傅 騫

(北京師范大學(xué) 教育技術(shù)學(xué)院，北京 100875)

基于“中國(guó)創(chuàng)造”的創(chuàng)客教育支持生態(tài)研究*

傅 騫

(北京師范大學(xué) 教育技術(shù)學(xué)院，北京 100875)

隨著創(chuàng)客教育在中國(guó)的逐步發(fā)展，創(chuàng)客教育支持生態(tài)的重要性日益凸顯。但可惜的是，當(dāng)前的創(chuàng)客教育支持生態(tài)完全被國(guó)外所壟斷，尤其是與創(chuàng)意電子設(shè)計(jì)相關(guān)的創(chuàng)客教育領(lǐng)域，而中國(guó)的技術(shù)水平和生產(chǎn)能力實(shí)際上已經(jīng)完全可以支持中國(guó)創(chuàng)客教育的發(fā)展。為此，該文在普及創(chuàng)客教育與發(fā)展“中國(guó)創(chuàng)造”的雙重需求下，提出基于“中國(guó)創(chuàng)造”的全新創(chuàng)客教育支持生態(tài)架構(gòu)，描述了該生態(tài)各個(gè)部分的初步實(shí)現(xiàn)，包括硬件工具、開(kāi)源固件、開(kāi)源軟件、教學(xué)理論和課程體系等內(nèi)容，并提出了該支持生態(tài)的推進(jìn)策略。

創(chuàng)客教育；中國(guó)創(chuàng)造；支持生態(tài)

一、問(wèn)題的提出

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的不斷變革，一場(chǎng)“全民創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新”的熱潮正在到來(lái)[1]。與此同時(shí)，以“激發(fā)創(chuàng)新與分享”為目標(biāo)的創(chuàng)客教育正在逐步發(fā)展。創(chuàng)客教育關(guān)注的更多是創(chuàng)意的激發(fā)而非知識(shí)的復(fù)制，所以創(chuàng)客教育的實(shí)施必須要有創(chuàng)客工具的支持，從而讓學(xué)生從繁瑣的知識(shí)復(fù)制中解脫出來(lái)，集中精力完成創(chuàng)新。創(chuàng)客工具的類型很多，根據(jù)相互之間的依賴關(guān)系，可將這些工具進(jìn)行層次劃分。將不同層次的創(chuàng)客工具組合起來(lái)，并與相應(yīng)的創(chuàng)客教育理論相結(jié)合，就構(gòu)成了創(chuàng)客教育的支持生態(tài)。

當(dāng)前創(chuàng)客教育的課程載體很多，如Scratch創(chuàng)意編程、Arduino創(chuàng)意電子、Lego創(chuàng)意機(jī)器人、3D創(chuàng)意打印等。其中，創(chuàng)意電子以其容易實(shí)施、靈活性強(qiáng)、便于激發(fā)學(xué)生的興趣和創(chuàng)新等優(yōu)勢(shì)占據(jù)主流地位。同時(shí)，學(xué)習(xí)過(guò)創(chuàng)意電子的學(xué)生更容易適應(yīng)其他課程的學(xué)習(xí)，所以本文對(duì)支持生態(tài)的描述將以與創(chuàng)意電子相關(guān)的創(chuàng)客教育支持生態(tài)為例。創(chuàng)意電子的核心是讓學(xué)生利用現(xiàn)有的電子模塊設(shè)計(jì)出創(chuàng)新的電子應(yīng)用，課程的重點(diǎn)是應(yīng)用的創(chuàng)新而非某種電路板的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，所以其課程設(shè)計(jì)必須建立在相應(yīng)的板卡、固件庫(kù)和編程工具的基礎(chǔ)之上。當(dāng)前在國(guó)內(nèi)占主流的是基于Arduino的創(chuàng)意電子平臺(tái)[2]，包含Arduino電路板、Arduino核心庫(kù)和Arduino IDE編程環(huán)境三方面內(nèi)容。由于國(guó)內(nèi)外有大量研究者為其設(shè)計(jì)課程和擴(kuò)展組件，生態(tài)比較完整，因此用戶群體也越來(lái)越多，這是一個(gè)良性生態(tài)的表現(xiàn)。但本文認(rèn)為，它在使用上還存在著一定的缺陷，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)所有Arduino電路板的微處理器都來(lái)自同一家公司。雖然Arduino本身的硬件是開(kāi)源的，但對(duì)于芯片廠商來(lái)說(shuō)卻是壟斷的，用戶的選擇范圍很小。同時(shí)，大多數(shù)Arduino電路板采用的還是早期的8位微處理器，功能有限，已經(jīng)很難滿足學(xué)生創(chuàng)意的多樣性需求。

(2)雖然Arduino提供了豐富的核心庫(kù)和擴(kuò)展庫(kù)，但用戶必須在電腦上才能編程，而且每次編程后都需要經(jīng)過(guò)“編譯→上傳”的過(guò)程。這不僅很大地限制了Arduino課程的開(kāi)設(shè)場(chǎng)合(只能在機(jī)房進(jìn)行)，更讓使用者感覺(jué)到極大不便。國(guó)內(nèi)中小學(xué)正在普及電子書(shū)包教育應(yīng)用，多數(shù)學(xué)校已經(jīng)達(dá)到了“一人一平板”的條件。如果學(xué)生可以通過(guò)平板電腦直接完成創(chuàng)意電子的開(kāi)發(fā)，便可以在很大程度上擴(kuò)展創(chuàng)意電子課程的普及程度。

(3)Arduino IDE是一個(gè)很方便的編程平臺(tái)，但使用的是基于C/C++的編程方式，面向的人群是具有程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的開(kāi)發(fā)者。當(dāng)前創(chuàng)客教育的主要對(duì)象是中小學(xué)生，學(xué)習(xí)C/C++程序設(shè)計(jì)會(huì)給教師和學(xué)生帶來(lái)極大困難。然而如果用積木式的圖形化編程方式，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，便于教師開(kāi)展教學(xué)。

