基于开源软硬件的高中创客课程研究.docx

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基于开源软硬件的高中创客课程研究

基于开源软硬件的高中创客课程研究

北京工业大学附属中学王德庆

一、问题的提出

2010年,《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》将教育信息化上升为国家战略，明确指出“信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视”。

第三十二条明确指出：

在创新人才培养模式上，遵循教育规律和人才成长规律，深化教育教学改革，创新教育教学方法，探索多种培养方式，形成各类人才辈出、拔尖创新人才不断涌现的局面。

努力培养造就数以亿计的高素质劳动者、数以千万计的专门人才和一大批拔尖创新人才。

坚持能力为重，优化知识结构，丰富社会实践，强化能力培养。

着力提高学生的学习能力、实践能力、创新能力，教育学生学会知识技能，学会动手动脑，学会生存生活，学会做人做事，促进学生主动适应社会，开创美好未来。

积极开展研究性学习、社区服务和社会实践。

培养学生学习兴趣和爱好。

2012年3月，教育部印发《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》，对今后一个时期的教育信息化发展作出了总体部署。

2015年，教育部办公厅出台了《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见（征求意见稿）》，有效利用信息技术推进“众创空间”建设，探索STEAM教育、创客教育等新教育模式，使学生具有较强的信息意识与创新意识，养成数字化学习习惯。

2015年全国两会，“创客”首次“闯入”《政府工作报告》，同时也挥下了中小学信息技术课程改革的令旗。

“创客”一词来源于英文单词"Maker”，是指出于兴趣与爱好，努力把各种创意转变为现实的人。

创客们作为热衷于创意、设计、制造的个人设计制造群体，最有意愿、活力、热情和能力在创新2.0时代为自己，同时也为全体人类去创建一种更美好的生活。

2017年7月，国务院印发《新一代人工智能发展规划》，提出到2030年人工智能理论、技术与应用总体达到世界领先水平，成为世界主要人工智能创新中心，智能经济、智能社会取得明显成效，为跻身创新型国家前列和经济强国奠定重要基础。

2017年，教育部正式发布《普通高中信息技术课程标准和课程方案》、《普通高中通用技术课程标准和课程方案》，明确提出要提升学生的信息素养，技术素养，发展计算思维，提高数字化学习与创新能力，立足于“做中学”和“学中做”，强调了知识的整合，应用及物化能力。

信息技术课程的选择性必修模块中就有“人工智能初步”、“三维设计与创意”、“开源硬件项目设计”，通用技术选择性必修模块中就有“智能家居应用设计”、“工程设计基础”、“电子控制基础”、“机器人设计与制作”，可以看到2门学科在知识上有很多的交叉。

从目前的情况来看，创客课程还未正式进入我国的中小学课程体系，也无指定的课程大纲和相关教材，各级各类学校所开设的创客课程，基本都采用校本课程的模式。

在实施好国家课程和地方课程的前提下，自己开发的适合本校实际、具有学校自身特点的那些课程。

这类课程主要通过项目或专题的形式，引导学生对某一领域开展深入的探究与实践，并通过运用信息技术、通用技术解决实际问题的方法和过程，最终提升学生的动手实践能力和知识运用能力。

创客课程是创客教育生态的重要组成部分，是推进我国创客教育“落地”的重要抓手；同时，也是新课程改革的重要方向和推进动力。

创客教育具有贯彻以学生为中心的教学思想、促进学生间的交流合作、推进教育信息化进程、发展学生的动手能力、培育“尚技重工”的文化等优势，集创新教育、体验教育、项目学习等思想为一体，契合了学生富有好奇心和创造力的天性。

它主要以课程为载体，在创客空间的平台下，融合科学、数学、物理、化学、艺术等多学科知识，培养学生的想象力、创造力以及解决问题的能力，与新课程的学生培养目标向相吻合。

Arduino单片机编程具备平台开源、易学、实用的特点，简易的编程环境使初学者很容易就能学会使用，同时它又能为高级用户提供足够多的高级应用，对于不同学段的学生均可以设计出不同的学习方案及策略；3D打印等桌面化生产技术日益成熟和普及，个性化的创意设计实现变为可能。

