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创客教育面临的问题与创客项目学习方案

2016年教育部颁布《教育信息化“十三五”规划》的颁布,对于推进我国教育教学方式革新有着重要意义。创客课程是开展创客教育的重要载体。笔者从学校创客教学实践出发,总结探索基于虚拟仿真平台的创客项目教学经验,期望为创客教育课程的建设和创客教育的发展提供借鉴。

一、创客教育及创客课程教学现状

(一)创客教育课程资源建设不完善

具体表现为以下两点。其一,教材内容建设有待加强,中小学创客教育相关教材多是引自国外,少部分是国内中小学教师依据教学经验撰写的。国外教育环境以及中小学学科设置、教育标准与我国不同,需要进一步推进引进教材真正本土化。其二,数字化学习资源不足,目前创客教学多依赖于企业提供的套件所附带的资源,网络上的资源多为电子信息专业人士的研究案例,不适合中小学教师直接用于课堂教学。

(二)中小学生的编程基础薄弱

编程可以将现实中的问题进行抽象,然后通过代码这一语言表达出来,通过运行代码解决现实中的问题。编程其实就是学生创新能力的一个宣泄口。然而,以往的信息技术课中的VB、C等高级编程语言,学起来比较枯燥,仅掌握语法需要花费较长的时间,更别说要灵活运用解决实际问题了。因此,要开展创客教育,必须跳过高级语言中那些繁难的概念和语法,找到适合中小学生的心智水平和认知能力的编程方式。

(三)仍使用传统的课堂教学模式

目前,国内大多数中小学校没有专业创客任课教师,多为科学、信息技术等学科的教师,很多教师缺乏对创客教育的深入理解,对创客教学的理论研究、教学方法研究不够深入。传统的课堂教学是以教师讲解、演示为主,学生主要是重复教师的操作,大大限制了学生的创造力,不利于学生自主创新能力的培养。今天,数字化、虚拟化技术已经成熟,探索新型的教学环境,形成以学生为主体的创客教学模式尤为迫切。

二、创客教育虚拟仿真平台的功能特点

(一)所见即所得

Linkboy仿真平台集成了Arduino创客设计大部分的设备元件,包括控制板、传感器、辅助元件、显示设备、连线等(很多模块是市场上套件不提供的)。使用者可以直观地将元件按照设计的电路图通过鼠标操作轻松地连接起来,极大地方便了教师和学生使用。仿真平台以设备元件为对象,通过选择与元件相应的指令进行编程,从而构建逻辑流程实现作品功能。

(二)自带学习资源

Linkboy仿真平台集成的设备元件,都有丰富的学习资料,包括元件功能介绍、接口描述、输入输出范围。每个元件都有相应的学习案例,甚至可以取代现有的创客教材,这有利于学生自主探究学习。

(三)图形化编程

Arduino创客教育与计算机编程密切相关。学习编程有利于培养学生的计算(设计)思维和解决实际问题能力。Linkboy图形化编程方式为没有系统学习过程序设计的学生提供了便利:学生无需学习语言,只需掌握简单的程序设计思想就可以通过编程实现创意。通过学习图形化编程课程内容,学生能初步掌握图形化编程技术,知道什么是创客,并亲身体验生活、体验创新,将创意萌发过渡到创意设计、电路模块连接和机械结构组装,并迅速建模,快速实现创意。

(四)全功能的Arduino仿真

Linkboy仿真平台可以独立于硬件运行,可直接在软件界面上模拟运行用户的程序流程,呈现虚拟元件的数值、图像或声音的变化。平台界面仿真直观,学生可以根据软件的提示轻松地修改完善自己的设计(程序),直到运行的效果达到预期,从而避免了学生操作设备过程中的潜在危险以及不合格材料对学生的危害。如果条件成熟,可以将仿真程序下载安装到实物设备中,将创意变为现实。

利用创客虚拟仿真平台的这些特点可以有效地解决创客教育中遇到的一些难题。教师可以以仿真平台为载体来建设创客课程资源,借助虚拟仿真平台用图形化的表现和拖曳的交互来完成编程的核心逻辑和成果交付,让学生学习起来不枯燥,并及时获得反馈。虚拟仿真平台强大的仿真功能为创客教师探索新的教学模式提供了有利条件。

