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淺談STEAM科技創新教育背景下創客類教育裝備選擇

作者:何樂 文章來源:本站原創 發布時間:2017年04月21日 點擊數: 字體:

    STEAM教育的日益普及,國家大力鼓勵創新創業的大時代背景下,科學技術教育顯得尤為重要。在政策支持基礎上,實現各方資源的整合,推動教育思維方式的轉變,開創有特色的科學、技術、工程、藝術和數學教育,STEAM類教育裝備的跟進顯得尤為重要。新的創客類設備設施越來越多的走進校園,面對這些變化,需要更多的了解這些裝備特點,以便更好開展科技創新教育,本文以首師大附中創客空間為例,淺析創客類教育裝備選擇。

一、STEAM科技創新教育發展形勢。

2015年是中國的“創客”元年,特別是2015年3月全國“兩會”上“創客”第一次被寫入政府工作報告后,各類創客空間如雨后春筍般涌現出來,各類創客協會、創客學會、創客聯盟、創客學院紛紛成立,各類創客大賽、創客嘉年華層出不窮,各類創客研討會、創客高峰論壇此起彼伏。新聞媒體、高等院校、政府部門和國家領導人也高度關注創客教育。2015年5月18日,由中國教育報牽頭成立了“中國青少年創客教育聯盟”;2015年7月24日,由清華大學等高校聯合發起成立了“全國教師創客聯盟”;2015年9月2日,教育部《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作指導意見(征)》提出了“有效利用信息技術推進眾創空間建設,探索STEAM教育、創客教育等新教育模式”。2015年11月19日,劉延東副總理在第二次全國教育信息化工作電視會議的講話中提出:“積極探索信息技術在創業大學、創客教育、微課堂等方面的應用,提升學生的信息素養和創新創業能力,促進學生全面發展。”

2016年3月3日,《教育部教育裝備研究與發展中心2016年工作要點》中指出:貫徹國家“雙創”要求,為創客教育、“STEAM課程”提供教育裝備支撐。教育部制定的《教育信息化“十三五”規劃》也提出,有條件的地區要積極探索信息技術在“眾創空間”、跨學科學習、創客教育等新的教育模式中的應用。武漢市2015年以來,全市50所小學和10余所中學就已開展創客教育。2017年3月湖北省教育信息化發展中心(省電教館)于3月23-25日在武漢主辦了全省創客教育培訓班,全省各市州縣電教館(站)分管負責人、11所教育部中小學教育信息化試點學校、42所湖北省首批數字化校園示范校及各地選派的學校教師代表近500人參加了培訓,這必將加快湖北整體創客教育推進步伐。

二、首都師范大學附屬中學的特色創客教育

為了推進我校STEAM創新教育工作,筆者前不久參加了北京市教育委員會組織的新中高考背景下學校課程整體建設創新研討會,會議上,首師大附中沈校長以《為生命注入自主發展的力量——“成達教育”引領下的漸進式教學改革》為題,與大家分享了首師大附中近年來的教育感悟和改革歷程。北京教科院課程中心副主任王凱研究員向參會人員解讀了北京市中高考改革的主線、邏輯和特征三點內容。他指出本次會議的目的是鼓勵各個學校關注核心素養,能夠在新的中高考政策落實前做好教育教學改革的準備,并且通過改革看到目前教育的短板,以創新改革帶動學校教育發展。他還對首師大附中創客空間表示了充分肯定。

首師大附中的“青牛創客空間” 2016年4月1日正式投入使用,標志著創客教育真正意義上走進課程,走入校園。青牛創客空間分為創想匯、智控坊、Robot廣場、夢舞臺、數控工坊和奔碼隧道六個功能區域。創想匯是學生頭腦風暴和思維碰撞的場所;智控坊為學生提供一應俱全的智能控制硬件支持;Robot廣場讓學生成為Robot造物主,落實創客必須以造物為重點這個核心思想;夢舞臺為學生提供自我展示的廣闊空間;數控工坊是連接虛擬與現實的橋梁,讓學生的創想可以成為現實;奔碼隧道讓學生利用計算機編程,熟悉計算機語言。在“青牛創客空間”直觀感受到創新教育下的教育裝備有了新的擴展,各類新設備新裝備已經走入校園。

