创客空间支持下STEAM课程群建设

创客空间支持下STEAM课程群建设

谢作如 刘正云

【摘   要】创客教育的实施离不开创客空间，支撑创客空间的运行需要STEAM课程的实施。温州中学自2008年建立创客空间以来开展了各种STEAM课程，并在课程开设中实现课程结构的扁平化及教学实践的环环相扣，效果良好。本课题以此为基础，旨在开发以创客空间为课后活动场所，围绕科学、技术、工程、艺术、数学等学习领域组织、规划的一系列校本课程，以培养学生的STEAM素养和实践能力及问题解决能力。

【关 键 词】创客教育；创客空间；STEAM课程群

【作者简介】谢作如，浙江省温州中学信息中心主任；刘正云，南京师范大学教育科学学院教育技术硕士研究生。

随着创客文化的风起云涌，创客思想以其开源、共享、鼓励创新等特性受到大众认可，创客教育也随之兴起。创客教育和STEAM教育（科学、技术、工程、艺术、数学）有着天然的联系，其基于真实世界和基于项目的学习特征，对青少年科学技术实践能力的培养有着重要的作用。同时，创客教育关注软硬件相结合的技术，能有效弥补基础教育中的缺失。在国内专家呼吁信息技术与通用技术及综合实践活动、研究性学习等科目合并以提高青少年实践能力和综合运用能力的同时，创客教育以其独特的价值引起越来越多科技教育者的关注。

创客教育的实施离不开创客空间的建设。事实上，创建创客空间的过程并不复杂，但培养真正的创客很难。创客空间背后相应的课程设置，将是支撑其不断运行并发展壮大不可或缺的因素。创客空间的可持续运营需要怎样的创客课程作为支撑？由各个毫无关联的动手项目零散地拼凑抑或形成具备一定逻辑的课程体系？本文结合温州中学STEAM选修课程建设的经验，依托创客空间研究STEAM课程群的体系架构和教学实施，将创客活动与学校特色课程结合起来，形成可复制的特色科目群。

一、STEAM课程群内涵

课程群是有紧密联系的课程集合，不是其简单相加，能摆脱课程的单一性。一般而言，课程群有两大属性。一是课程内容相关性。课程群的课程紧紧围绕教学体系或培养目标展开，课程间的知识、方法、问题等逻辑联系愈加外显，有效促进学生知识的贯通及迁移应用。二是课程内容整合性。通过对课程群的整体规划设计来填补空白，删除重复课程，实现整体效益的最大化。因此，课程群的内涵可以界定如下：课程群是为完善施教对象认知结构，将本专业或跨专业中若干知识、方法、问题等有内在逻辑的课程加以整合而形成的课程体系。[1]

创客空间支持下的STEAM课程群是在课程群的内涵指导下建设及完善的。STEAM课程强调对学生科学素养、技术素养、工程素养、艺术素养以及数学素养的培养。STEAM课程群建设过程中的关键点在于各课程知识点的融合与分解。“融合”是有意识地减少甚至消除重复的课程内容，“分解”则是对课程进行再设计的过程，经过“融合”和“分解”，能凸显核心课程内容，有利于学生STEAM素养的培养和实践动手能力的提高。由于划入课程群内部的课程本身既相互关联又彼此独立，课程设计者需要对STEAM课程群的内容非常熟悉，其对内容进行融合和分解操作的优劣直接影响课程效果。在STEAM课程群中，科学、技术、工程、艺术及数学素养不是割裂地存在，而是有机结合的，因而跨学科学习是课程的核心内容。但是，STEAM课程并非一定要均衡地承载科学、技术、工程、艺术及数学这五门学科领域的内容，不同的课程各有侧重，不需要拘泥在STEAM的学科组合上，如《Arduino创意机器人》偏重于智能控制、《互动媒体技术 》则偏重于媒体交互。

二、温州中学创客空间建设

创客空间是一个具有加工车间、工作室功能的开放实验室。温州中学的创客空间建立于2008年，原是科技制作社的活动场所，2013年向全校学生开放。创客空间器材清单如表1所示。其中，3D打印机、小型车床、焊台等工具是其标配。Arduino作为最著名的开源硬件，是STEAM课程群的主要实施平台，配制的相关套件数量可供大班教学；Raspberry Pi、Banana Pi、pcDuino等多种硬件平台，用于学生项目研究、实际开发创造或教师演示；小型激光雕刻机、3D打印机等加工工具，方便学生加工各种结构件；各类成品、电子类书籍、设计创造类书籍给学生提供良好的自学支撑。