三、基于虚拟仿真平台的创客项目学习实践

项目式学习可以培养中小学生的创造力、设计力、实践力、协同力和执行力,也让中小学生更早更深入面对和解决现实生活中的问题。以下为利用Linkboy虚拟仿真软件设计“空气质量监测仪”的项目学习课例介绍和总结。

(一)情境创设

目前,全社会对环保问题都极为关注,空气质量是人们经常讨论的话题之一。无论是室外还是室内,二氧化碳等气体的浓度或PM2.5细颗粒物的浓度,都极大地影响人们的健康。因此,监测空气质量,关注室内空气质量状况,成为普通市民包括学生们可以参与研究的事情。学生将利用开源硬件进行教室空气质量监测仪的制作,亲身体验基于开源硬件的项目开发过程。

(二)项目选题

学生以3~6人为一组,选择一个参考主题(基于开源硬件的教室空气质量检测系统开发、基于开源硬件的家庭防盗监测仪开发、基于开源硬件的社区噪音检测仪开发),或者自拟一个感兴趣的主题,开展项目学习。

(三)项目规划

各小组根据项目选题,利用思维导图等工具,制订相应的项目方案。

(四)方案交流

各小组将完成的方案在全班进行展示交流,师生共同探讨、完善自己的项目方案。

(五)探究活动

学生登录环保部门网站查询和了解我国环境空气的功能分类、标准分级、污染物项目、监测方法等相关内容,与小组其他人交流、讨论生活中哪些地方或场所的PM2.5值有可能超标。借助Linkboy虚拟仿真平台,学习各种开源硬件的输入输出组件的功能及使用方法。通过查阅网络资料,讨论、设计趣味实验掌握每种元件的用法及其原理。

(六)项目实施

各小组根据项目选题及拟订的项目方案,结合探究活动所学知识,掌握各种输入组件的用法及功能。教师利用Linkboy演示参考作品的功能,让小组成员按各自分工进行项目设计与实施,包括虚拟仿真连线、程序编写、外观设计等。借助Linkboy虚拟仿真平台并根据各小组的创意设计进行元件电路的连接,利用图形化编程模块进行空气质量监测系统的逻辑设计(如图所示)。教师指导学生编写程序,解答疑难问题。

(七)成果交流评价

各小组运用数字化学习工具,将所完成的项目成果,在小组或班级上进行展示与交流,共享创造,分享快乐。对创客作品做单一维度的、封闭性比赛式的评价并不合适,这样会催生为满足规则而练习的现象。社会化的评价体系才是更广阔更有意义的评价体系。让学生在完成自己的项目之后进行分享,意义就在于此。比如,某学生做了一个环保垃圾桶,让其他学生从环卫工人的角度去评价,才是比较客观的评价。

借助虚拟仿真平台可以将评价环节提前到设计阶段。应用Linkboy可以直观完整地将学生的创意及效果以多媒体的形式直观地面对面或者通过数字化学习工具进行共享。用户可以为设计方案提出建议,对于有价值的想法可以轻松利用仿真平台加以优化。如果是单纯的实体硬件作品,评价就只能在完成实物后开展了。如果作品未获得较高的评价需要修改甚至重新制作。

传统的理论课教学与创客实验课分离式的教学模式下,学生不能在理论课上得到及时的实践机会,而在实验课上又不能灵活运用理论,实践能力得不到充分锻炼,导致教学效果大打折扣,不利于培养学生的创新意识。虚拟仿真技术在创客教学中的应用,使理论课和创客实验课各自的优点得到充分发挥,相得益彰。

虚拟仿真创客教学采取理论学习与项目实践相结合的方式开展:教师创设与项目相关的情境,演示示范项目,提出创意选题,学生分组利用虚拟仿真平台进行实验探究和项目实施。一方面应用虚拟仿真平台所见即所得的功能极大地提高了学生的课堂积极性和专注度,使学生对理论知识的传授部分比传统的理论课更为专注;另一方面由于有了软件分享形式的评价体系,使学生的创作完善进程比传统的创客实验课更为顺利,能够更好地锻炼学生的实践能力。实践证明,基于虚拟仿真平台的创客教学在笔者所在的学校取得了很好的效果。

(广东省中山市桂山中学:刘浩军)

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