教育裝備采購網(wǎng) 2017-10-019 劉名卓 童 琳 王永玲
【編者按】 隨著人類科學(xué)技術(shù)日新月異，在國際競爭已轉(zhuǎn)型為科技的競爭的大環(huán)境下，“創(chuàng)客運(yùn)動”應(yīng)運(yùn)興起，近年來，中國教育界也應(yīng)時投入創(chuàng)客教育、創(chuàng)客團(tuán)隊、創(chuàng)客人才的的發(fā)展培養(yǎng)研究與實(shí)踐熱潮，這也成為教育裝備采購網(wǎng)不容忽視的國家發(fā)展使命擔(dān)當(dāng)。創(chuàng)客教育裝備與創(chuàng)客教育，無異于武器與軍隊的關(guān)系，是戰(zhàn)爭勝負(fù)的重要決定因素之一。特刊載此文，是希望在中國教育領(lǐng)域的眾多“處女地”中引起高度重視，并希望相關(guān)科研單位及企業(yè)不斷努力研發(fā)出順應(yīng)時代發(fā)展的新型教育裝備產(chǎn)品，聯(lián)手打造未來中國的光明前景!
近幾年，隨著“創(chuàng)客”運(yùn)動的開展和普及，創(chuàng)客精神受到社會各界關(guān)注。創(chuàng)客的動手創(chuàng)新理念正是目前教育領(lǐng)域強(qiáng)烈提倡的，因此不少研究者倡導(dǎo)將創(chuàng)客理念帶入教育領(lǐng)域。美國新媒體聯(lián)盟每年發(fā)布的《地平線報告》是國際上預(yù)測技術(shù)在教育領(lǐng)域中應(yīng)用的風(fēng)向標(biāo)。2014年的《地平線報告》對創(chuàng)客的應(yīng)用前景進(jìn)行了描述，更加激起教育者對創(chuàng)客教育的研究與實(shí)踐熱情。李克強(qiáng)總理曾在2015年《政府工作報告》中明確提出，要讓“眾多‘創(chuàng)客’脫穎而出，要讓眾多‘創(chuàng)客’能夠自由創(chuàng)業(yè)與成業(yè)”[2]。無論從全球發(fā)展趨勢還是國家政策層面，都可以看出創(chuàng)客教育的實(shí)踐價值與意義。
“工欲善其事，必先利其器”，作為創(chuàng)客教育的重要組成部分，創(chuàng)客教育裝備在創(chuàng)客教育的發(fā)展進(jìn)程中都起著不可替代的作用。2016年3月，教育部教育裝備研究與發(fā)展中心制訂的年度工作要點(diǎn)中，就提出要為創(chuàng)客教育和STEM課程提供教育裝備支撐，努力將教育裝備與課堂教學(xué)結(jié)合起來，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力和問題解決能力[3]。然而,目前對創(chuàng)客教育裝備的研究還比較碎片，且市面上種類多而雜，不成體系，不能很好地展現(xiàn)其發(fā)展概貌與未來發(fā)展趨勢，也不利于教育者在實(shí)施創(chuàng)客類教學(xué)活動時合理地選擇恰適的創(chuàng)客教育裝備。
本研究試圖通過對中外相關(guān)文獻(xiàn)的研究與案例分析，探討創(chuàng)客教育裝備的基本分類，并對其發(fā)展趨勢作出預(yù)判。
一、概念辨析
為了更好地理解下文，下面就一些基本概念進(jìn)行界定。
(一)創(chuàng)客與創(chuàng)客空間
創(chuàng)客(Maker)，本意是指“制造者”。廣義上講，涉及制作制造的都屬于創(chuàng)客，例如手工藝者。而現(xiàn)在，創(chuàng)客更多的是指利用網(wǎng)絡(luò)和新興科技，把創(chuàng)意變成現(xiàn)實(shí)，大膽創(chuàng)新的一群人[4]。創(chuàng)客以用戶創(chuàng)新為核心理念，是一個熱衷于創(chuàng)意、設(shè)計、制造的群體。作為創(chuàng)客活動的載體，創(chuàng)客空間是創(chuàng)客們共同創(chuàng)造作品，將自己的創(chuàng)意與眾人分享的實(shí)體實(shí)驗室[5]。近兩年，創(chuàng)客空間有從實(shí)體空間往虛體空間延伸的趨勢。