綜上所述，從創(chuàng)客教育普及的角度而言，創(chuàng)意電子類創(chuàng)客教育需要更好的支持生態(tài)；從國(guó)家戰(zhàn)略的角度而言，把我國(guó)的創(chuàng)客教育發(fā)展完全建立在國(guó)外的支持生態(tài)基礎(chǔ)之上是不能接受的。與此同時(shí)，中國(guó)的芯片技術(shù)、開(kāi)源力量和創(chuàng)新能力已經(jīng)達(dá)到一定的水平，完全有能力構(gòu)建基于“中國(guó)創(chuàng)造”的創(chuàng)意電子類創(chuàng)客教育支持生態(tài)。

二、創(chuàng)客教育支持生態(tài)的組成及現(xiàn)狀

創(chuàng)客教育支持生態(tài)是個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)。參與者包括公司、學(xué)校、個(gè)人、興趣團(tuán)體等，產(chǎn)品形態(tài)包括芯片、板卡、固件、軟件、套件、課程、理論方法、交流平臺(tái)等，而且各種參與者和各類產(chǎn)品形態(tài)間存在復(fù)雜的聯(lián)系?；谝酝难芯?，本文總結(jié)出了創(chuàng)意電子類創(chuàng)客教育支持生態(tài)架構(gòu)圖，如圖1所示。

整個(gè)創(chuàng)意電子類創(chuàng)客教育支持生態(tài)的最底層是各類芯片，最頂層是各類交流平臺(tái)，具體描述如下：

(1)底層芯片：芯片是創(chuàng)意電子的基礎(chǔ)，分為微處理器芯片和非微處理器芯片。由于創(chuàng)意電子只對(duì)微處理器進(jìn)行編程，因此關(guān)注的核心是微處理器芯片。按照使用方式劃分，微處理器芯片主要包含兩大類：一類是開(kāi)放所有資源讓用戶直接操作的低性能微處理器，主要有AVR8、STM8、ARMCortex-M0/M0+/M3/M4等架構(gòu)；另一類則是通過(guò)操作系統(tǒng)來(lái)操作的高性能微處理器，包括ARMCortex-A8/A9、X86、X64、MIPS32、MIPS64等架構(gòu)。在芯片這個(gè)層次上，所有產(chǎn)品被大公司壟斷，個(gè)人和小團(tuán)體很難有話語(yǔ)表達(dá)的機(jī)會(huì)。

(2)硬件板卡：創(chuàng)意電子課程的目標(biāo)是激發(fā)創(chuàng)新應(yīng)用，而不是學(xué)習(xí)芯片的使用，所以學(xué)生需要借助各種各樣的硬件板卡來(lái)完成創(chuàng)意。硬件板卡分為兩大類：一類是搭載微處理器的主控板，如Arduino(主要基于AVR8)，mBed(主要基于ARMCortex-M0/M0+/M3/M4)，Edison(基于X86)，Raspberry Pi(基于Mips)等；另一類則是不含微處理器的擴(kuò)展板，如液晶顯示、馬達(dá)控制等。本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，擴(kuò)展板可以和各類主控板相配合，所以硬件板卡層次的核心是主控板。當(dāng)前的主控板一般都采用開(kāi)源硬件的方式發(fā)布。具體的流程是：由廠商或開(kāi)源組織設(shè)計(jì)并公開(kāi)其制作方式，然后由廠商、組織和個(gè)人按照開(kāi)源硬件協(xié)議進(jìn)行生產(chǎn)和發(fā)售。

(3)板卡固件：各類主控板的使用必須要通過(guò)相應(yīng)的板卡固件來(lái)工作，而板卡固件的提供方式將直接決定主控板的受歡迎程度。一般的開(kāi)源硬件組織都會(huì)提供相應(yīng)的板卡固件開(kāi)發(fā)工具或庫(kù)。根據(jù)板卡固件生成方式的不同可以把板卡固件分成三大類：第一類是操作系統(tǒng)方式，如Edison和Raspberry Pi，它們都采用了修正過(guò)的Linux操作系統(tǒng)作為固件。這類板卡的使用對(duì)用戶來(lái)說(shuō)和操作一臺(tái)電腦沒(méi)有任何區(qū)別，靈活性也非常大，但對(duì)于板卡硬件資源的訪問(wèn)有一定的限制；第二類則是解釋器方式，板卡的固件相當(dāng)于一個(gè)代碼解釋器，用戶直接使用各類腳本語(yǔ)言操作即可，如當(dāng)前流行的eLua、Micro Python、Espruino三個(gè)面向微處理器的解釋器，可以在多個(gè)主控板上運(yùn)行；第三類則是以軟件庫(kù)的形式提供，用戶需要借助于庫(kù)自行編譯一個(gè)完整的固件給板卡使用，如mBed和Arduino。在這三類使用方式中，后兩類面向的都是低性能的微處理器，第二類使用起來(lái)比較方便，第三類則功能最強(qiáng)。

(4)上位軟件：不管是何種方式的固件，用戶都需要借助編程工具與板卡固件進(jìn)行交互或生成全新的固件來(lái)操作主控板。這是在整個(gè)創(chuàng)意電子課程中，用戶花費(fèi)時(shí)間最多的工作。在整個(gè)創(chuàng)意電子支持生態(tài)中，編程工具是核心。當(dāng)前創(chuàng)意電子的編程方式主要有兩大類：一類是文本編碼方式，如Arduino IDE、SMeshStudio等。這種方式具有強(qiáng)大的編程能力，但對(duì)用戶的要求較高，適合專業(yè)人士；另外一類則是圖形編碼方式，如ArduBlock[3]、mBlock[4]等。盡管這種方式編程能力較弱，但對(duì)用戶沒(méi)有基礎(chǔ)要求。更重要的是，用戶可以以類似拼接積木的方式進(jìn)行編程，使用起來(lái)非常方便，更適合在中小學(xué)的創(chuàng)客教育中使用。

