，搭配能够远程访问的终端器材，为高校计算机应用类专业的创客教学模式提供技术支持。

综上，计算机应用类专业当下亟需改变其教学模式以适应社会发展的要求，其人才培养不仅要求具备扎实的计算机专业知识技能，还需具有很强的创新能力和跨学科、跨领域的知识储备。创客教育与计算机应用类专业的融合是其教学模式改革的新途径，创客型智慧教室则为二者的融合提供了技术上的支持。三者共同构成了计算机应用类专业新型教学模式的可能性。

2 面向计算机应用类专业的创客智慧教学的典型特征

2.1 智慧教室支持下的创客活动

创客活动主要发生在创客空间，传统的创客空间有明显的时间和空间限制，而创客活动持续时间长，活动时间不固定，不利于学生开展创客活动，创客型智慧教室则能很好地解决这个问题。刘邦奇提出了智慧课堂3.0“云-台-端”的基本架构[12]，为教学内容呈现、学习资源获取、促进课堂交互、教学环境管理等方面提供了巨大的可行性。创客型智慧教室亦可以采用“云-台-端”的体系架构，利用大数据、云计算、物联网等新一代信息技术搭建智慧教室，创设虚实结合的交互化、数据化的智能创客学习环境，支持线上线下的学习和创客活动。

其中，智能创客学习平台为线上创客活动的交流和实践提供了可能，云服务则为学习平台的数据资源存储、处理和服务提供环境支撑。创客型智慧教室的计算机终端、移动终端，麦克风、窗帘、灯等环境终端和可联接的创客活动器材通过物联网、泛在网与学习平台相联，这样便实现了“云-台-端”一体化的互联，为师生线上和线下的学习、交流、分享、协作实践带来了便利。

2.2 丰富共享的创客教学资源

为了使学生在线下教学中有更多时间实践、协作、向教师寻求指导，专业理论知识和与创客相关的理论知识需要放到课前和课后学习，兼顾其跨学科多领域的特征，丰富快捷的资源检索尤为重要。对于计算机应用类专业的学生来说，在知识学习上主要为本专业的知识学习，但由于跨学科性质，学习平台应提供以计算机专业知识为主、创客知识和跨学科知识为辅的资源学习。学习资源包括系统自带的资源库、网络检索资源、教师和学生上传的共享资源库等。其形式可以是图片、动画、音频、视频、网页等多样的富媒体资源。其内容包括多媒体课件、网络课程、创客案例、专题学习等。在繁多复杂的资源中，学习平台会根据学生的个性化推送学习资源或互联网检索的关键词。另外，学习平台也为教师提供了教学案例、教学设计等资源。师生可以在此自由浏览和分享学习资料、项目案例、课件等教学资源，上传共享使得平台的教学资源不断丰富更新，为创客教学提供巨大的资源保障。

2.3 项目式的创客教学

项目式学习是开展创客教育的典型特征之一，其创客教学内容设计的核心就是项目的设计[13]。这与计算机应用类专业的实践项目有异曲同工之处，其创客教学适合以项目的形式开展。具体来说，创客有电子创客、教育创客、文化创客等类型[14]。计算机应用类专业强调知识学习和技术实践，其创客活动可以以电子创客为主，融入跨学科知识及其应用[15]。项目式的创客活动在其过程结合了“做中学”、探究性学习、设计型学习和协作式学习等学习方式，能够培养学生以创新能力为主的综合能力素养。