Processing是一种具有革命前瞻性的新兴计算机语言，它的概念是在电子艺术的环境下介绍程序语言，并将电子艺术的概念介绍给程序设计师。

目前国内外爱好者已经开发出了大量Arduino兼容硬件、3D打印作品、processing应用，书籍，网站，丰富的资源使教师可以很方便地指导学生将自己的金点子创意通过开源软硬件、3D打印、Processing等技术转化为现实作品，激发学生对智能科技的兴趣，使技术教育跟上时代步伐。

工大附中的办学理念是“为学生的终身发展奠基，”表现在突出学生的“自主发展、和谐发展，特色发展和持续发展”。

学校的育人目标是“培养有担当的人”，培养学生使其具备适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，既强调“个人修养、社会关爱、家国情怀”，也注重“自主发展、合作参与、创新实践”。

尊重学生的个性差异，因势利导，发展学生的特长，依托“领航课程”创造环境，培养兴趣爱好，培养开拓进取精神。

3D打印，结构设计，开源软硬件，互动媒体等课程都是学校“领航课程”群中的优质课程。

课程实施已经5年，培养了一批具备基本科学素养和创新能力的高中学生，摸索了一些创客教学的相关经验。

2015年首批被北京远程教育专业委员会挂牌“创客教育实践学校”，课程在北京市、朝阳区具有一定的影响力，在朝阳区多所中小学开展实验教学，取得一定成果。

学校现已建立开源硬件实验室，互动编程实验室，3D打印实验室。

作者现为工大附中高中技术教研组长，朝阳区学科带头人，致力科技教育工作27年。

对创客教育有深刻的理解，熟悉Arduino、互动媒体、3D打印、机器人等开源软硬件，辅导学生科技获奖300余人次，北京市创客教育执委会专家组成员，全国青少年创客挑战赛裁判长，专家组成员。

独立开发的Arduino课程已在我校实施4年。

青少年科技教育丛书《机器人创新与实践》主编，《机器人探究与实践》主编，《用Python玩转树莓派和MegaPi》主编。

我们力图为学生创建一种全新的信息技术和通用技术整合的课程，对信息技术和通用技术课程的教学内容做充分的补充，同时也为2门课程提供丰富的实践平台。

利用各种教学资源，使学生的学习成为一种真正有体验的学习。

为培养学生信息素养，技术素养，真正落实新课程的理念。

二、解决问题的过程与方法

（一）建立并逐步完善了“创客专用教室”

2014年开始着手建立“创客专用教室”。

1、确定“创客专用教室”的设计理念

集教学、实验、展示、设计、加工于一体，分为设计与讨论区、零件与工具区、作品展示区、充电图书区等。

突出以培养学生的科学素养为核心，以学生为主体的理念，将各种教学资源与教学过程和方法整合，与各种探究活动整合。

“创客专用教室”有丰富的资源，并能完成相应的教学活动，保证了学生能有效获得知识，初步掌握进行科学研究的方法与过程，形成科学精神、科学态度、科学价值观，从而达到全方位培养学生科学素养的目标。

学生在这里可自行设计、实施实验方案，提高实践能力，也可以进行创新性课题研究。

2、逐步丰富和完善各功能区

经过多年的逐步完善，零件与工具区要具备数量充足的各类电子零件百种以上，常用电子和材料加工工具十种以上，为学生创新课题探究提供足够的平台；展示区的作品全部来自往届学生；充电图书区各种参考书籍20册（种）以上；

3、资源配置利于教学，利于培养学生的科学与人文精神

学生能随时根据自己的想法，做简单的科学实验，进行研究性学习。

为培养学生自主学习、探究实验、初步科学研究能力提供条件保障。

（二）设计并逐步完善创客课程的教学内容

1、确定课程理念和课程目标

充分整合信息技术和通用技术课程，“做中学”，“学中做”，体验科学研究的一般过程，提升学生综合应用知识解决问题的能力，促进学生的团队合作能力，表达与沟通能力，规范设计能力，科学研究能力的有效提高，培养学生的信息意识、技术素养、动手能力、科学研究的态度。