(5)成套商品：能夠應(yīng)用于教育教學(xué)的套件是把不同的組件打包在一起而形成的，而非獨(dú)立的板卡。只有電子類模塊的套件即為電子開(kāi)發(fā)套件；如果加入結(jié)構(gòu)件，便構(gòu)成了機(jī)器人套件。任何一種套件的核心都是主控板和其相應(yīng)的上位編程軟件，套件的組件種類及組合理念將會(huì)影響套件的普及程度。當(dāng)前的套件設(shè)計(jì)主要由廠商進(jìn)行，然而隨著創(chuàng)客教育的發(fā)展，各類教師及課程的設(shè)計(jì)者將日漸主導(dǎo)套件的設(shè)計(jì)。

(6)理論方法：創(chuàng)客教育的目的是激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新與分享意愿，并讓學(xué)生從中享受快樂(lè)。這種教育的理念雖然與傳統(tǒng)的以知識(shí)傳授為主的教育理念有較大的區(qū)別，在教學(xué)方法和課程設(shè)計(jì)方面得到了一定的理論支持。在教學(xué)方法中，當(dāng)前比較有影響力的是樂(lè)高的4C教學(xué)法[5]，它把整個(gè)教學(xué)過(guò)程分成了四步：聯(lián)系(Connect)：通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境，提出問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣；建構(gòu)(Construct)：利用所學(xué)知識(shí)，自主搭建與之有關(guān)的作品；反思(Contemplate)：通過(guò)團(tuán)隊(duì)交流，思考并分享搭建中的相關(guān)知識(shí)，積累經(jīng)驗(yàn)；延續(xù)(Continue)：擴(kuò)展思路，加入新的元素，培養(yǎng)孩子的創(chuàng)新能力。在課程設(shè)計(jì)方面還沒(méi)有研究者為此專門進(jìn)行過(guò)深入的研究。

(7)課程活動(dòng)：創(chuàng)客教育的開(kāi)展樣式很多，最多的是課程和活動(dòng)。課程指的是在教室開(kāi)展的教學(xué)活動(dòng)和內(nèi)容，比較體系化，如創(chuàng)意電子入門、創(chuàng)意機(jī)器人制作課程等。對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，課程的主要作用在創(chuàng)客教育的初期，為學(xué)生知識(shí)的積累和興趣的培養(yǎng)打下良好基礎(chǔ)。此后，學(xué)生參與的創(chuàng)客教育活動(dòng)應(yīng)以創(chuàng)客活動(dòng)為主。它將脫離課堂的限制，以綜合性的創(chuàng)意制作和展示為主，如創(chuàng)客馬拉松、校園創(chuàng)客嘉年華等。課程活動(dòng)處于創(chuàng)客教育生態(tài)的高層，門檻較低且需求量最大，因此國(guó)內(nèi)大量教師和研究者都在從事此方面的工作。

(8)交流平臺(tái)：處在創(chuàng)客教育生態(tài)中的各層次群體有著不同的需求，但都有相同的愿景，那就是讓自己的產(chǎn)品具有最大的影響力。在互聯(lián)網(wǎng)高度發(fā)達(dá)的今天，這種愿景只能通過(guò)基于網(wǎng)絡(luò)的交流平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。平臺(tái)上需要發(fā)布課程、活動(dòng)、套件、主控板等信息并構(gòu)建用戶與用戶、用戶與產(chǎn)品之間的交流機(jī)制。當(dāng)前這樣的平臺(tái)主要有兩類：一類是產(chǎn)品的提供方(包括公司、機(jī)構(gòu)及團(tuán)隊(duì))為配合產(chǎn)品宣傳自主搭建的交流平臺(tái)，這類平臺(tái)數(shù)目眾多但影響力有限；另外一類則是綜合性的創(chuàng)客交流平臺(tái)，它面向所有產(chǎn)品和個(gè)人開(kāi)放，如Makefaire.com網(wǎng)絡(luò)，它是一個(gè)在世界范圍內(nèi)擁有一定影響力的，具有電子商務(wù)功能的，線上線下為一體的交流平臺(tái)。交流平臺(tái)處在整個(gè)生態(tài)的最上層，是新用戶了解創(chuàng)客教育的入口，具有很重要的意義。

綜上所述，創(chuàng)客教育支持生態(tài)是一個(gè)極其龐大又相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)。在整個(gè)支持生態(tài)中，我國(guó)的成果并未發(fā)揮太大的影響力，作為其主要成果的課程活動(dòng)本質(zhì)上是在幫助國(guó)外的生態(tài)體系做推廣。這不僅無(wú)法滿足創(chuàng)客教育在中國(guó)普及的要求，更與“中國(guó)創(chuàng)造”的戰(zhàn)略大相徑庭。因此，我們必須建立基于“中國(guó)創(chuàng)造”的創(chuàng)客教育支持生態(tài)。

三、基于“中國(guó)創(chuàng)造”的創(chuàng)客教育支持生態(tài)初步構(gòu)建

隨著時(shí)間的推移，中國(guó)在信息技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)和生產(chǎn)能力已位居世界前列，加之強(qiáng)大的教師和教研隊(duì)伍以其豐厚的理論研究和課程研發(fā)儲(chǔ)備作支撐，在創(chuàng)意電子領(lǐng)域，我國(guó)完全有能力從最底層開(kāi)始創(chuàng)建一個(gè)完整的創(chuàng)客教育支持生態(tài)。支持生態(tài)的構(gòu)建不僅能為更好地普及創(chuàng)客教育打好基礎(chǔ)，更能在全球領(lǐng)域體現(xiàn)“中國(guó)創(chuàng)造”的價(jià)值，下面便對(duì)這一支持生態(tài)的具體組成及關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)描述。