(二)創(chuàng)客教育
對于創(chuàng)客教育的概念，學(xué)者們從不同角度對其進(jìn)行了界定。祝智庭等人認(rèn)為,創(chuàng)客教育是在新興科技和互聯(lián)網(wǎng)社區(qū)發(fā)展的大背景下，以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，傳承了體驗教育[6]、項目學(xué)習(xí)、創(chuàng)新教育、DIY等理念的學(xué)習(xí)模式[7]。楊現(xiàn)民等人認(rèn)為，創(chuàng)客教育是以“開放創(chuàng)新、探究體驗”為理念，以“創(chuàng)造中學(xué)”為學(xué)習(xí)方式，以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為目的的新型教育模式[8]。而中國電子學(xué)會現(xiàn)代教育技術(shù)分會創(chuàng)客教育專委會則認(rèn)為,創(chuàng)客教育是創(chuàng)客文化與教育的結(jié)合，以學(xué)生興趣作為基礎(chǔ)，通過項目學(xué)習(xí)的方式，使用數(shù)字化工具，倡導(dǎo)創(chuàng)物，鼓勵分享，以培養(yǎng)跨學(xué)科解決問題能力、團(tuán)隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力為主旨的素質(zhì)教育[9]。從中得見，創(chuàng)客教育正迎合了國家培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的需求。
(三)創(chuàng)客教育裝備
教育裝備是完成教育任務(wù)有效組織起來的系統(tǒng)，是保障教學(xué)活動所需的資料、學(xué)具、儀器、設(shè)備以及相關(guān)軟件的總稱[10]。教育裝備可以說是教具、學(xué)具、工具和資源的統(tǒng)稱。創(chuàng)客教育裝備是教育裝備的一個分支，因此，沿用教育裝備的概念，筆者將創(chuàng)客教育裝備定義為，在開展創(chuàng)客教育中所需的材料(如各種金屬材料、木制品等原材料)、零件(如螺栓、螺帽等小零件)、工具(如扳手、鉗子等)、設(shè)備(如數(shù)控機(jī)床、3D打印機(jī)等)、軟件(如Scratch、APP Inventor等)、平臺以及相關(guān)資源等。
二、研究設(shè)計
(一)研究目標(biāo)
研究目標(biāo)主要有兩個。第一，厘清當(dāng)前市場上雜而多的創(chuàng)客教育裝備類型，并找出各類型的典型案例，以便為教育機(jī)構(gòu)或教育者實(shí)施創(chuàng)客教育時合理地選擇裝備類型提供參考。第二，對創(chuàng)客教育裝備的發(fā)展趨勢作出相關(guān)預(yù)測，為各大公司和機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)客教育裝備設(shè)計與開發(fā)提供參考。
(二)研究過程與方法
本研究選取中國知網(wǎng)上與創(chuàng)客教育相關(guān)的文獻(xiàn)、典型的創(chuàng)客教育實(shí)踐案例以及相關(guān)博客進(jìn)行分析，采用理論思辨文獻(xiàn)研究案例分析理論思辨的研究路線。首先通過文獻(xiàn)對創(chuàng)客相關(guān)的概念進(jìn)行分析，厘清創(chuàng)客教育裝備的內(nèi)涵;然后在中國知網(wǎng)上以“創(chuàng)客”并含“教育”以及“創(chuàng)客教育”為主題進(jìn)行檢索，并鎖定核心期刊文獻(xiàn)，從中抽取與創(chuàng)客教育裝備相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行分析與歸類，并針對其發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢進(jìn)行剖析與預(yù)測。