选择目前国内外最热点和流行的技术，为学生终身发展助力。

设计满足学生多元需求的课程结构，促进学生的个性化发展。

课程结构遵循高中学生的认知特征和个性化学习需要，体现技术课程的层次性、多样性和选择性。

提升课程内容的广度、深度，为学科兴趣浓厚、学科专长明显的学生提供挑战性的学习机会。

构建适合创客课程的评价体系。

2、课程结构

（1）设计依据

遵循《普通高中技术课程方案与课程标准》，参照国内外信息技术、通用技术教育研究的最新成果，参考国内外开源软硬件发展的最新情况，依据技术学科理论性、工具性和实践性并重的特征，设计活动情境，注重学生在项目中学习；依托快速发展与日益更新的信息技术工具，保持对新技术成果的开放性，鼓励师生共同学习。

（2）结构

课程分为三个方向，每个课程方向分为两部分。

课程方向

通识知识

课题研究

Arduino单片机应用

Arduino单片机与C语言程序设计

创新课题选题

技术图样的绘制

合作、探究性学习

流程的设计与表达

模型设计与制作

创新设计的一般方法

课题答辩

人机关系的设计

评价与考核

Processing互动媒体设计

Processing程序设计

创新课题选题

Processing与Arduino互动

合作、探究性学习

评价与考核

模型设计与制作

课题答辩

3D建模与打印

Sketchup建模

创新课题选题

3D切片

合作、探究性学习

3D打印

模型设计与制作

评价与考核

课题答辩

3、学分与选课

高一每名学生根据自己的兴趣爱好，结合教师介绍的课程内容选择课程方向，选定后学习2个学期，期间可调整一次。

每学期32课时，2学分，信息技术和通用技术各1学分。

完成相应的考核，成绩合格可获得学分。

4、课程内容

教学内容应当涵盖主要方面：

电子

程序

材料

结构

科学探究

数学建模

媒体传播

文案写作

了解基本的电子元件的使用和作用，会画电路示意图

了解基本的程序结构，知道程序是很有趣的。

知道各种编程环境。

学习能够用剪刀加工的各种材料的造型，用纸张打孔器给设备打孔，完成简单造型。

能够重复的使用或者制作各种同一规格的单元，定义单元和单元的连接方式构建平面结构

细致的观察并且能够用规范的语言记录观察的过程，会使用一些数字化的观察手段。

能够使用分类、排序、统计的方法，描述事物的数学规律。

能够拍摄背景干净，主题鲜明，表达准确的器物、人像、群像的照片。

能够面对镜头说一段流畅的话介绍作品的功能，特点，制作流程和新的体会。

知道用仪器层面的工具来用图形化程序语言完成感测与控制

可以用图形化语言编写互动媒体和游戏类的程序，能够设计流畅的界面和交互。

学习能够用曲线锯加工的各种材料的造型，能够使用小电钻或者皮带打孔器打孔，完成比较结实的造型。

能够使用直角弯或者其他形式建立立体结构，能够研究结构的强度等特性，并且能够综合应用各种结构件。

发现一些可重复的现象，并且描述这些现象，适当地用仿真的方法再现这些现象。

能够通过分析，建立正相关、负相关的关系，并且去应用这种关系。

能够用软件设计内容明确的平面海报，会使用演示文稿等工具展示作品的制作过程、宣传创意。

以图配文的形式体会非连续文本的写作，能够撰写比较规范的说明文，制作教程，阅读简单的专利。

能够使用标准连接线，控制多路输入输出，可以控制电机等大电流设备

了解常见的计算机算法，并且能够将其应用在比较复杂的程序当中。

可以使用计算机软件工具，设计比较精确的材料加工图纸，初步比较不同材料的物理化学性能。

会使用齿轮组、皮带、齿条等常见的传动机构完成项目并探究传动规律。

通过观察和定量的记录，证实确定的因果关系。

能够对呈曲线规律的数据进行拟合，找到表达式，并且尝试讲曲线直化。

会制作一个简单的定格动画，将视频和动画有机的结合起来，了解一些视频的传