利用積木式編程工具開展中小學(xué)創(chuàng)客教育優(yōu)秀獲獎科研論文

利用積木式編程工具開展中小學(xué)創(chuàng)客教育優(yōu)秀獲獎科研論文[摘要]信息技術(shù)教師在中小學(xué)開展創(chuàng)客教育，可以從積木式編程工具入手，通過帶領(lǐng)學(xué)生體驗程序開發(fā)與設(shè)計的過程、構(gòu)建思維導(dǎo)圖、設(shè)計并生產(chǎn)“產(chǎn)品”等，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用知識以及團隊合作的能力，引領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)創(chuàng)客的大門。

[關(guān)鍵詞]創(chuàng)客教育；STEM；積木式編程工具；團隊合作；產(chǎn)品

當(dāng)前，全球創(chuàng)客運動正在蓬勃發(fā)展。我國部分中小學(xué)校已在創(chuàng)客教育的路上邁出了探索的步伐。中小學(xué)信息技術(shù)教師應(yīng)該充分利用積木式編程工具，如Scratch小貓積木編程軟件（簡稱“小貓積木”）、AppInventor手機編程軟件，提高學(xué)生程序設(shè)計的能力和水平。教師不僅可以把積木式編程工具用于程序設(shè)計教學(xué)，還可以借助這一工具，引領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)創(chuàng)客的大門。

一、創(chuàng)客與創(chuàng)客教育

有的學(xué)者認(rèn)為，“創(chuàng)客”一詞源自英文Maker（制作者）和Hacker（創(chuàng)造性地運用技術(shù)資源的人）的綜合釋義，是給能夠動手創(chuàng)造軟件或硬件產(chǎn)品的人的一種標(biāo)簽[1]。有的學(xué)者認(rèn)為，創(chuàng)客就是熱衷于創(chuàng)意、設(shè)計、制造的個人或群體[2]。有的學(xué)者認(rèn)為，創(chuàng)客是指把具備相當(dāng)?shù)募夹g(shù)挑戰(zhàn)的創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實的人，他需要具備一定的知識含量和創(chuàng)新、實踐、共享、交流的意識[3]。

從以上觀點可以看出，創(chuàng)客所具有的共同特征是：具備創(chuàng)新意識和能力，具備一定的技術(shù)能力，能創(chuàng)造軟件或硬件產(chǎn)品。創(chuàng)客創(chuàng)造的產(chǎn)品具備以下特點：一是產(chǎn)品的外觀有藝術(shù)性，體現(xiàn)人性化設(shè)計的特點；二是產(chǎn)品可能具有智能化的特點，體現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)”萬物互聯(lián)的特點；三是產(chǎn)品可能有一定的技術(shù)含量，如有機械、動力裝置等；四是產(chǎn)品的生產(chǎn)過程由個人或團隊完成，即使是個人完成的作品，也借鑒或使用了開源論壇上的工具和資源；五是產(chǎn)品能滿足個人或社會的某些需要，體現(xiàn)綠色、節(jié)能、環(huán)保的特點。

對于創(chuàng)客教育，研究者的觀點還未形成共識。有的學(xué)者認(rèn)為，創(chuàng)客教育（MakerEducation）從內(nèi)容層面看，指的是學(xué)習(xí)內(nèi)容或者創(chuàng)作項目需要多學(xué)科的運用，而不是單一學(xué)科內(nèi)容的學(xué)習(xí)，因而創(chuàng)客教育也是實施STEM教育的一種重要方式[4]。后來由于在多學(xué)科又加入了藝術(shù)（Art），STEM演變?yōu)镾TEAM。STEAM教育強調(diào)多學(xué)科融合，而工程問題的解決是關(guān)鍵。有學(xué)者認(rèn)為，在解決工程問題的過程中，可以借鑒生活當(dāng)中能見到的設(shè)計，也可以讓各個小組展開充分的討論，最終確定合理的工程技術(shù)路徑，并且激發(fā)學(xué)生的一系列奇思妙想，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造力[5]。因此，筆者認(rèn)為將“STEAM”中代表各學(xué)科的字母重新排列，變成“TEAMS（團隊）”，不僅可以強調(diào)學(xué)科融合，更能強調(diào)培養(yǎng)團隊合作的重要性。而重視分享、交流、合作也是創(chuàng)客教育的特色和亮點。因此有的學(xué)者認(rèn)為，創(chuàng)客教育培養(yǎng)人才的目標(biāo)是：勇于探索的創(chuàng)新精神；敢于接受失敗和挫折的不屈不撓的黑客精神；不近功利、協(xié)作交流的團隊大智慧[6]。

