黄浩宏
中山市菊城小学
摘要：信息技术课程在小学的开展已有十余年，教学硬件从无到有，课程从兴趣培养到常规教学落实。自参加工作以来，笔者目睹了小学信息技术教学的整个发展历程。教材经历了数次改版，内容的模式则几乎没有大的变化，无非是学习软件的转变，但在信息技术爆炸的时代，学生需要的是更大、更多的创造性。2015年李克强总理在政府工作报告提出：“大众创业，万众创新”。 2017年7月，国务院发布《新一代人工智能发展规划》，其中特别提到的“在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育”。2018年4月，教育部印发《教育信息化2.0 行动计划》。作为一线的小学信息技术教师，我们同样希望学生能为成为一个健康全面、拥有创新能力的人。那么，在有限的条件下，小学应该如何着手开展创客教育呢? 本文分析了笔者在创客理念指导下的小学生创客教育开展的实践探索，以期能够激发学生的积极性与参与热情，促进创新思维、编程思维的培养与创造能力的提高。
关键字：Arduino 开源硬件 创客 创客教育
从2014年12月，美国前总统奥巴马在“编程一小时”活动中写下自己人生第一行编程代码开始，青少年编程教育逐步成为了公众关注的热点。2015年李克强总理在政府工作报告提出：“大众创业，万众创新”。 2017年7月，国务院发布《新一代人工智能发展规划》，其中特别提到的“在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育”。 2018年3月，教育部等五部门印发《教师教育振兴行动计划（2018—2022年）》计划提出十大行动，其中有“互联网+教师教育”创新行动。2018年4月，教育部印发《教育信息化2.0 行动计划》。从国家层面发布的这些文件来看，教育的创新行动和编程教育的重要性就不言而喻。
当课堂不再是唯一的学习空间，当网络搜索、远程协助成为常态，教师不再是知识和权威的化身；当学习资源随手可得，一花一木皆为课程的时候，教科书不再是孩子的唯一世界——传统意义上的课堂在孩子们的笑容中解构了，世界成了孩子的教科书，社会成了孩子的大课堂。孩子们的核心素养在更为真实复杂的情境中生长。
一、概念的理解。
编程教育是不是让学生学会如Scratch、Python等等编程语言？教育的根本是人的发展。在这个角度来说，编程教育的目的是驾驭机器、驾驭计算机，让它们更高效的解决问题。所以我们要让学生逐步接触、理解、体验编程的逻辑操作、算法、数据结构、工程设计等通用的工程方法与数学知识。这些核心知识是编程语言的灵魂。学生在需要使用新的编程语言时，这些核心知识能够帮助他们更快的融汇贯通。更重要的是，学生可以脱离编程语言，更纯粹的思考如何计算机解决问题，也就是让学生具有“计算思维”。
创新是指以现有的思维模式提出有别于常规或常人思路的见解为导向,利用现有的知识和物质，在特定的环境中,本着理想化需要或为满足社会需求，而改进或创造新的事物、方法、元素、路径、环境，并能获得一定有益效果的行为。
创客（Mak-er）“创”指创造，“客”指从事某种活动的人，“创客”本指勇于创新，努力将自己的创意变为现实的人。这个词译自英文单词“Mak-er”，源于美国麻省理工学院微观装配实验室的实验课题，此课题以创新为理念，以客户为中心，以个人设计、个人制造为核心内容，参与实验课题的学生即“创客”。“创客”特指具有创新理念、自主创业的人。
创客身上共同的特质：创新、实践与分享。
创客教育是创客文化与教育的结合，基于学生兴趣，以项目学习的方式，使用数字化工具，倡导造物，鼓励分享，培养跨学科解决问题的能力、团队协作能力和创新能力的一种素质教育。这个定义来自2016年2月的中国电子学会现代教育技术分会创客教育专委会聚集了创客、创客教育界20余位专家和实践者共同研讨的成果。
开源硬件指与自由及开放原始码软件相同方式设计的计算机和电子硬件。开源硬件开始考虑对软件以外的领域开源，是开源文化的一部分。这个词主要是用来反映自由释放详细信息的硬件设计，如电路图、材料清单和电路板布局数据，通常使用开源软件来驱动硬件。
通过一个概念可以更容易理解开源硬件，那就是“开源软件”，它产生在开源硬件之前，安卓就是开源软件之一。开源硬件和开源软件类似，就是在之前硬件的基础之上进行二次创意。在复制成本上，开源软件的成本也许是零，但是开源硬件不一样，其复制成本较高。
开源硬件延伸着开源软件代码的定义，包括软件、电路原理图、材料清单，设计图等都使用开源许可协议，自由使用分享，完全以开源的方式去授权方式。以往的DIY在分享的时候没有清楚的授权，开源硬件把软件惯用的GPL，CC等协议规范带到硬件分享领域。其中，Arduino的诞生可谓开源硬件发展史上的一个新的里程碑。
