小学创客教育新模式发展研究——以编程猫与开源硬件相结合的课堂设计与实践为例

伍璐利

（贵州师范大学教育学院，贵州 贵阳 550025）

0 引言

目前，我国正处于以创新驱动推动高质量发展的关键时期，面对快速发展的信息化时代的挑战，我国教育工作者、科技研究者以及政府工作人员不断思考如何培养人们的创新能力和创造思维以及如何培养出适应时代发展的创新型人才等问题。2021 年全国两会期间，黄庆学接受人民网专访时表示，“政府工作报告强调，坚持创新在我国现代化建设全局中的核心地位，把科技自立自强作为国家发展的战略支撑。这特别凸显了科技创新在实现中华民族伟大复兴中的重要性。”[1]而基础教育研究是科技创新的源泉，创客与教育的结合是必然趋势，创客教育于中小学开展势在必行。

创客教育不仅要体现在内容的创新，更需要挖掘更多、更加新颖的教学模式以适应信息化时代的创客课堂。而开源硬件的出现和发展为创客教育的发展提供了契机，与此同时创客教育亦促使开源硬件的发展，产生不同的开源平台。开源硬件方向的编程教育逐渐走进中小学课堂并着眼于创新思维与创造能力培养，这将成为创客教育教学新发展的方向。2018年1月5日，教育部印发《普通高中课程方案和语文等学科课程标准的有关情况》提出，要将三维设计、开源硬件、人工智能正式划入新课标，成为高中学习的必修课[2]。2020 年5 月19 日，教育部学校规划建设发展中心决定开展未来学校创新发展课题——编程课程体系与教学模式专题研究工作[3]。开源硬件支持创客教育课堂新模式的形成，两者的结合使得创客教育课堂模式的不断创新，让学生于课堂中自主探究，激发学生的创作欲望以及锻炼学生的创新思维，以此培养学生的创新能力和团队协作意识。

综上所述，创新型教育教学模式在中小学的教育中充分发挥学习者创造性思维和素养，培养学习者的计算思维以及编程能力。而与开源硬件的结合创客教育新模式契合了信息时代的精神，加快创客教育的发展，有利于培养创新人才。

1 信息技术创客课堂与开源硬件相结合课堂教学模式构建课堂

根据乔伊斯和威尔的教学模式理论，创客教学模式有五个核心构成要素，分别是：指导理念、教学目标、教学过程、评价标准和实践条件[4]。

1.1 指导理论

教学模式是基于特定的指导思想建立的，创客教学模式亦是如此。综合分析小学编程以及开源硬件相结合的小学创客教学新模式的理论基础主要包括创新教育、做中学等。

1）创新教育理论

在我国，创新教育是中央教育研究院在1998年正式提出的理念，在教育学界引起了很大的反响，并有效地推动了我国教育改革的进行。创新教育就是以培养人们创新精神和创新能力为基本价值取向的教育，而创新教育与创客教育有着一致的理念，基于此，创新教育理论为创客教学模式的构建提供了有力的理论支撑。

2）做中学理论

美国教育家杜威提出的“从做中学要比从听中学更是一种较好的方法。”即“从活动中学”“从真实体验中学”。他的教育思想主要以实用主义哲学为基础，强调应在做的过程中发展自我。即从现实生活出发，提倡从动手实践和问题解决过程中习得知识。创客教育与实际生活密切联系，通过“从做中学”，从学生的兴趣、习惯、经验和个性出发，开展教育教学活动，充分激发学生的个性和创新能力，满足学生的多样化发展的需要。编程猫与开源硬件相结合的创客教学课堂也是一种典型的“做中学”的学习活动，在课堂上，通过指导学生参与教学活动，注重学习过程而不是结果，让学生在实践中学习。因此，杜威的“做中学”理念可以为编程猫与开源硬件相结合的小学创客教学模式的构建提供理论指导。

1.2 教学目标

教学活动可通过所指定的教学目标来评价师生是否达到预期结果的标准。创客教育的教学目标是培养学生的创新实践能力以及分享意识。本研究基于创设真实情境，以任务驱动使学生在学习中体验到科学知识与技术能力的融会贯通，提高学生的解决实际问题能力与提高学生的创新思维、意识与能力，由此本研究制定创客教育课堂三维目标。