二、積木式編程工具開啟創(chuàng)客之門

Scratch是麻省理工學(xué)院（MIT）為八歲以上兒童設(shè)計開發(fā)的一套程序設(shè)計軟件。兒童可以用它創(chuàng)造性地設(shè)計出屬于自己的程序。這些程序包含動畫、游戲和交互式故事等。Scratch語言的設(shè)計理念是“想象、編程、分享”，教學(xué)目的不是為了培養(yǎng)少年程序員，而是讓兒童可以通過Scratch表達(dá)自己，幫助他們發(fā)展學(xué)習(xí)技能，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維，以及學(xué)會解決生活中的問題。它讓兒童能夠自己控制電腦，它不只是編程工具，更是一個強大的學(xué)習(xí)社區(qū)，它給教師提供了一種教的工具，它還是一款免費的軟件[7]。Scratch軟件把繁瑣的命令，變成了簡單易懂的“積木塊”形式，由于軟件中的默認(rèn)角色是一只小貓，因此又被叫作“小貓積木”。小貓積木非常適合小學(xué)中高年級學(xué)生用于學(xué)習(xí)程序設(shè)計。

AppInventor（簡稱AI）是一款由谷歌公司開發(fā)的手機編程工具，于2012年移交麻省理工學(xué)院，并被MITAppInventor公布使用，用戶能夠通過該軟件快速開發(fā)安卓系統(tǒng)的移動應(yīng)用。AI是快速開發(fā)移動應(yīng)用的設(shè)計工具，它通過積木式的堆疊法來完成安卓程式[8]，它還可以控制Arduino、ArduBlock等開源硬件。AI也采用了積木式編程界面，適合中學(xué)生用于學(xué)習(xí)程序設(shè)計。

三、利用積木式編程工具實施創(chuàng)客教育

教師要引導(dǎo)學(xué)生理解并掌握積木式編輯工具的應(yīng)用，設(shè)計合理的項目或任務(wù)，使學(xué)生通過合作與共享，完成有意義的“產(chǎn)品”，帶領(lǐng)學(xué)生逐漸進(jìn)入更高的創(chuàng)客境界。

1.遵循形象直觀的原則

以往的編程需要記憶很多命令和語法，比較抽象。積木式編程軟件提供了所見即所得的操作界面，形象直觀，降低了編程難度，使學(xué)生更容易理解并學(xué)會程序語言。如教師可以引導(dǎo)學(xué)生使用AI開發(fā)手機程序界面，配合開源硬件，制作出能夠自動報告濕度的花盆。又如六年級學(xué)生用小貓積木開發(fā)了“預(yù)防近視精靈”。該程序可檢測超聲波測距傳感器的數(shù)值，當(dāng)人眼與桌面距離低于規(guī)定閾限，設(shè)備就會發(fā)出提醒。

2.用“積木塊”構(gòu)建思維導(dǎo)圖

思維導(dǎo)圖是一種培養(yǎng)創(chuàng)新思維方式的工具，即利用一個關(guān)鍵詞從不同特性導(dǎo)出其他相關(guān)的關(guān)鍵詞，導(dǎo)出方式按照發(fā)散性思維的特征，從主干到各分支發(fā)散。對于每一分支可以使用不同的顏色標(biāo)識，線條的大小由粗到細(xì)，提示著由主干到枝葉的推導(dǎo)關(guān)系，思維導(dǎo)圖在表現(xiàn)形式上是樹狀發(fā)散結(jié)構(gòu)的[9]。積木式編程語言提供了一種思維的工具，學(xué)生借助這個工具進(jìn)行推理、表達(dá)，使思維更加清晰，并提高解決問題的能力。國外有些學(xué)者還嘗試了把積木式編程語言用于教授其他學(xué)科的內(nèi)容。