1.基于“中國(guó)創(chuàng)造”的創(chuàng)客教育支持生態(tài)基本組成

創(chuàng)客教育支持生態(tài)是一個(gè)極其龐大的系統(tǒng)，一個(gè)人或一個(gè)組織獨(dú)自幾乎無(wú)法完成構(gòu)建，因此需要一種內(nèi)在的聯(lián)系將各個(gè)部分有機(jī)整合在一起。本文采用直接使用、整合研發(fā)、獨(dú)立研發(fā)和理論建構(gòu)等多種思路構(gòu)建初步生態(tài)，基于“中國(guó)創(chuàng)造”的創(chuàng)客教育支持生態(tài)，如圖2所示。

圖2 基于“中國(guó)創(chuàng)造”的創(chuàng)客教育支持生態(tài)架構(gòu)

在整個(gè)支持生態(tài)的技術(shù)層面上，采用了國(guó)產(chǎn)的GD32系列芯片作為底層芯片，它基于ARMCortex-M3架構(gòu)生產(chǎn)，具有性價(jià)比高、使用方便的特點(diǎn)；采用了基于XBed架構(gòu)的主控板，該架構(gòu)在體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上充分考慮了用戶編程的需要，用戶可以選擇使用耳機(jī)線、WIFI、藍(lán)牙、串口等方式進(jìn)行編程；板卡固件采用了獨(dú)立研發(fā)的MixIO開(kāi)源系統(tǒng)，它本質(zhì)上是一個(gè)基于微處理器的Javascript解釋器；上位軟件采用了獨(dú)立研發(fā)的Mixly圖形化編程系統(tǒng)，它是一個(gè)基于網(wǎng)頁(yè)技術(shù)的圖形化編程系統(tǒng)。有了底層的基礎(chǔ)以后，對(duì)于成套商品而言，定制廠商和個(gè)人只需要根據(jù)特定的應(yīng)用選擇模塊并打包。這種“菜單式”的選擇方式為用戶提供了最大程度的自主性和開(kāi)放性。

在方法理論層面，我們提出“SCS創(chuàng)客教學(xué)法”和“面向主題的創(chuàng)客教育課程設(shè)計(jì)方法”。前者突出了創(chuàng)客教育理念中的創(chuàng)新和分享精神，后者把創(chuàng)客教育的課程和人的本質(zhì)情感聯(lián)系在一起，有利于更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新熱情。在課程活動(dòng)層面，采用開(kāi)放研發(fā)的方式，將更多的自主權(quán)交給教師，只要教師設(shè)計(jì)的課程建立在底層生態(tài)之上，就可以說(shuō)是體現(xiàn)了“中國(guó)創(chuàng)造”的理念。處于支持生態(tài)最上層的交流平臺(tái)肩負(fù)著推廣生態(tài)的重大責(zé)任，其目標(biāo)是讓整個(gè)生態(tài)能夠可持續(xù)發(fā)展。由于生態(tài)的構(gòu)建尚處于起步階段，交流平臺(tái)的架構(gòu)還處于設(shè)計(jì)之中。

2.創(chuàng)客教育技術(shù)支持生態(tài)

技術(shù)支持生態(tài)處于創(chuàng)客教育支持生態(tài)的底層。完善合理的技術(shù)支持生態(tài)將吸引更多的研究者在其基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)課程，隨之而來(lái)的理論研究者也將以此為基礎(chǔ)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，從而讓此生態(tài)發(fā)揮更廣泛的影響力。創(chuàng)客教育技術(shù)支持生態(tài)的用戶體驗(yàn)方式如圖3所示。

圖3 基于“中國(guó)創(chuàng)造”的創(chuàng)客教育支持生態(tài)用戶應(yīng)用示意圖

基于這一技術(shù)支持生態(tài)，用戶可以在各種智能終端(包括手機(jī)、平板、電腦)上通過(guò)Mixly圖形化編程系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行MixIO固件系統(tǒng)的xBed主控板進(jìn)行編程控制。一旦把主控板和各種電子及機(jī)械擴(kuò)展組件相連，用戶便能方便地完成多種電子產(chǎn)品、智能機(jī)器人的搭建和開(kāi)發(fā)。整合研發(fā)xBed主控板并不涉及過(guò)多的技術(shù)難點(diǎn)，因此本文重點(diǎn)描述MixIO和Mixly系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

MixIO是一個(gè)面向微處理器開(kāi)發(fā)的JavaScript解釋器，基于mBed[6]和Espruino[7]開(kāi)發(fā)。Espruino是一個(gè)開(kāi)源的基于STM32微處理器的JavaScript解釋器，它的出現(xiàn)使得用戶可以直接通過(guò)解釋語(yǔ)言型JavaScript來(lái)操控微處理器。因?yàn)槔@過(guò)了編譯器的限制，用戶就可以在各種智能終端和操作系統(tǒng)上來(lái)編程操控微處理器，但它在設(shè)計(jì)之初綁定了STM32微處理器，應(yīng)用范圍比較有限。而mBed是ARM公司推出的面向微處理器的開(kāi)源操作系統(tǒng)，它的目標(biāo)是讓用戶忘記不同微處理器之間的差別，用同樣的編程方式來(lái)控制不同的微處理器?？紤]到mBed和Espruino各自的優(yōu)勢(shì)，筆者將Espruino移植到mBed操作系統(tǒng)之上，實(shí)現(xiàn)了所有mBed支持的微處理器都可以實(shí)現(xiàn)JavaScript解釋執(zhí)行的目標(biāo)，并加入了mBed中的Wifi/藍(lán)牙/USB等通訊協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)了各種智能終端都能方便完成編程控制的要求。