三、創客教育的目的和核心內容

創客教育重要的是發現學生的興趣特長,為培養創新人才奠基,而不是要把學生都培養成程序員、機床操作員。反復練習或許能成就完美卻無法成就創新,但我們必須發自內心地去關愛學生,努力發現孩子的閃光點,激發他們的興趣和奮斗的精神,讓每個孩子都帶著夢想去實現自己的價值,家長也需要用前瞻性的眼光,順應時代的發展,努力學習做好孩子發展的引路人。創客教育的核心是創新。對于中學而言,創客教育不是某方面知識的應用,而是要實現培養學生創新能力的體系建設,讓創新教育落到實處,它既是學生個性發展的內在需求,也是時代發展的大勢所趨。創客教育,是培育學生提出問題、研究問題、解決問題、動手制作的綜合能力,初步融合了科學研究、技術制作、藝術創作的全過程,能夠培養學生的主動探索精神、批判性思維能力、自主創新能力、合作研究能力、語言表達能力、藝術創作能力等。

創客思維系列課程從認知和實踐兩個部分帶領同學們成為真正意義上的創客,產生深入探究的熱情;機器人系列課程讓學生熟知當前國內外最熱門的機器人研究,學習各組成部分的工作原理,并利用所學知識設計、搭建功能性機器人;3D打印系列課程中,學生可以體驗從設計到建模,再到物品生成的全過程,激發學生靈感,讓學生借助3D打印去實現自己的發明創造;編程系列課程使學生主動進入計算機和編程的世界,運用無生命的機器語言去實現有生命的無限創意;無人機系列課程引導學生了解無人機飛行器的發展,學習工作原理、硬件組裝、程序設計,最終通過手腦并用實現自己的飛天夢。

四、硬件建設為創客教育的目的服務,為核心內容服務。

首師大附中作為百年名校,教育資源豐富,學校非常重視創新教育的硬件投入。為創客空間而專門建設的一棟建筑里各類硬件設施種類齊全,零件豐富。硬件部分包括三軸雕刻、四軸雕刻、五軸雕刻、激光切割機、激光打標機、水刀數控切割、數控車床、機器人、折板機、沖壓機、數控鋸、電路板貼片機、3D打印機、軟件開發、智能控制技術、機器人、無人機、VR虛擬現實、飛行模擬器等。這些設備基本涵蓋目前高中創客教育的所有教育內容。在課程設計上、學生興趣愛好不同、學習能力不同,所以從結構設計、工藝加工、智能控制、人文藝術等幾大方向,開設四修課程,其中,

基礎通修包含《程序設計入門》《視頻編輯》《動畫制作入門》《設計基礎》

興趣選修包含《APP開發》《趣味程序設計》《Arduino開源硬件》《飛行原理》《平面設計》《怎樣開波音747》《微電影 》《模型制作》

專業精修包含《數據結構》《算法設計》《天文奧賽》《機器人競賽》

自主研修包含《3D古建筑復原》《VR課程中的3D創作》 《雕刻與精密加工》《傳感物聯初探》等。

課程開設與之所對應的設備如下:

基礎通修

筆記本電腦 、蘋果臺式機

興趣選修

飛行模擬器、筆記本電腦、蘋果臺式機、Arduino硬件、3D打印機、無人機、雕刻機、激光切割機

專業精修

筆記本電腦、蘋果臺式機、智能控制套件、機器人、折板機、沖壓機、數控鋸、激光切割機、激光打標機、電路板貼片機

自主研修

雕刻機、激光切割機、激光打標機、水刀數控切割、數控車床、VR虛擬現實、傳感物聯套件、3D打印機

基礎通修解決創客所需基礎技能,興趣選修著重興趣引導和大學挑戰賽,專業精修針對各類奧賽,自主研修為青少年創新科技大賽準備。這些課程開設和與之對應的設備選擇,都是建立在師資力量和學生學習能力基礎上,層次鮮明、目標清晰,切合實際情況,突出其項目學習、體驗式學習和個性化學習等創客學習的優勢。這些課程設置在實踐中都取得了很好的效果,在各類機器人比賽、創新比賽、信息奧賽中屢獲大獎。為開設課程服務,為創客教育的目的服務,為核心內容服務的的硬件設備為這些成果取得打下堅實基礎,這些設備的選購很有指導和借鑒意義。