1.3 教学过程

本研究创客课堂新模式与传统的知识讲授型的课堂不同，创客教育的课堂更注重发挥学生的主体地位。教师为活动的设计者、实践的参与者和结论的指导者，平等地与学生交流讨论，适当的给出个性化的指导意见，充分营造出轻松活跃的课堂氛围，有效激发学生的创造性思维。

1.4 教学评价

教学评价是指对于教学过程及其结果采用特定的标准和原则进行评判的过程，目的是为了提升教学效果。从教学评价原则来看，创客教育新模式评价基于对整个学习过程的不断观察、反思并及时改变或调整活动计划，以取得良好的教学效果。基于此，不仅注重学生最终设计的作品的创意度，而且非常重视学生建构知识和实践能力的变化，遵循过程与结果相结合的综合评价[5]。评价主体是指主导评价活动的人与团体。评价主体应该遵循多元化原则。基于创客教育强调创新、实践、协作以及分享，教学评价以学生自评、互评以及教师评价的多元主体开展，既有助于培养学生批判性思维和作品的完善，又客观的反映出整体创客教学课堂的优势与存在的不足。

1.5 实践条件

实践条件为教学模式能够有效实施的前提条件，只有满足了实践条件创客教学模式才能有效实施。接下来通过学生、教师和学习环境三个方面因素对创客教育新模式的实践条件进行阐述。在创客教学活动中要改变传统教学中学生被动学习的角色定位，把学生作为教学活动的学习主动者，让学生主动构建知识体系，从而凸显学生的主体地位，树立学生的主体意识。而教师在创客教育课堂中充当学习引导者，为学生创设创客活动学习环境，在学生自主探究的过程中关注学生的学习实践过程，引导学生学习，辅助学生创作作品。学习环境是影响学习者学习的外部环境，是促进学习者主动建构知识意义和促进能力生成的外部条件，同样，创客课堂学习环境的构建在创客教学中举足轻重。教师为学生创建合适的创客学习环境，有效地激发学生的创造性思维，使学生充分发挥创造力，从客观层面培养学生的创造性思维和创新操作技能。

2 编程猫与开源硬件相结合教学活动实践

编程猫与开源硬件相结合教学活动实践，笔者以小学五年级信息技术第七课时“接苹果”为例进行教学实践。本次研究实践对象为XH 小学五年级（2）班的学生，一共52人。采取分小组课堂学习，将学生们分为七组，每组6-7 人。教学环境为学校计算机教室，配有黑板与白板相结合的多媒体显示系统和现代化多媒体音频扩音系统，每位学生对应一台电脑上课。上课前，给每组分发一份开源硬件实验器材。

2.1 教学目标知识与技能

教学目标：

1）认识遥杆、控制板以及数据线等开源硬件；

2）下载、安装编程猫硬件助手；

3）测试遥杆传感器的数值；

4）编写程序，学会根据遥杆值判断遥杆的方向，进而控制小车的运动方向。

过程与方法：

学生通过看视频、动手操作、小组合作探究等活动，认识和了解开源硬件及其连接，掌握和理解通过遥杆值判断遥杆的方向进而控制小车的运动方向的方法，发展学生的动手、合作探究的能力。

情感态度与价值观：

1）通过完成通过遥杆控制小车移动接苹果的任务，体验通过编程猫给开源硬件编程的乐趣，提高学生学习欲望；

2）通过合作学习，提高学生小组合作的精神。

2.2 教学过程

2.2.1 认识遥杆等开源硬件

认识遥杆等开源硬件这节课主要是为了让同学们学习如何用遥杆控制小车接苹果。在授课期间，首先向同学们展示遥杆控制器（图1）、ELF mini 主控板（图2）、RJ11 连线（图3）、数据线（图4）这四个开源硬件，并让同学们自由讨论这些硬件都有什么作用。随后笔者再向同学们一一介绍这些硬件的用途。比如遥杆的用途是用来控制游戏画面中的飞机，也可以用来控制真正的飞机；ELF mini主控板是支持编程猫软件编程的；RJ11 连线是用来连接主控板和遥杆控制器；数据线是用来连接电脑和主控板。通过向同学们展示实物并展开自由的讨论，以此来激发同学们的学习兴趣和认知能力。课堂结束之后笔者进行了教学效果调查，调查发现全班52名同学都认识并了解了开源硬件，教学效果极好。