積木式編程工具能夠把思維的過程形象地展現(xiàn)出來，學(xué)生借助這個工具，可以培養(yǎng)發(fā)散性思維，更好地達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。這是一種創(chuàng)新型的思維導(dǎo)圖，由積木塊和自然語言構(gòu)成，重在表達(dá)思路和想法。在小貓積木中，可以用“思考”和“說”使積木塊呈現(xiàn)思維導(dǎo)圖的項目；在AI中，可以用“標(biāo)簽”里面的“文本顯示”實現(xiàn)相似的功能。這種新的思維導(dǎo)圖，不僅具有傳統(tǒng)思維導(dǎo)圖的特點，其生成的程序還能夠在電腦、手機上運行。這種寓教于樂的方式，能夠有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且更易于分享結(jié)果，提高了教學(xué)的效率和趣味性。

3.培養(yǎng)團隊合作的意識和能力

學(xué)生在將來的學(xué)習(xí)、工作當(dāng)中，必然要與不同的人合作，在義務(wù)教育階段，應(yīng)該重視團隊合作能力的培養(yǎng)。在確定項目目標(biāo)、內(nèi)容時，小學(xué)生會相對較多地依賴于教師。而在應(yīng)用積木式編程工具完成項目的過程中，教師要鼓勵每個學(xué)生以團隊為單位，共同確定方案。當(dāng)學(xué)生希望實現(xiàn)某個功能時，應(yīng)該啟發(fā)學(xué)生尋找適合的積木塊，鼓勵學(xué)生大膽嘗試，提倡學(xué)生借助微課、校本教材等學(xué)習(xí)資源合作解決難題。

4.體驗智能化程序的開發(fā)過程

智能化技術(shù)正在逐步融入到人們的日常生活中，以機器人為代表的智能化生產(chǎn)技術(shù)正在席卷全球，而智能化也是眾多創(chuàng)客產(chǎn)品的共同特點。在創(chuàng)客教育中，應(yīng)該滲透智能化程序開發(fā)的方法和技巧，為學(xué)生將來的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

學(xué)生對于編寫“有智能”的程序感到好奇。積木式編程工具有利于揭開“智能”的神秘面紗，使學(xué)生更容易編寫出有趣的程序。順序結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)對小學(xué)生來說比較抽象，可以結(jié)合積木塊，以動畫形式分步演示。技術(shù)上的難題需要逐步突破，循序漸進(jìn)、由淺入深地引導(dǎo)學(xué)生掌握編程的方法和技巧，結(jié)合有趣的例子，形象、直觀地揭示智能程序背后的奧秘。

5.生產(chǎn)“產(chǎn)品”——生成可執(zhí)行程序

有些地區(qū)出版的信息技術(shù)教材比較重視講解、傳授積木式編程的方法和技巧，教材中的范例也有趣而且生動，但是往往忽略了生成“產(chǎn)品”的步驟和環(huán)節(jié)。創(chuàng)客教育和平常的信息技術(shù)教學(xué)有何區(qū)別呢？以往的信息技術(shù)教學(xué)重視“作品要體現(xiàn)所學(xué)的技術(shù)和知識”，而創(chuàng)客教育更多地強調(diào)產(chǎn)品對現(xiàn)實生活產(chǎn)生影響，更加關(guān)注“產(chǎn)品”能否滿足個人或者社會的某些需求，更加關(guān)注學(xué)以致用，強調(diào)能夠解決實際的問題。

在小學(xué)小貓積木的教學(xué)中，可以引導(dǎo)學(xué)生制作“保護視力計時器”“打字游戲”“畢業(yè)紀(jì)念冊”等產(chǎn)品。在中學(xué)的AI教學(xué)中，可以引導(dǎo)學(xué)生制作“藍(lán)牙聊天室”“單詞記憶助手”“校園語音導(dǎo)游”等產(chǎn)品。這些產(chǎn)品既有趣味性，也有一定的實用性。小學(xué)生制作的小貓積木程序通過生成可執(zhí)行文件（后綴名為exe的文件），中學(xué)生制作的AI程序通過生成安卓程序安裝文件（后綴名為apk的文件），共享給他人并獲得反饋。

四、未來的發(fā)展方向

未來，小學(xué)生可以利用小貓積木程序控制智能硬件，例如ScratchforArduino；中學(xué)生可以利用AI編寫程序，通過手機的藍(lán)牙設(shè)備控制智能硬件。積木式編程工具具有旺盛的生命力，將來與虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VirtualReality）、增強現(xiàn)實技術(shù)（AugmentedReality）相結(jié)合，可能會產(chǎn)生立體的積木式編程界面