二、Arduino开源硬件和ArduinoScratch软件相结合的实践与探索。
1、Arduino作为一款开源的电子制作平台，具有重量轻、体积小的特点，有着很强的易用性和扩展性，该实验平台无需学生掌握复杂的编程语言，只需了解其函数用法即可进行创新应用设计。该平台由包括各种型号的Arduino控制板的硬件部分和包括Arduino集成开发环境和编程接口的软件部分组成。Arduino控制板如图1所示。
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图1
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图2
Arduino自带的I/O接口和扩展板（图2所示）能与各种传感器、步进电机、蓝牙、舵机等相连，而且Arduino也是独立于其他软件沟通的平台，如Flash、Processing、Max/Msp等。但鉴于纯代码等形式的编程软件过于复杂，而最新的中山版信息技术教材六年级教材加入了Scratch内容的常规信息技术课程教学，我们选择深圳少年创客学院（https://www.youngmaker.com/）再开发的一款软件ArduinoScratch（如图3所示）。由于是开源硬件，Arduino的很多案例代码都能在相关技术论坛得到，初学者只要下载、学习、修改、烧录、调试，即可得到自己的项目，这也使其很快在不同领域得到了越来越广泛的应用。
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图3
2、软件与硬件结合使用方法。
选择对应的开发版下载程序，我的开发板是Uno R3，所以选择 Tools -->> Board -->> Genuino Uno，选择开发版对应的端口，我的IDE是1.8的，在win7系统下可以会自动选择好，如果没有选择可以到 计算机右键-->>选择管理-->>设备管理-->> 我的是英文版系统，但是大致操作差不多，我的端口是COM3，IDE中 Tools -->> Port -->> 选择对应端口：
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图4
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图5
下载程序的时候TX与RX处的LED灯会不断闪烁，下载完正常运行。
三、小学校园创客教育开展的方法。
创客教育强调学生要主动思考，积极动手、设计，这种理念对促进创新能力的培养有重要意义。为了培养学生的动手能力和创新思维，笔者所在学校从2016年10月在社团活动中开始设置“创客”课程尝试与实践，并购置了相应的Arduino开源电子套件等设备，陆续购入了3D打印机、激光切割机等其他创客实验设备。为“创客”课程的开展打下了基本的物理基础。
1、读书一个很重要的任务是发现规律、认识规律。在今后很长的一段时间里，利用编程控制物体运动将会成为主流，日常生活和工作都离不开编程思维，所以作为创客教育的一条主线，必须要理解编程思维，要学会一点点编程。但计算机语言学习非常困难，为了让小学生能够掌握编程，创客制作出来的图形化编程环境不需要记住繁多复杂的命令，只要理解编程的思维，把自己的想法用积木式的图形叠放在一起。中山版信息技术教材六年级教材加入了Scratch，这种积木式的程序编写，能让学生的逻辑创造思维得到更好的锻炼，也使学生相对直观地了解计算机“智能”的运行原理。
除了学好计算机语言，我们还需要用计算机语言控制硬件，目前最容易上手的硬件是Arduino及其传感器。Arduino被称为电子积木，使用不是太困难，它不但能够用在学习上，而且能够直接在实际生产工作中使用。Arduino及其传感器价格便宜，而且现在可用图形化编程来控制它，结合起来，用编程控制Arduino硬件就形成一条创客教育的主线。笔者所在的学校创客教育的开展就是采用Arduino及积木相结合的方式。从玩具入手，学生极易接受，再将普通玩具改造成智能玩具，就实现了从玩家到创客的转变。
机械原理与电路知识，对于小学生来说生涩难懂，但是通过这样的操作，不仅突破了硬件与软件衔接的障碍，而且会充分调动起孩子爱动手敢动脑的天性。通过高效的小组合作，学生可以在3分钟的时间内自由拼搭出复杂的坦克，可以用最普通的塑料积木件及寻线传感器制作出小车循迹。
2、结构件的延伸
2.1 利用生活中的器材。
利用生活中的器材，类似于科技创新比赛中的作品，这类作品是一种最像创客行为的创客作品，用实际生活中器材改造，做出来的作品千变万化。我们可以用图画、陶泥、布头、冰条棒、木材、铁罐、塑料瓶、铝型材等器材制作出自己的创客作品。