图1 遥杆控制器

图2 是ELF mini主控板

图3 RJ11连线

图4 数据线

2.2.2 遥杆的测试

通过认识遥杆等开源硬件这节课，同学们对开源硬件有了清晰的认识，随后循序渐进地进行遥杆的测试这节课。上课时向同学们发出提问：“我们怎么用遥杆控制小车呢？”然后请同学们进行小组讨论。经过讨论之后小组同学得出讨论结果：测试遥杆值。经过前面的探讨然后要求同学们亲手操作，实现遥杆值的测试并把测试结果记录下来。之后要求小组汇报所测得的结果，并分析结果存在差异的原因，即遥杆摆放的位置不同。最后拨动遥杆，向同学们提问遥杆数值变化的范围与遥杆摇动的方向有什么关系？经过同学们的探讨之后得出结论：如图5显示，不拨动遥杆时，显示为50；当向左拨遥杆时，遥杆x轴上的值在0～50；当向右拨遥杆时，遥杆x 轴上的值在50～100。因此，我们可以根据遥杆值的大小判断遥杆的方向，进而控制小车运动了。

图5 不拨动遥杆时数值显示

2.2.3 遥杆的应用——控制小车运动

最后一堂课讲授的是控制小车运动。在前面两节课的学习中同学们已经掌握了开源硬件和摇杆测试等相关知识。此时要求同学们根据上节课总结出来的规律，尝试着编写程序，完成今天的任务：通过遥杆控制小车运动，完成接苹果的游戏。如果还有不明白的小组可以观看老师录制好的视频。当同学们完成程序编写后，教师提出问题并与学生一起分析，请学生点评修改，同时引导学生重点注意3个问题：1）如何正确获取遥杆值？2）用什么指令判断遥杆的摇动方向？3）如何让小车在松开遥杆时停止？然后学生继续完善程序编写。

2.3 作品创作对比分析

经过《接苹果》编程猫课程与开源硬件相结合教学活动实践的课堂中，收集班级学生的作品，通过对比分析可以发现使用开源硬件课堂之前，学生在类似的编程课堂上只是为了完成任务，几乎完全照搬书本的设计方案和模仿教师课前演示的范例，完成作品效果较差。而本次采用创客教育的新型教学模式，学生作品提交的作品都是通过试错后不断改进进行设计的，且程序都能够执行，而且还在原设计程序的基础上更改角色属性和运动方式，制作创意产品。学生作品完成率、创新率，均有显著提升，所以采用创客教育新模式教学课堂效果显著。

2.4 交流与访谈

课堂结束后，笔者与4名听课教师进行访谈交流。通过访谈发现本次创客教育新模式实践活动中，课堂氛围更加活跃，学生积极性更高。大部分学生都能够想出解决方案，而且愿意尝试更多的方法设计自己的作品。学生还主动进行创作学习和分享，在分享的环节都积极分享问题的解决方案以及自己的想法。听课老师认为本次创客教育教学过程设计得很新颖，教学步骤完整高效，以任务驱动式提高学生的自主探究能力以及创新创作能力，激发他们的学习热情、创作思维，小组讨论、协同合作完成创作还能够锻炼他们的合作能力，作品展示与分享对提高学生表达能力和自信心有很大帮助。

综合作品评价、访谈老师的情况表明在本次创客教育新模式中，学生获得良好的学习体验，对开源硬件熟悉掌握，并且对编程越来越感兴趣。学生互相交流分享创作，课堂作品完成效果提升。综上所述，编程猫与开源硬件相结合的创客教育新模式激发学生对编程的学习兴趣，提高了学生发现问题、解决问题的能力，同时也提高了学生的创新思维能力和合作意识，教学效果显著提升。

3 总结

基础教育中开源平台和创客教育的推广是未来发展的趋势，并且将设计型学习的理念融合在创客教育中，带来创客教育的新方向。笔者对小学创客教育教学模式研究时间不长，尚处在探索阶段，笔者认为小学阶段是学生思维发展的一个关键时期，开展编程课程是培养学生计算思维的一个重要途径。因此，开源硬件对于基础编程教育的推广性的研究有着重要意义。

在信息时代，社会对青少年提出了更高的要求，在学习传统知识的同时，要紧跟社会发展潮流，作为一名信息技术专业的学生，要不断地提高自己的信息素养。要求我们每一位信息技术教育者，尤其是各学科教师应该努力深造，选择合适的教学内容与方法，不断优化教学过程，为教育事业发挥更大的作用。