三、研究發(fā)現(xiàn)
(一)基本情況
截至2016年11月，以“創(chuàng)客”并含“教育”為主題在中國知網(wǎng)上進(jìn)行檢索，得到期刊文章502篇;以“創(chuàng)客教育”為主題進(jìn)行檢索，得到期刊文章為295篇。
我國關(guān)于創(chuàng)客教育方面的文獻(xiàn)最早見于2013年，代表人物是北京景山中學(xué)吳俊杰及其研究團(tuán)隊;2014年論文數(shù)量開始增加，2015年增加幅度明顯，而到2016年呈現(xiàn)井噴式的增長。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，這些文章涉及高等、中等、初等以及職業(yè)教育等多個教育領(lǐng)域以及工程學(xué)、計算機(jī)等多個學(xué)科，從中可推演出創(chuàng)客教育不僅僅局限于中小學(xué)，可見諸各個學(xué)段，并且呈現(xiàn)出與其他學(xué)科教學(xué)相融合的趨勢。
筆者首先對檢索出的文獻(xiàn)進(jìn)行了初步篩選與分析，剔除了開欄語、新聞稿等與創(chuàng)客教育關(guān)聯(lián)度不大的文獻(xiàn)，共得到280篇文獻(xiàn)，然后將這些文獻(xiàn)圍繞理論探索、教育革新、策略空間、應(yīng)用效果和實(shí)踐應(yīng)用等五個方面進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)目前對創(chuàng)客教育的研究大部分還是以理論研究為主，其中教育革新類研究最熱(共計116篇)，大部分研究者提倡將創(chuàng)客教育理念融入傳統(tǒng)課程建設(shè)、學(xué)生培養(yǎng)和學(xué)校創(chuàng)新環(huán)境建設(shè)中。相比之下，創(chuàng)客教育的實(shí)踐案例較少，說明在國內(nèi)創(chuàng)客教育的研究大部分仍停留在理論層面;雖然大部分文獻(xiàn)也提及了創(chuàng)客教育裝備，然而針對創(chuàng)客教育裝備進(jìn)行專門研究的論文不多。
(二)創(chuàng)客教育裝備的主要類型
根據(jù)本研究目標(biāo)，對文獻(xiàn)進(jìn)一步分析，將范圍縮小至115篇，并且這些文章主要來自核心期刊，其中76.5%的論文都直接提到創(chuàng)客教育裝備，然后針對這115篇論文進(jìn)行了內(nèi)容分析。分析變量為創(chuàng)客教育裝備，表1將每篇文章中提及的創(chuàng)客教育裝備進(jìn)行列舉，然后對其進(jìn)行分析、歸類，限于篇幅只列舉部分。
目前市面上的創(chuàng)客教育裝備多而雜，良莠不齊，不利于創(chuàng)客教育裝備的良性發(fā)展和創(chuàng)客教師的選擇，故有必要對其進(jìn)行分類。筆者發(fā)現(xiàn)，之前有研究者對于創(chuàng)客教育裝備進(jìn)行了簡單的分類，王聰[11]在他的博文中就提到目前國內(nèi)創(chuàng)客教育設(shè)備大致可以分為四類：一是通用技術(shù)類;二是開源電子套件類;三是3D打印類;四是機(jī)器人設(shè)備類。顯然，王聰主要從技術(shù)工具的視角對創(chuàng)客教育裝備進(jìn)行了分類。Martin[12]從裝備的運(yùn)作原理將創(chuàng)客教育數(shù)字化工具主要分為兩類，一是物理工具，如3D打印機(jī)、數(shù)控機(jī)床、激光切割機(jī)以及開源硬件等;二是邏輯工具，如微型控制器、微型計算機(jī)和其他電子產(chǎn)品類。而更多的研究者是從創(chuàng)客教育內(nèi)容的視角進(jìn)行了分類，如雒亮等[13]提出創(chuàng)客空間中應(yīng)該包含“材料加工與手工制造”、“設(shè)計與 3D 打印”、“開源硬件設(shè)計與開發(fā)”三個結(jié)構(gòu)域的內(nèi)容。