Mixly是一個(gè)面向微處理編程控制的圖形化編程系統(tǒng)，它基于Google的Blockly[8]圖形化編程框架開(kāi)發(fā)，采用純網(wǎng)頁(yè)技術(shù)，任何能運(yùn)行Chrome瀏覽器的智能終端都能使用。Mixly在設(shè)計(jì)上充分考慮了開(kāi)放性，除了支持Mixly本身自帶的基本模塊以外，還允許用戶自定義模塊并導(dǎo)出給其他用戶使用，既方便后續(xù)用戶的使用，同時(shí)體現(xiàn)使用者的價(jià)值。Mixly可以支持多種類型的主控板，包括當(dāng)前主要使用的Arduino和本生態(tài)系統(tǒng)主推的MixIO，Mixly的主界面如圖4所示，呈現(xiàn)的是操控Arduino主控板實(shí)現(xiàn)紅外遙控?zé)舻膱D形化編程代碼。

圖4 Mixly主界面

3.SCS創(chuàng)客教學(xué)法

為了更好地指導(dǎo)教師開(kāi)展創(chuàng)客教育，在支持生態(tài)的理論部分提出的SCS創(chuàng)客教學(xué)法，其核心是簡(jiǎn)化教師開(kāi)展創(chuàng)客教育的過(guò)程，并提升教師在創(chuàng)客教育中的使命感，同時(shí)更好地讓學(xué)生享受創(chuàng)新和分享的快樂(lè)?！癝CS創(chuàng)客教學(xué)法”從兒童最擅長(zhǎng)的模仿學(xué)習(xí)入手，把整個(gè)創(chuàng)客活動(dòng)分成七個(gè)步驟。由于所有步驟的英文單詞首字母連起來(lái)是SCSCSCS，所以將其命名為“SCS創(chuàng)客教學(xué)法”。其具體步驟描述如下：

(1)情懷故事引入(Story)：情懷故事引入的目的是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以創(chuàng)設(shè)貼近學(xué)生生活的真實(shí)情境。在這里SCS創(chuàng)客教學(xué)法通過(guò)一個(gè)情懷故事來(lái)創(chuàng)設(shè)情境，把要學(xué)的內(nèi)容和人的本質(zhì)情感聯(lián)系在一起(如親情、友情、鄉(xiāng)情、民族文化認(rèn)同之情等)，激發(fā)學(xué)習(xí)者的內(nèi)部動(dòng)機(jī)。如通過(guò)“母親節(jié)的到來(lái)”學(xué)習(xí)用Scratch制作電子賀卡；通過(guò)“中國(guó)傳統(tǒng)節(jié)日的由來(lái)”學(xué)習(xí)用3D打印節(jié)日禮物；通過(guò)“家”的概念學(xué)習(xí)用創(chuàng)意電子設(shè)計(jì)一個(gè)溫暖的“家”等。

(2)簡(jiǎn)單任務(wù)模仿(Copy)：通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單任務(wù)模仿強(qiáng)化學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，以增加自我效能感，從而增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。這種以任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式區(qū)別于傳統(tǒng)的講授法，學(xué)生會(huì)全身心地通過(guò)快速模仿達(dá)到既定的目標(biāo)，有利于激發(fā)學(xué)生的思考，活躍思維，使學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)。

(3)知識(shí)要點(diǎn)講解(State)：當(dāng)完成了簡(jiǎn)單任務(wù)后，學(xué)生會(huì)思考其中的知識(shí)原理。通過(guò)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況講解知識(shí)與技能、過(guò)程與方法，以幫助學(xué)生達(dá)到深入理解的目的。需要注意的是，創(chuàng)客教育關(guān)注知識(shí)的應(yīng)用而非知識(shí)的復(fù)制，因此老師在講解知識(shí)點(diǎn)時(shí)要注意多講一些知識(shí)點(diǎn)的綜合應(yīng)用知識(shí)，而非知識(shí)點(diǎn)本身的深入講解。

(4)擴(kuò)展任務(wù)模仿(Copy Extended)：擴(kuò)展任務(wù)模仿是一個(gè)可選步驟，如果這次活動(dòng)中新引入的知識(shí)點(diǎn)并不復(fù)雜，則可以跳過(guò)此步驟。需要注意的是，擴(kuò)展任務(wù)的設(shè)計(jì)必須建立在簡(jiǎn)單任務(wù)模仿之上，只能是功能的增加，不能引入新的知識(shí)點(diǎn)。只有這樣，學(xué)生才有興趣去完成該擴(kuò)展任務(wù)并獲得更好的成就感，否則學(xué)生會(huì)質(zhì)疑原先簡(jiǎn)單任務(wù)模仿的意義而產(chǎn)生挫折感。

(5)創(chuàng)新激發(fā)引導(dǎo)(Stimulate)：當(dāng)完成了兩次任務(wù)模仿以后，學(xué)生思維得到了發(fā)散，進(jìn)而希望探索更多的可能性。這時(shí)教師需要對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新進(jìn)行激發(fā)和引導(dǎo)，建議從兩個(gè)方面進(jìn)行指導(dǎo)：一是全局方面，教師需要對(duì)新知識(shí)的創(chuàng)新應(yīng)用進(jìn)行啟發(fā)性引導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生朝哪些方面進(jìn)行創(chuàng)新；二是個(gè)體方面，教師需要對(duì)學(xué)生的創(chuàng)意進(jìn)行評(píng)估和改進(jìn)，從而保證學(xué)生能夠完善并完成自己的創(chuàng)新。教師的創(chuàng)新激發(fā)必須是方向性的而非具體的，否則創(chuàng)客教育激發(fā)創(chuàng)新的目標(biāo)就無(wú)法達(dá)到；但激發(fā)引導(dǎo)又是必須的，否則有些學(xué)生會(huì)因感覺(jué)無(wú)從下手而產(chǎn)生強(qiáng)烈的負(fù)荷感。