2.2 利用3d打印机或激光切割机等工具做机械结构
利用3d打印机或激光切割机等工具做机械结构，这种做法难度比较大，熟悉的技术工人都无法做好机械的整个体系，何况普通的教师和学生，它要求除了平面绘画外和3D建模外，还得熟知很多机械和结构方面的知识，这恰恰是在校教师最缺乏的，所以使用3d打印机和激光切割机对大部分初入门的教师来说还只是一种概念，有兴趣的教师可以先学一下autocad和3D建模简单软件。
2.3 用积木做结构件
用积木做结构件，现行常见的积木有乐高类、螃蟹王国类、扁平洞洞板类(如龙越积木等)，这些积木都是学生喜欢的玩具，用在教学中制作出新的作品，可以作为机械结构，甚至可以做出机器人，非常吸引学生的注意力。
掌握了图形化编程、微控制Arduino板、传感器和机械结构以后，创客教育的主体就出来了，它是创客教育的主干，一棵大树除了主干外，还得有枝枝叶叶，才能形成丰富完善的创客教育体系。我们必须先要掌握主线，这样才不会让开展创客教育的教师感到迷茫，创客作品是千变万化的，但教育必须要有系统性，先有规矩，才能成方圆。在这条主线中，我们要学会编程，学会动手操作，学会机械，在动手动脑的过程中产生创意。
因此在创客教育初期，笔者认为能够掌握编程控制硬件，做出创客作品已经走出了第一步，随着入门后能力的提高，可逐渐提升到艺术和工程上来，跨学科融合教育的模式已经出现并在不断发展。在基层中小学教师中，信息技术教师是最年青、最有活力、技术能力最好的一个群体，有能力并且应该走在创客教育的最前列。
四、在小学校园中开展基于Arduino创客教育课程的重要性。
1、突破现今小学信息技术课堂教学的困境。
信息技术课堂教学的核心并不是某个软件的使用，而是最大可能地激发学生的创造性，培养孩子们的信息素養。面临信息技术的“瓶颈”，开展基于Arduino创客教育的课程，除了与时俱进，更能解决现今小学信息技术课堂教学的困境。在使更多学生的创造性思维得到锻炼，保持孩子们学习的兴趣之余，让孩子们的创意更接近现实，让创意“触手可及”。
2、探索培养学生更直观的创造性思维的途径。
开发适合小学的课程，开展创客教育，其主旨是搭建发挥学生创造力的平台，用学科整合的思想去培养学生的整体素养。培养小创客，让孩子敢于把各种创意转变为现实。
3、加快创客工作室成立的进程。
“有为才有位”，通过创客教育课程的开展与研究，定点小学，依托信息技术，打造区域的创客工作室，把做法及成效辐射到周边地区。
4、拓宽信息技术兴趣班参赛的途径。
近几年各级别的电脑制作比赛，除了常规的项目之外，还不断地加入了如虚拟机器人、Scratch、创客作品等新项目，大有融合、取代之势。因此，要通过“创客兴趣小组”活动，在校园中培养更多的小创客，拓宽学生电脑制作参赛的组织参加途径。
五、开展创客教育课程所面临的问题与思考。
1、知识体系庞杂，涉及内容广泛。
“创客教育”课程涉及到的知识体系庞杂，包括电子电路、艺术设计、编程思维、创新思维，所包含的知识体系复杂、多样，而小学生知识储备与相关认知水平很难做到融会贯通，在实际的项目实践过程中会发现很多“模仿”现象，但这也是“知其然，不知其所以然”。怎样将复杂的知识体系简易化、儿童化，使其通俗易懂，是我们需要思考的重要问题，我们将在接下来的实践中，尝试引入更多真实生活中的情境，加深学生对相关知识内容的理解。
2、学生认知差异大。
学生认知水平差异是公认的事实，怎样在这样庞杂的知识体系和项目实践中，照顾不同认知水平的学生成为更大的挑战。
3、实验设备管理与维护难度大。
Arduino相关的实验设备复杂多样，开展小班实验尚可应付，如果开展大班常规教学，设备的常规管理与维护将占用相当多的时间与精力，而且实验设备几乎都是无保护裸露状态，设备本身极易损坏也容易刺伤学生手指。因此，怎样合理有效地管理实验设备同样是一个严峻的挑战，目前比较常规的做法是实行小组长负责制，小组长负责小组的设备管理与维护。
六、结束语
新事物或潮流的出现，总是由一颗种子（先行者）开始萌芽。同样，创客教育这颗种子要在农村扎根，则需要“穷创客”的默默耕耘。“穷创客”的“穷”，一是资源局限性，二可理解为“穷其力量，穷尽所想”。希望学校领导要重视，小学教师开展创客教育付出很多，如果还要教师自己出钱买器材，参与的教师将会更少。虽然创客教育可以不需要投入很多的钱，但必须要细水长流，持续少量投入购买作品所需器材，一次性买齐是不可取的，是一种浪费的行为，因为在学习和创作的过程中要用到不同的器材才能做出千变万化、与众不同的作品。笔者希望通过基于Arduino创客教育课程在小学的开展与研究，探寻出适合小学教育的创客教育新模式。
参考文献：
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