傅騫[14]認(rèn)為，當(dāng)前國內(nèi)外開展的創(chuàng)客教育裝備主要有以下幾類：以圖形化編程軟件Scratch及擴(kuò)展硬件為核心的創(chuàng)意程序設(shè)計、以開源硬件如Mbed、Arduino、Rasperberry Pi為核心的創(chuàng)意電子設(shè)計、以圖形化編程軟件App Inventor為核心的創(chuàng)意移動應(yīng)用開發(fā)、以結(jié)構(gòu)件和3D打印機(jī)為基礎(chǔ)的創(chuàng)意造型設(shè)計、以機(jī)器人為切入點(diǎn)的創(chuàng)新機(jī)器人開發(fā)。綜上所述，筆者按照創(chuàng)客教育裝備的功能將其分成了五大類——電子互動類、建造建模類、編程語言類、機(jī)器人類和其他，具體內(nèi)涵界定如下：
(1)電子互動類：主要是指開源硬件平臺、微型計算機(jī)、微型處理器等用于快速設(shè)計、可交互的電子設(shè)備。常見的有Arduino、樹莓派、Beagle Board、TinyDuino、pcDuino等。
(2)建造建模類：主要是指建模軟件、打印設(shè)備等用于硬件原型的設(shè)計與建造成型的裝備。常見的有Maker Bot、Egg-Bot等開源桌面3D打印機(jī)、3D掃描儀、3D建模軟件等。
(3)編程語言類：主要是以語言編程為主的工具，常見的如Scratch、ArduBlock等圖形化編程工具，以及難度稍大的C語言和JAVA語言。
(4)機(jī)器人類：主要是指制作機(jī)器人所需要的相關(guān)設(shè)備，包括各種電子元件、器材和相關(guān)材料，常見的如樂高機(jī)器人套件。這里要注意的是，機(jī)器人類創(chuàng)客教育裝備可能會包含前幾類創(chuàng)客教育裝備，所以這里特指除了上述類別以外用于制作機(jī)器人的裝備。
(5)其他：是指除以上幾類之外的裝備，主要包括手工鋸、錘子、銼刀、電烙鐵等基礎(chǔ)加工工具;和小型車床、銑床、鉆床、電鉆、角磨機(jī)等進(jìn)階加工工具;以及各種常規(guī)材料、智能材料、電路連接等所涉及的創(chuàng)客教育裝備。
在以上分類的基礎(chǔ)上，對這五種類型在篩選出的115篇論文中的所占數(shù)量進(jìn)行了統(tǒng)計，見表2。其中，數(shù)量排在第一位的是建造建模類，這一類裝備大多聚焦于3D打印機(jī)和3D建模軟件。電子互動類創(chuàng)客教育裝備也較多，主要關(guān)注開源硬件平臺。
對文獻(xiàn)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，目前創(chuàng)客教育裝備的應(yīng)用熱點(diǎn)主要集中在三方面，一是以Arduino為代表的開源套件;二是3D打印;三是機(jī)器人。
(三)創(chuàng)客教育裝備的典型案例分析
此部分主要針對各類創(chuàng)客教育裝備的代表性“工具”和典型案例進(jìn)行分析。此處的“工具”不是指單純意義上的工具，還包括軟件、平臺、系統(tǒng)等。具體分析如下。
1. 電子互動類
在電子互動類中，開源硬件平臺的應(yīng)用較為廣泛，尤其是Arduino以易實(shí)施、靈活性強(qiáng)、利于激發(fā)學(xué)生的興趣等優(yōu)勢占據(jù)主流地位，其核心是讓學(xué)生利用現(xiàn)有的電子元件設(shè)計出創(chuàng)新的應(yīng)用[15]。浙江省溫州中學(xué)謝作如團(tuán)隊以Arduino為主要平臺構(gòu)建創(chuàng)客課程體系作為校本選修課程，成為國內(nèi)中小學(xué)創(chuàng)客空間的一個典型代表[16]，目前該系列課程已經(jīng)成熟，《Arduino創(chuàng)意機(jī)器人》小學(xué)版和中學(xué)版教材已出版并提供電子版資源下載，為中小學(xué)開源硬件的創(chuàng)客教育實(shí)踐提供了參考。