五、結合實際有針對性購置制造類設備

創客教育的重點是“造物”,提到造物就離不開工具的選擇,工欲善其事必先利其器,如何選擇制造設備是目前各單位開展創客教育面臨的重要問題。創客活動所需要的制造設備組合基本大致可分為如下幾種。

 1. 入門級別簡單硬件, Arduino及其傳感器和樂高類組合積木。Arduino被國際上稱為電子積木,使用不是太困難,它不但能夠用在學習上,而且能夠直接搭建機器人、尋跡小車等教具。Arduino及其傳感器價格較低,而且現在可用圖形化編程來控制它,結合樂高類積木組件架構模型,用編程控制Arduino硬件就形成一條創客教育的主線。它并不需要花多少錢。甚至不需要創客空間,花少量的錢,在機房上就可以開展創客教育。這種組合具有安全性高,學生操作方便的特點,在結構件的制造方面,教師無需培訓即可掌握樂高類積木的使用。

此方案較為適合小學和初中學校使用。

2進階級別硬件,利用3D打印機或激光切割機等工具做機械結構,目前3D打印比較熱門,不少學校采購的3D打印機為FDM類型,這種類型打印機優點是價格低廉,缺點有以下三點,首先是速度較慢,即便是簡單幾何體結構,也不能減少填充率來增加打印速度,這樣會造成頂層面無法完整打印,其次,非連續結構的復雜圖形需要增加支撐,這種支撐很難去除,即便去除也會對表面產生破壞。另外還有熱收縮問題造成尺寸偏差,空腔結構精度不準,翹曲問題。所以激光切割機是非常好的補充,對于規則幾何體,可以用薄木板或有機板激光切割后組合,效率大大提高,同時也鍛煉了學生動手能力和空間想象能力。這樣的設備組合可以滿足創意類比賽的需求。需要注意的是,激光切割機具有一定安全隱患,在場地選擇上要有單獨房間放置,專人保管,防止不熟悉操作的人員觸碰造成傷害。

此方案較為適合初中高年級至高中學校使用。

3 高級別硬件,目前有條件的學校已經購置準工業級加工設備,比如數控車床,多軸雕刻機,五軸銑床等。這些設備可以加工金屬類零件,制作高強度、高精度的配件,比如機械手臂,機器人大賽所需的機器人結構件,尋跡小車,多軸無人機等,也可以制作較復雜的浮雕類創意作品。我校也購置了桌面型銑床和車床等工具,在實際工作中發現要注意選址,距離教學區太近會造成噪聲污染,影響教學。這些設備對操作人員要求較高,尤其是四軸、五軸雕刻機,需要專業培訓才能操作,學生參與到手制作需要很長時間學習。激光雕刻機和數控雕刻機建議選擇60X90以下小幅面型,滿足高中教學需求即可,更高級別大型設備價格高占地大,采購的時候要考慮目前的場地門框限制,以免無法順利搬運,同時場地面積要留有充足操作空間,達到安全生產標準。有的五軸銑床和數控車床等大型設備重量可能超過兩噸,樓板無法承重,必須安裝在一樓地面,并做好地面固定。尤為需要注意的是,這些設備具有較高危險性,應當嚴格遵守操作規程避免危險。

此方案適合師資力量較強、基礎條件較好的高中學校使用。

4 特種級別硬件,如高壓水切割、數控沖床、折板機等。這些設備優點是加工效率高,加工能力強,缺點是使用率低,占地面積大,需要專業技能操作和保養,生產有極高危險性,非常容易出現安全生產問題。建議這種類型加工通過校企合作方式外包,通過電子化圖紙發給專業加工廠家完成。

小結: STEAM科技創新教育背景下創客教育的現狀出發,結合首師大附中“青牛創客空間”的實例,分析了在學校推進創客教育過程中,各種硬件的效能和優缺點,提供了適合不同學校的裝備方案。

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