3 面向计算机应用类专业的创客智慧教学模式构建

3.1 创客型智慧教室设计

智慧教室支持的创客活动是创客智慧教学的主要特征，借鉴刘邦奇的“云-台-端”框架，打造线上与线下结合、虚拟与现实结合的创客型智慧教室，其基本架构如图2所示：

图2 创客型智慧教室的基本架构

（1）智能创客学习平台

智能创客学习平台是支持创客课程教学的核心部分。包括学习资源库、创客项目库、检索中心、学习评价系统、数据分析、智能通讯、控制管理等功能模块。平台本身内嵌计算机相关专业和创客相关的学习资源库和项目库，包含大量理论知识、案例分析、常用的学习链接等资源，同时可以通过检索中心的互联网检索其他需要的资源。师生可以在平台上方便快捷地搜索、上传或下载资源。以云计算、大数据为技术支撑的数据分析可以记录师生的活动情况，分析教师的教学情况和学生学习情况，并进行反馈，为师生推送合适的教学资源，帮助完成学习评价等。学习评价系统包括知识学习评价、创客活动评价、教学环节评价等。除了师生自主评价外，也可以通过数据分析辅助评价。智能通讯则为师生进行线上创客活动，分享成品，讨论交流，疑问解答提供文字、音频、视频的即时交互。远程访问实验室能够通过摄像头和传感器远距离查看和控制设备，允许参与者在分散的地点创建和进行创客活动并下载实时数据[16]。一方面，师生可以随时随地在远程访问实验室完成创客作品的设计和程序调试，甚至进行部分创客活动。另一方面，远程访问实验室与智慧教室的工具器材终端互联，可以对激光切割、3D打印等耗时较长的活动进行远程操作。

（2）智能云服务

创客型智慧教室同时也为教师提供智能化教学和管理服务，为学生提供智能化的学习服务。包括学习资源的管理、教师的微课管理、学生信息数据的管理、学习评价管理、创客活动管理等。

（3）智能终端

智能终端主要包括师生智能端，教学环境端和创客活动相关的工具器材。师生智能端主要包括平板、电脑、手机等设备；教学环境端包括活动桌椅、触控一体机等教学设备；创客活动相关的工具器材包括3D打印机、数控机床、焊接工具、五金零件、开源硬件等创客活动常用器械，部分可与学习平台的远程访问实验室相联，通过远程访问开展虚拟或真实的创客活动。

3.2 创客教学活动流程设计

面向计算机应用类专业的创客教学是线上线下结合、虚实结合的混合式教学。利用智能创客学习平台进行课前、课中和课后的教学；远程访问实验室提供虚拟或现实的创客实验活动。根据Allen等人的观点，创客学习的过程可以分为开始阶段（Getting Started）、项目探索阶段（Experimenting）、原型设计与实现阶段（Prototyping）、整合反馈阶段（Integrating Feedback）[17]。其线上活动以创客型智慧教室为依托，供师生课前和课后学习、交流分享。通过组织项目式创客活动，学生以小组协作的形式在项目设计和实践的过程中学习知识，培养学生专业素养、实践创新能力和协作能力。智能创客学习平台的多种模块功能在相应的教学环节中发挥主要作用，而智能云服务和智能通讯为师生提供了即时通讯和管理服务，贯穿创客教学的整个过程。教学活动的流程如图3所示：

图3 面向计算机应用类专业的创客智慧教学活动流程

（1）开始阶段

开始阶段是创意的形成阶段。教师首先根据实际观察和系统对学生学习情况的数据分析做好学情分析，确定教学目标，并针对教学目标进行项目设计。项目的设计是创客教学的重要环节，往往会影响整个教学活动的效果。Martinez认为创客项目应遵循8个原则：目的性和相关性、充足的时间安排、复杂性、高强度、联结性、资源的可达性、分享性、新颖性[18]。其一，目的性和相关性。总的来说，结合计算机编程的特点，设计的项目偏重编程的实践，以逻辑程序类和电子机械类的创客为主，学生在项目中学习和创新，主要培养专业技能和创新能力。具体而言，根据具体的教学目标来确定项目的目的性和相关性。其二，充足的时间安排。创客型智慧教室提供线上线下结合的学习环境和虚实结合的远程访问实验室供学生学习和开展创客活动，加上师生智能通讯的便利性，利用课堂和课余时间，便有充足的时间完成项目作品的制作。其三，复杂性和高强度性。由于学生的知识和能力水平的差异，创客项目由容易到困难，由简单到复杂，并整合多种学科知识，具有复杂性。其利用课堂和课外时间进行学习和实践，具有高强度性。其四，联结性。教学活动的开展并没有局限于课堂，而是联合线上线下和远程访问实验室进行教与学，师生在课堂和课后都保持良好的交流和互动。其五，资源的可达性。智能创客学习平台提供大量的学习资源，创客智慧教室具备常用的器械工具，学习资源和学习设备充足。其六，分享性和新颖性。分享是创客的重要特质之一，在学生作品完成后教师在课堂和学习平台上组织作品的展示、分享和评价。同时应注意项目设计的新颖性，尤其计算机应用类专业需摆脱枯燥的理论学习和编程设计，培养创新型人才，一个新颖的项目往往能激发学生的创客活动兴趣和创新意识。总而言之，在创客项目的设计上，偏重计算机专业知识的学习应用，也应注意与跨学科知识整合；同时考虑计算机专业复合型、创新型人才培养的目标，设计的项目应更具开放性和创新性。