2. 建造建模類
建造建模類創(chuàng)客教育裝備一出現(xiàn)，就引起了很多研究者的研究熱情，這一類別的當(dāng)前熱點(diǎn)主要是依托風(fēng)靡全球的3D 打印技術(shù)，因此研究文獻(xiàn)較多。國外代表性的項目如賽迪研究院專家組Hod Lipson的Fab@Home項目以及 Paulo Blikstein的Fab Lab@School[17]，該類項目主要通過任務(wù)驅(qū)動和學(xué)習(xí)情境創(chuàng)設(shè)，結(jié)合3D打印技術(shù)解決實(shí)際問題，如學(xué)生在清晰的圖解信息基礎(chǔ)上，設(shè)計和3D打印風(fēng)車葉片、齒輪等零部件，組裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)并測試 。近兩年，我國很多中小學(xué)也開設(shè)了3D打印課程，如在北京市東城區(qū)就有31所“三維創(chuàng)意設(shè)計與3D打印”課程實(shí)驗學(xué)校[18]。甚至3D打印課程與傳統(tǒng)課程進(jìn)行了融合，如在語文課堂中運(yùn)用3D“復(fù)活”活字印刷，在物理課堂中制作小孔成像演示儀等[19]。但是，3D打印類創(chuàng)客教育裝備由于涉及建模，所以難度上也會有所增加，適合中高年級的學(xué)生，而其較之電子互動類，價格稍微昂貴，如果是大型打印機(jī)對場地要求也較高。
3. 編程語言類
當(dāng)前教育日益重視對于學(xué)生編程能力的培養(yǎng)，通過編程語言的學(xué)習(xí)來訓(xùn)練學(xué)生的邏輯思維能力。這一類創(chuàng)客教育裝備的典型代表是Scratch軟件，是由美國麻省理工學(xué)院設(shè)計開發(fā)的一款簡易編程工具，用類似樂高積木的命令塊搭建程序，與其他創(chuàng)客教育裝備不同的是，它作為一款可視化的編程軟件很早就引起了教育學(xué)者的關(guān)注。很多世界知名大學(xué)都開設(shè)了Scratch課程，美國信息技術(shù)教師聯(lián)盟CSTA在K–12計算機(jī)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中還將其設(shè)為編程軟件的入門課程[20]。近幾年，我國華南師范大學(xué)附屬小學(xué)吳向東、華中科技大學(xué)附屬小學(xué)毛愛萍以及北京景山學(xué)校吳俊杰也利用Scratch進(jìn)行了相應(yīng)的課程教學(xué)實(shí)踐[21]。
4. 機(jī)器人類
通過機(jī)器人來激活學(xué)生創(chuàng)造思維與創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生的動手實(shí)踐能力，挖掘?qū)W生創(chuàng)新潛能，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。其中，樂高機(jī)器人是目前創(chuàng)客教育中使用較多的機(jī)器人類創(chuàng)客教育裝備。利用樂高機(jī)器人進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計最早源自美國的麻省理工學(xué)院(MIT)和塔輔茨(Tufts)大學(xué)[22]。機(jī)器人也可以與其他的創(chuàng)客教育內(nèi)容聯(lián)系在一起，如3D打印技術(shù)，就可以用來制作機(jī)器人的零部件;開源硬件平臺可以用來制作機(jī)器人的核心芯片，通過在其上編程實(shí)現(xiàn)功能;編程工具則是為程序代碼服務(wù)，這些都為機(jī)器人教學(xué)提供了便利。王同聚[23]在廣州創(chuàng)建的 “智創(chuàng)空間(ZC Space)”中開設(shè)了中學(xué)生“Scratch與機(jī)器人融合創(chuàng)意智造”的體驗課程。該課程基于Scratch編程，結(jié)合機(jī)器人硬件實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與電腦屏幕動畫角色的雙向控制，實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)結(jié)合和軟硬交互。