(6)協(xié)同任務(wù)完成(Cooperation)：在創(chuàng)新激發(fā)階段，學(xué)生已經(jīng)開(kāi)始了協(xié)同學(xué)習(xí)，通過(guò)討論得出了一個(gè)有創(chuàng)意并且能夠完成的作品設(shè)計(jì)，進(jìn)而通過(guò)協(xié)同合作，共同完成作品的開(kāi)發(fā)?？紤]到協(xié)同的效率，建議學(xué)生們進(jìn)行模塊化分工，分配角色以確保每一位學(xué)習(xí)者都參與其中，協(xié)同完成任務(wù)。在創(chuàng)客教育中，學(xué)生的參與度越高，得到的快樂(lè)程度就越高。在協(xié)同任務(wù)完成階段，教師還需要幫助引導(dǎo)學(xué)生完成設(shè)計(jì)。對(duì)于創(chuàng)客教育而言，讓學(xué)生享受到創(chuàng)新和分享的快樂(lè)遠(yuǎn)比知識(shí)的復(fù)制性學(xué)習(xí)重要。所以在這個(gè)環(huán)節(jié)，教師一定要對(duì)完成作品有困難的學(xué)生給予充分指導(dǎo)，直至他們實(shí)現(xiàn)自己的創(chuàng)意。

(7)成功作品分享(Share)：創(chuàng)客教育注重分享。提倡學(xué)生通過(guò)對(duì)自己創(chuàng)意作品的分享來(lái)體會(huì)創(chuàng)新和快樂(lè)。創(chuàng)新是分享的基礎(chǔ)，分享是創(chuàng)新的動(dòng)力。學(xué)生非常樂(lè)于分享自己的作品，特別是當(dāng)其創(chuàng)新分享得到群體認(rèn)同后，他會(huì)更努力地去進(jìn)行創(chuàng)新，并在創(chuàng)新和分享的循環(huán)中充分享受創(chuàng)客教育帶給他的樂(lè)趣。因此，教師非常有必要給學(xué)生創(chuàng)造分享的機(jī)會(huì)。

經(jīng)過(guò)本研究團(tuán)隊(duì)的多次實(shí)踐表明，“SCS創(chuàng)客教學(xué)法”對(duì)教師而言簡(jiǎn)單易用，對(duì)學(xué)生而言切實(shí)有效，可以快速指導(dǎo)學(xué)校實(shí)施創(chuàng)客教育。如表1所示，這是一節(jié)基于“SCS教學(xué)法”設(shè)計(jì)的創(chuàng)意電子課的示例，設(shè)計(jì)突出了“家”這一人人依戀的情感，增強(qiáng)了學(xué)生的主人翁意識(shí)，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)作熱情。

表1 “SCS創(chuàng)客教學(xué)法”創(chuàng)意電子課示例

4.面向主題的創(chuàng)客教育課程設(shè)計(jì)

創(chuàng)客教育在我國(guó)開(kāi)展以來(lái)，國(guó)內(nèi)的教師和研究者們基于國(guó)外的底層生態(tài)開(kāi)發(fā)了一系列的創(chuàng)客教育課程，這為國(guó)外創(chuàng)客教育生態(tài)進(jìn)入我國(guó)提供了幫助，也為創(chuàng)客教育的普及發(fā)揮了重要作用。分析總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，這些課程的核心還停留在了知識(shí)點(diǎn)的傳授上，全課程只是通過(guò)不同知識(shí)點(diǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系把課程串在一起。這種課程設(shè)計(jì)方式對(duì)于創(chuàng)客教育來(lái)說(shuō)并不合適。創(chuàng)客教育關(guān)注的是創(chuàng)新和分享，其目標(biāo)是學(xué)生健康人格的培養(yǎng)。知識(shí)固然重要，但創(chuàng)客教育有著更高的要求，希望把知識(shí)的運(yùn)用和人的情感表達(dá)更好地聯(lián)系起來(lái)，因此筆者在基于“中國(guó)創(chuàng)造”的創(chuàng)客教育支持生態(tài)中提出了面向主題的創(chuàng)客教育課程設(shè)計(jì)方法，它建立在“SCS創(chuàng)客教學(xué)法”之上，突出了科技和人文的結(jié)合。其主線不是知識(shí)而是知識(shí)的領(lǐng)域應(yīng)用。一共由以下四個(gè)步驟組成，具體描述如下：

(1)從人情感出發(fā)選定主題：在面向主題的創(chuàng)客教育課程設(shè)計(jì)中，主題是整個(gè)課程的主線，所有的課程都圍繞知識(shí)這個(gè)主題的應(yīng)用展開(kāi)。筆者推薦的是從人的情感出發(fā)選定主題。人的情感有親情、友情、鄉(xiāng)情、民族文化認(rèn)同之情等，一旦把整個(gè)課程建立在人的情感的基礎(chǔ)之上，學(xué)生就會(huì)覺(jué)得知識(shí)的運(yùn)用離自己如此之近，所學(xué)的知識(shí)對(duì)于自己意義如此重大。比如以家為主題，可以設(shè)計(jì)一個(gè)創(chuàng)意電子課程來(lái)探討如何構(gòu)建一個(gè)溫馨的家、安全的家、快樂(lè)的家、美麗的家；以禮物為主題，可以設(shè)計(jì)一個(gè)創(chuàng)意電子課程來(lái)探討如何在不同的節(jié)日設(shè)計(jì)一個(gè)創(chuàng)意電子禮物送給朋友。