由于课堂的时间有限，在项目设计完毕后，教师在课前把项目及其要求发布到新的项目库上，同时上传学生需要学习的资源，包括教师制作的微课和其他线上学习资源。学生根据项目的内容和要求在平台的资源库查阅资料并通过文字、语音或视频发表意见，共享学习，初步激发创意。

（2）项目探索阶段

项目探索阶段主要在课中实施。教师进一步解释说明项目的具体要求，制定好项目的标准，并组织学生交流，教师会提出相应的指导建议。接着教师组织小组分组。各小组根据教师的建议进行组内分享交流，完善创意，明确具体任务，制定详细的计划并确定小组各成员的分工。在学生制定计划的过程中若遇到困难，教师应及时给予合适的指导建议。师生在项目探索过程中可把需要记录的重点信息保存至该项目库上。

（3）原型设计与实现阶段

原型设计与实现阶段是学生的实践阶段，从原型设计到测试评估是一个不断循环迭代优化的“设计-再设计”过程。因此，作品的实现主要占用学生课后的时间，这就要求使用创客型智慧教室的远程访问实验室和即时通讯来保障师生的及时交互和项目的顺利完成。当学生课后无法现场使用智慧教室时，可以通过远程访问实验室完成创客作品的调试和部分结构制作。学生可以在虚拟环境下对作品的结构进行虚拟搭建，根据系统模拟的情况来完善结构设计；通过远程访问把代码传输至智慧教室里的电子模块进行程序调试；对于激光切割、3D打印的这些耗时长、易进行物联的设备可以远程下达指令；在创客活动中遇到的问题可以通过查阅资源库的相关资料或请求教师在远程访问实验室进行操作演示。教师则观察学生的课中和线上活动并给予指导。

（4）整合反馈阶段

整合反馈阶段为学生的成果展示和交流、师生的总结反思，主要在课堂和课后完成。课堂上学生把作品上传至创客项目库，教师组织学生进行作品的展示、分享、交流、评价，针对学生的作品和整个项目的完成情况进行总体评价并提出建议。课后师生可在学习评价库上进行评价，总结反思整个活动过程的不足，针对重点难点进行线上讨论；教师总结反思在教学上的不足。

（5）教学评价阶段

创客教学的评价应该是多元的。学习评价包括形成性评价和总结性评价。从评价主体看，可以分为教师评价、学生自我评价、小组同伴评价；从评价方式看，由于智能创客学习平台的学习评价库会记录师生线上活动的全过程，可以依据评价库的数据分析和师生线上评价、教师观察、作品的质量等因素进行评价。教师主要通过参考平台数据分析的评价、对评价对象的创客活动和学习活动的观察、线上的学习分享交流情况进行评价；小组同伴根据评价对象在项目实施过程的表现评价；自我评价注重项目学习过程中对组内贡献程度和自身的反思。总结性评价根据成果展示中的作品的创意程度、技术应用的复杂程度、完成程度评价。教师、小组同伴、学生自我进入平台的评价系统进行评价。学习评价有利于学生通过自我反思认识自我、学习他人优点，不断提升创新素养和应用技术能力。

4 面向计算机应用类专业的创客智慧教学案例分析

在计算机应用类专业中选取教育技术学专业进行创客教学分析。教育技术学本科专业与计算机应用相关的课程主要有数字媒体技术相关课程、网络技术相关课程、编程语言类课程、数字电路类课程。其创客课程的设计可以偏重电子技术和编程技术。