温州中学创客空间是独立于学生机房、教室的存在，与校园图书馆相似，全天开放。创客空间里，创客指导师通过各种创客分享活动，鼓励不同年级、不同班级的学生观察生活、发现问题,研究跨学科的综合性项目，提升技术并交流创意。创客空间鼓励学生在保证自身安全的前提下，动手使用各种金属、木质、塑料甚至电子工具进行创作，将想法转变成现实。

创客空间亦是STEAM课程学习者练习、巩固、拓展的活动场所。学生通过选修课习得了基本工具、基础知识与技能之后，可前往创客空间进行深度学习、作品制作、创意实现等。创客空间提供的3D打印机、电烙铁、基础电子套件等多样化器材与加工工具及创客指导师的深入指导、跨年级、跨班级同学之间的交流学习，都是学生学习STEAM课程坚实有力的保障。

三、STEAM课程群建设与实践

（一）扁平化的课程结构

创客空间支持下的STEAM课程群包含的各门课程在内容上相互独立、课程目标各不相同，但彼此之间又是紧密衔接、互相依靠的关系。如图1所示，各种STEAM课程组成了STEAM课程群，是一种扁平化的课程体系设计。考虑到STEAM做为校内选修课程，很难自行建立严密的课程知识体系，扁平化看似简单，其实是一种睿智的选择。各门STEAM课程的学习虽然没有规定其前后关系，但其难度通过不同星级予以区别，其中一星最易、三星最难。在高一第一学期，基本上以开设一星难度的STEAM课程为主。

《Arduino创意机器人》课程选择国际最著名的开源机器人平台Arduino，遵循STEAM的教学理念，结合打孔器、3D打印机、激光切割机等工具，DIY个性化的机器人，培养学生的设计能力、动手能力、逻辑思维能力和实践创新能力。

《跟我学App Inventor》课程结合MIT实验室的App Inventor软件展开教学。学生在运用App Inventor平台进行手机应用创意开发时充分利用手机上的各种传感器对实际获得的数据进行建模、应用。

《互动媒体技术》课程是一门涵盖计算机、智能手机、传感器技术和人工智能技术相关教学内容的课程。通过研究互动媒体作品中“有趣”的人机互动技术，学生可以自己动手设计、制作互动媒体作品，体验技术在生活中的应用，提高STEAM素养。

《物联网与大数据》课程关注的是物联网技术。学生根据实际需求来搭建硬件、编写程序，模拟实现物物相连。该课程可提高学生阅读Arduino程序的能力，学会基本程序修改及利用物联网解决实际问题。

《数学视界下的3D打印》课程设计了“初识 3D 打印”“3D 数学博物馆”“SCAD 基本操作”“SCAD 基础立体模型”“SCAD 基本语言”“SCAD 综合应用”等专题，使学生了解数学 3D 建模的过程，重在培养学生的建模意识，提高学生的推理论证、运算求解、数据处理、语言组织、语言表达等基本能力。

从上述培养目标中，可看出该STEAM课程群内容丰富，重点突出，能很好地培养学生综合运用学科知识(生物、化学、地理、物理等)理解并改造自然界的能力，正确理解、使用、管理以及评价技术的能力，发现以及解决真实情境下数学问题时的逻辑分析与交流能力以及对技术的工程设计与开发过程的理解能力。

（二）环环相扣的教学实践

STEAM课堂强调学生在“杂乱无章”的学习情境中的设计能力与问题解决，要求学生将学习到的各学科知识与过程转变成探究世界相互联系的不同侧面。在教学过程中，大部分STEAM课程采用项目学习法，将课程内容分解成具体项目进行教与学，把知识讲解和实际实践有机地整合在一起，给学生充足时间在实践中解决实际问题。例如，《Arduino创意机器人》将课程分为三个单元，从LED、风扇、小车三个方面进行项目聚类（见表2）；《跟我学App Inventor》将课程分为入门篇、游戏篇、学习篇、实践篇（见表3），通过由浅入深、循序渐进的课程内容，最终要求学生能完成一个功能相对完整的APP。