5. 其他
除了上述四類外，還有一些傳統(tǒng)的創(chuàng)客裝備，如普通的機(jī)械工具、化工材料等。如Meadow小學(xué)的“棉花糖挑戰(zhàn)”[24]活動，教師在課堂中要求學(xué)生用未煮過的面條、膠帶、繩子和棉花糖，在有限的時間內(nèi)搭建塔，通過共同探討倒塌的原因不斷改進(jìn)設(shè)計，從而理解原理;馬云霞[25]等人就人工智能課程中“塑料PVC機(jī)械猴制作”這一內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)客教育設(shè)計，通過在課程中讓學(xué)生自己動手制作PVC機(jī)器猴來了解其運(yùn)動的原理，加深理解，過程中只是使用了機(jī)械類的工具，如剪刀、美工刀、銼刀、電烙鐵等。
四、創(chuàng)客教育裝備發(fā)展趨勢探析
隨著技術(shù)發(fā)展與理念的轉(zhuǎn)變，創(chuàng)客教育將逐漸在各級學(xué)校和機(jī)構(gòu)中普及，會形成完整的創(chuàng)客課程體系，創(chuàng)客理念也會逐漸進(jìn)入傳統(tǒng)課程。那么，隨之創(chuàng)客教育裝備也會出現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：
(1)種類將更加細(xì)化，功能更加多樣。創(chuàng)客教育裝備從最開始的3D打印發(fā)展到Arduino等開源硬件平臺，又拓展到機(jī)器人設(shè)備等。未來隨著新興技術(shù)的發(fā)展，如人工智能、3D 打印、AR&VR等新興技術(shù)的崛起，創(chuàng)客教育裝備必會越來越多樣化，越來越細(xì)化，以滿足不同創(chuàng)客教育群體的需求。
(2)將更具系統(tǒng)性、專業(yè)化。從以上文獻(xiàn)分析可以看出，目前創(chuàng)客教育所使用的裝備大多開發(fā)的初衷并不是用于教育領(lǐng)域，而是逐步移植到教育中來的，所以隨著創(chuàng)客教育運(yùn)動的開展，創(chuàng)客教育裝備必會更具教育系統(tǒng)性和專業(yè)性。
(3)將更加集成化、智能化。未來創(chuàng)客教育裝備的體積會越來越小，且智能化程度會越來越高;同時，也會更加易于操作，便于教學(xué)，為學(xué)生提供良好的學(xué)習(xí)體驗?，F(xiàn)階段已經(jīng)有公司對Scratch和Arduino進(jìn)行了集成，將其整合成一個系統(tǒng)，這樣更有利于創(chuàng)客教育的開展。所以，可以預(yù)見創(chuàng)客教育裝備將會更加集成化、智能化。
(4)創(chuàng)客教育裝備會逐漸形成一套完整的產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)圈。隨著創(chuàng)客市場化進(jìn)程的不斷加速，從項目孵化器眾籌平臺，到硬件提供商，再到互聯(lián)網(wǎng)社區(qū)，創(chuàng)客運(yùn)動市場已經(jīng)快速形成了一套生產(chǎn)體系，而在未來創(chuàng)客教育裝備也會逐漸形成從硬件、軟件到支持服務(wù)的一套產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)圈。
綜上所述，雖然目前市場上創(chuàng)客教育裝備多而無序，但是隨著技術(shù)的發(fā)展、理念的轉(zhuǎn)變以及創(chuàng)客教育的普及，創(chuàng)客教育裝備類別必會更加豐富，也會更趨教育專業(yè)性、趣味性以及智能化，以滿足不同教育場景、學(xué)習(xí)者所需。