(2)從易到難設(shè)計(jì)課程活動(dòng)：任何一門創(chuàng)客課程都需要由多個(gè)創(chuàng)客活動(dòng)組成，當(dāng)選定了主題以后，就需要從學(xué)生能夠接受的程度在同一主題下設(shè)計(jì)多個(gè)由易到難的活動(dòng)。根據(jù)我國(guó)學(xué)制的實(shí)際情況，具體的活動(dòng)數(shù)應(yīng)該在14-16左右，也就是一個(gè)學(xué)期的課程?；顒?dòng)的設(shè)計(jì)是整個(gè)創(chuàng)客教育課程設(shè)計(jì)最核心的內(nèi)容，基本思路是：后續(xù)活動(dòng)盡量使用前面已完成的任務(wù)成果；每次增加的知識(shí)點(diǎn)一定要在學(xué)生可接收的范圍內(nèi)；考慮主題人物的先后內(nèi)在聯(lián)系和知識(shí)點(diǎn)本身的內(nèi)在聯(lián)系。如前面說(shuō)的“禮物”主題，在活動(dòng)的設(shè)計(jì)上既要考慮節(jié)日的先后順序，還要考慮任務(wù)的難易程度，整個(gè)課程活動(dòng)的設(shè)計(jì)是個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程。

(3)依“SCS創(chuàng)客教學(xué)法”細(xì)化活動(dòng)：在設(shè)計(jì)了詳細(xì)的課程活動(dòng)之后就需要結(jié)合“SCS創(chuàng)客教學(xué)法”來(lái)細(xì)化每節(jié)課的具體任務(wù)。根據(jù)“SCS創(chuàng)客教學(xué)法”的要求，每節(jié)課的活動(dòng)由三部分任務(wù)組成，即簡(jiǎn)單任務(wù)模仿、擴(kuò)展任務(wù)模仿和自主創(chuàng)意任務(wù)。教師需要對(duì)前面兩個(gè)活動(dòng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，以達(dá)到學(xué)生可以直接模仿的效果；而對(duì)于自主創(chuàng)意任務(wù)來(lái)說(shuō)，需要設(shè)計(jì)具體的創(chuàng)意激發(fā)和引導(dǎo)策略，根據(jù)每個(gè)活動(dòng)學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)的不同，其對(duì)應(yīng)的創(chuàng)意激發(fā)和引導(dǎo)策略也是不同的，此步驟的工作量相對(duì)較大。

(4)完成綜合任務(wù)表現(xiàn)主題：為了讓學(xué)生有更好的分享機(jī)會(huì)，需要在創(chuàng)客教學(xué)課程的最后設(shè)計(jì)一個(gè)綜合性的任務(wù)。當(dāng)然，教師只需提供設(shè)計(jì)該任務(wù)的方向即可，留下大量的空間讓學(xué)生們?nèi)グl(fā)揮。如教師可以設(shè)計(jì)一個(gè)以家為情境的互動(dòng)游戲創(chuàng)意電子任務(wù)，以表現(xiàn)中國(guó)傳統(tǒng)寓言為主題的創(chuàng)意電子任務(wù)等。綜合任務(wù)的設(shè)計(jì)一定要方便學(xué)生的展示，在課程的結(jié)束時(shí)讓學(xué)生更好地體驗(yàn)創(chuàng)新與分享的快樂(lè)。筆者設(shè)計(jì)的以“家”為主題的創(chuàng)意電子入門課程大綱，如表2所示。

表2 以“家”為主題的創(chuàng)意電子課程設(shè)計(jì)

5.基于“中國(guó)創(chuàng)造”的創(chuàng)客教育支持生態(tài)推進(jìn)策略

面向“中國(guó)創(chuàng)造”的創(chuàng)客教育支持生態(tài)應(yīng)用方便且擴(kuò)展性強(qiáng)，易于理解可操作性強(qiáng)，但發(fā)展現(xiàn)狀不容樂(lè)觀。由于基于國(guó)外Arduino架構(gòu)的創(chuàng)客教育支持生態(tài)已經(jīng)發(fā)展多年，具有極大的用戶群體和生態(tài)體系，很難在短期內(nèi)發(fā)生改變。為此，筆者就面向“中國(guó)創(chuàng)造”的創(chuàng)客教育支持生態(tài)設(shè)計(jì)了以下的初步推進(jìn)策略。

(1)通過(guò)Mixly圖形化編程工具吸引創(chuàng)客教育群體

對(duì)于現(xiàn)有的基于Arduino架構(gòu)的創(chuàng)客教育支持生態(tài)而言，面向中小學(xué)創(chuàng)客教育的圖形化編程工具的缺失是它的主要障礙，基于C/C++語(yǔ)言的編程方式在很大程度上限制了開(kāi)課范圍。即便出現(xiàn)了ArduBlock這樣的第三方圖形化編程工具，也未必能突破這一障礙。所以本支持生態(tài)中的Mixly系統(tǒng)首先提供了對(duì)Arduino主控板的完美支持。Mixly因其免費(fèi)、開(kāi)源、方便使用、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在很短時(shí)間內(nèi)吸引了大量的Arduino用戶，縮近了筆者闡述的支持生態(tài)和各類創(chuàng)客教育群體的距離，為這一生態(tài)的后續(xù)推廣打下了堅(jiān)實(shí)的用戶基礎(chǔ)。