另外，本STEAM课程群在开设中需要注意以下几点。一是课程开设时间。为了确保学生的实践时间，STEAM课程基本上采用两节课连上的方式开展；二是学生选课规则。本STEAM课程群中的几门课程都是作为选修课供学生自由选择的。学生每次只能选择一门课程，且不能重复选择；三是课程软硬件平台。本STEAM课程群中，基本采用开源软硬件为课程平台，如在硬件方面采用Arduino、树莓派等，在编程方面采用ArduBlock、Mixly、App Inventor、Scratch、S4A和Processing等软件，在3D建模方面则分别使用SketchUp和OpenScad等。

四、STEAM课程群实施影响

（一）对学生的影响

学生根据STEAM课程所学的知识、技能，消除对先进技术的畏惧心理，掌握先进科技理念，提高动手能力，增强发现问题、解释问题并解决问题的信心。很多在STEAM课程学习中掌握“造物”能力的学生在课余时间常停留在创客空间，并制作出很多出色的作品。

例如，多合一遥控机器人的制作：学生将遥控器与手机合为一体，用更多的方式（如语音）去控制小车，根据手机发出的不同指令，小车实现相应效果，制作出会跑、会发光、会唱歌、会讲故事的智能小车；又如，Flaperon远程实验平台：该平台基于网络，利用RTMP流媒体、Flash、JavaScript、PHP等技术，以MySQL为服务器数据库系统，通过平台提供的API与实验端设备连接实现远程实验的开放平台，可扩展性强、简单易用、可实现实时实验操作、数据共享分析，可应用于水质监测、萌宠养殖等方面；再如，基于物联网平台的小鸡孵化实验：学生以Arduino为平台控制加热器设计出小鸡孵化器，将温度、湿度传感器的数值上传到Yeelink平台，以WEB图表的形式展示出来，供学生进行深入研究。同时，通过电子设备的摄录观察到小鸡破壳出蛋的全过程。学生在该实验中将课本上的物理、生物知识灵活地运用到具体情境中，既增添了对学科的学习兴趣，又真正地体会到了“做中学、玩中学”。这些学生由于在“造物”方面的科技特长而在国内各大高校的自主招生中脱颖而出。尤其值得高兴的是，这些经过STEAM课程学习的学生对自己的爱好有了明确的认识，在高考选择志愿时都有一个明确的职业规划和为之努力的奋斗目标。

（二）社会影响

温州中学创客教育的实施已经成为我国创客教育的一个范本，《中国教育报》《浙江教育报》等媒体都对其进行了报道。仅2014年，就有数十个来自全国各地的教育团队前来参观。《互动媒体技术》《Arduino创意机器人》《数学视野下的3D打印》等课程先后被评为浙江省精品选修课程，由7门课程入选浙江省推荐网络选修课程。此外，学校还承担了温州市创客教师培训的任务。

在建设STEAM课程群的同时，学校将相对成熟的课程传到网络上，进行开源共享。《Arduino创意机器人》为国内第一个完整的开源课程，提供了所有课程资料，包括电子教材、教学设计、教学PPT、微视频等。同时，学校还建立了QQ群，以为更多的教师提供技术支持。截至2015年11月21日，《Arduino创意机器人》的共享资源自2014年6月18号开放共享以来已经被浏览2210次，下载1021次，保存583次。目前，学校已经与人民邮电出版社达成协议，《Arduino创意机器人》教材将在2016年1月出版。

基于创客空间的STEAM课程群的建设实施，给基础教育开展STEAM教育提供了成功的佐证，验证了STEAM教育的重要性以及中小学开展STEAM课程的可能性。如果说，STEAM课程群解决了学校大班教学的效率问题，校园创客空间则解决了学生实践、拓展的问题。温州中学在寻求一条适应中国国情的创客教育之路时，也为STEAM教育提供了丰富的案例支持。

参考文献：

[1]冯秀梅.结构力学教学方法改革的探讨[J].内江科技，2008（7）：65.

[2]谢作如.如何建设适合中小学的创客空间：以温州中学为例[J].中国信息技术教育，2014（5）：13-15.

[3]赵中建.STEM：美国教育战略的重中之重[J].上海教育,2012（11）：16-19.