以创客项目“班级音乐会”为例。在开始阶段，教师首先根据学习者特征和学情需要设计项目“班级音乐会”。学生自学能力和思维能力强，教师无需为学生提供太多引导，学生应拥有较大的自主性和自由度。学生自主学习为主，教师充当指导者的角色。“班级音乐会”是教学后期的项目，这时的学生已完成了由易到难的各种项目，创客经验丰富。结合平台的数据分析，学生编程能力和创客能力强，适合挑战高难度的项目。根据Martinez提出的8个创客项目设计原则，设计复杂和高强度的项目“班级音乐会”，项目过程为8个课时。学生通过编程开源硬件和搭建结构来模拟音乐会现场，如乐器演奏、灯光控制、唱歌舞蹈等。设计项目后在学习平台的创客项目库上创建新的文件夹“班级音乐会”，在整个项目过程中与该项目相关的资源信息都可以上传至该文件夹上。该项目可能涉及到的智能机器人相关编程对学生而言难度较大，教师可录制相关微课并把相关的资源推送给学生。学生到平台查看项目要求并在资源库自主学习，线上交流初步的创意。

项目探索阶段主要教学场所为创客型智慧教室。触控一体机、活动桌椅等为创客活动的师生交互和小组协作带来便捷。教师首先向学生阐述项目的具体标准：这是集体合作的项目，每个小组负责项目的一个作品，最后由各小组共同模拟演奏一场音乐会。利用活动桌椅的便捷性，学生在教师的组织下分组讨论项目设计的可能性，并通过触控一体机与师生分享组内创意。随后教师结合其想法提出建议，确定小组的项目作品任务，学生根据任务，组内完善创意并确定成员分工，其中有意义的资源和创意可随时上传至项目库与组内成员或其他师生分享。

在原型设计与实现阶段，各小组学生首先进行原型设计，主要包括编程功能实现和结构搭建设计。如模拟乐器演奏可以采用音频采集卡、电机、蜂鸣器、木板等开源硬件及器械进行结构设计和编程，随后进行作品制作和测试评估，不断迭代优化。这一阶段除了线下的课堂外，还可借助智慧教室的线上功能来实现。远程访问实验室协助作品制作和测试，遇到困难时可在各个资源库查阅资料或请求远程协助。教师则主要观察学生线上和线下的学习活动并给予及时的指导。

在整合反馈阶段，各小组分享作品后共同演奏“音乐会”，随后把各作品录入班级的创客项目库，师生以此进行评价和总结反思。教学评价根据学生的课堂表现、线上学习活动数据、项目的成果等方面由师生进行形成性和总结性评价，其评价亦可录入评价系统以便为以后创客教学的设计开展提供数据分析和经验总结。

5 总结和展望

计算机应用类专业的传统教学模式导致学生存在专业素质不高、创新能力不足等弊端，显然不适应新时代复合型创新人才培养目标。在“互联网+教育”的背景下，计算机应用类专业亟需突破传统的教学模式，以适应信息化教学和创新人才培养的特点。因而笔者提出计算机应用类专业与创客教育相整合的教学模式，该模式以创客型智慧教室为依托，在线上线下结合、虚实结合的学习环境下，融合创客教育、以项目式小组协作的形式展开教学活动。在项目式的创客活动中，学生通过“做中学”“创中学”学习专业知识，拓展跨学科知识，提升专业素养，培养创新意识和协作能力。创客活动分为项目开始、项目探索、原型设计与实现、整合反馈、教学评价五个阶段，每个阶段融合了创客教育的理念，在智慧教室的支持下克服了要求学生掌握扎实的专业技能、提升创新能力与有限的学习时间和实践机会之间的矛盾，保证了教学活动的有序进行，促进了学生的专业素质和综合能力的培养。但其教学模式的构建仍处于初级阶段，创客型智慧教室的具体搭建仍需更加完善，其教学模式也需不断在实践检验中改进。