(2)通過(guò)面向主題的創(chuàng)客教育課程方法激發(fā)教師的創(chuàng)作熱情

自創(chuàng)客教育理念進(jìn)入我國(guó)起，國(guó)內(nèi)教師便設(shè)計(jì)了大量的創(chuàng)客教育課程。然而，由于這些課程以知識(shí)點(diǎn)的傳授為核心，課程的主線都是各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，所以不同老師設(shè)計(jì)的課程差異不大，屬于同一水平的重復(fù)操作，課程設(shè)計(jì)者的價(jià)值并未得到很大體現(xiàn)。而“面向主題的創(chuàng)客教育課程設(shè)計(jì)方法”給老師的課程設(shè)計(jì)提供了新的思路。基于這一方法設(shè)計(jì)的課程將深深打上課程設(shè)計(jì)者的烙印，體現(xiàn)設(shè)計(jì)者的風(fēng)格并促使其形成特色，從而讓不同的課程設(shè)計(jì)者相互區(qū)分并更好地體現(xiàn)自身的價(jià)值。

(3)設(shè)計(jì)并推出與Arduino兼容的硬件支持體系

當(dāng)Mixly已經(jīng)被廣泛接受且大量創(chuàng)客教育工作者用其來(lái)設(shè)計(jì)創(chuàng)意課程時(shí)，便可以推出處于生態(tài)底層的主控板。初期將在硬件設(shè)計(jì)上完全與Arduino兼容，但預(yù)裝MixIO固件系統(tǒng)，軟件為Mixly系統(tǒng)。對(duì)用戶而言，原有的所有操作方式都沒(méi)有改變，但操作起來(lái)更加方便。不但可以使用電腦進(jìn)行傳統(tǒng)方式的編程控制，還能夠通過(guò)平板、手機(jī)等進(jìn)行更靈活地編程。同時(shí)，這一套硬件與Arduino相比具有更高的性價(jià)比，用戶樂(lè)于接受，從而對(duì)促進(jìn)基于“中國(guó)創(chuàng)造”的創(chuàng)客教育支持生態(tài)發(fā)展具有重要的意義。

(4)發(fā)展完整的基于“中國(guó)創(chuàng)造”的創(chuàng)客教育支持生態(tài)

當(dāng)人們?cè)趧?chuàng)客教育中自然地選用基于“中國(guó)創(chuàng)造”的底層工具以后，就可以架構(gòu)起一個(gè)完整的基于“中國(guó)創(chuàng)造”的創(chuàng)客教育支持生態(tài)。與此同時(shí)，可以建立一個(gè)開(kāi)放的聯(lián)盟，吸引更多的國(guó)內(nèi)企業(yè)、開(kāi)源團(tuán)體和研究機(jī)構(gòu)參與到這一生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展中來(lái)，最終在世界范圍內(nèi)體現(xiàn)“中國(guó)創(chuàng)造”的價(jià)值和這一創(chuàng)客教育支持生態(tài)的影響力。

四、總結(jié)與展望

本文描述了一個(gè)完整的基于“中國(guó)創(chuàng)造”的創(chuàng)客教育支持生態(tài)的初步實(shí)現(xiàn)。雖然這一支持生態(tài)的構(gòu)建尚處于起步階段，但是無(wú)論是當(dāng)前Mixly軟件的推廣效果，國(guó)內(nèi)廠商的支持程度還是廣大教師基于新方法重新設(shè)計(jì)課程的熱情，均已為這一生態(tài)的普及創(chuàng)造了良好的機(jī)遇。我們堅(jiān)信，在這一支持生態(tài)的幫助下，未來(lái)必將創(chuàng)造中國(guó)創(chuàng)客教育的嶄新輝煌，有力提升“中國(guó)創(chuàng)造”的影響力。

[1]安蓓.開(kāi)啟大眾創(chuàng)業(yè)萬(wàn)眾創(chuàng)新新時(shí)代[N].人民日?qǐng)?bào),2014-09-11(03).

[2]Arduino Team.Introduction [EB/OL].https://www.arduino.cc/en/Guide/Introduction,2015-08-25.

[3]Ardublock.A Graphical Programming Language for Arduino[EB/OL].http://blog.ardublock.com/,2015-08-25.

[4]MakeBlock.Using Scratch-style Coding to Program Arduino Robots inspired by Scratch [EB/OL].http://mblock.cc/,2015-08-25.

[5]曾永強(qiáng).為創(chuàng)作而學(xué)——4C教學(xué)法在小學(xué)Scratch教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)信息技術(shù)教育,2013,(4):48-49.

[6]ARM.mbed OS [EB/OL].http://www.mbed.org/technology/os/,2015-08-25.

[7]Espruino Team.Quick Start[EB/OL].http://www.espruino.com/Quick+Start,2015-08-25.

[8]Google.Blockly is a library for building visual programming editors [EB/OL].https://developers.google.com/blockly/,2015-08-25.

傅騫：副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾畔⒓夹g(shù)教育、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及教育應(yīng)用、創(chuàng)客教育(fredqian@bnu.edu.cn)。

2015年8月15日

責(zé)任編輯：趙興龍

A Preliminary Study of Supporting Ecosystem for Maker Education Based on Chinese Innovation

Fu Qian
(School of Educational Technology,Beijing Normal University,Beijing 100875)

With the development of maker education in China,its supporting ecosystem has become more and more important.However,the supporting ecosystem has been dominated by foreign countries,especially in the related fi elds of maker education in Creative Electronics.Meanwhile,China’s science and technology has grown to be able to create a new supporting ecosystem for maker education in China.Therefore,a new supporting ecosystem for maker education based on Chinese innovation was described here for popularizing maker education in china and spreading the idea of Chinese innovation.Moreover,the preliminary realization of supporting ecosystem is given,including the tools of hardware,open source fi rmware and software,industrial theory and curriculum system.Finally,a promoting strategy for the new supporting ecosystem was posted.

Maker Education; Chinese Innovation; Supporting Ecosystem

G434

A

1006—9860(2015)11—0006—07

* 本文受北京市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2015年度課題“面向北京市中小學(xué)創(chuàng)客教育的教學(xué)體系研究——以創(chuàng)意電子教育為例”(項(xiàng)目編號(hào)：CJA15234)資助。