創客教育裝備現狀調研及發展趨勢研究

• 來源： 原創 更新時間： 2017-10-26 點擊： 5550次

• 　　 隨著人類科學技術日新月異，在國際競爭已轉型為科技的競爭的大環境下，“創客運動”應運興起，近年來，中國教育界也應時投入創客教育、創客團隊、創客人才的的發展培養研究與實踐熱潮，這也成為中國教育裝備采購網不容忽視的國家發展使命擔當。創客教育裝備與創客教育，無異于武器與軍隊的關系，是戰爭勝負的重要決定因素之一。特刊載此文，是希望在中國教育領域的眾多“處女地”中引起高度重視，并希望相關科研單位及企業不斷努力研發出順應時代發展的新型教育裝備產品，聯手打造未來中國的光明前景!

  　　近幾年，隨著“創客”運動的開展和普及，創客精神受到社會各界關注。創客的動手創新理念正是目前教育領域強烈提倡的，因此不少研究者倡導將創客理念帶入教育領域。美國新媒體聯盟每年發布的《地平線報告》是國際上預測技術在教育領域中應用的風向標。2014年的《地平線報告》對創客的應用前景進行了描述，更加激起教育者對創客教育的研究與實踐熱情。李克強總理曾在2015年《政府工作報告》中明確提出，要讓“眾多‘創客’脫穎而出，要讓眾多‘創客’能夠自由創業與成業”[2]。無論從全球發展趨勢還是國家政策層面，都可以看出創客教育的實踐價值與意義。

  　　“工欲善其事，必先利其器”，作為創客教育的重要組成部分，創客教育裝備在創客教育的發展進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展中心制訂的年度工作要點中，就提出要為創客教育和STEM課程提供教育裝備支撐，努力將教育裝備與課堂教學結合起來，以培養學生的創新設計能力和問題解決能力[3]。然而,目前對創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，不能很好地展現其發展概貌與未來發展趨勢，也不利于教育者在實施創客類教學活動時合理地選擇恰適的創客教育裝備。

  　　本研究試圖通過對中外相關文獻的研究與案例分析，探討創客教育裝備的基本分類，并對其發展趨勢作出預判。

  　　一、概念辨析

  　　為了更好地理解下文，下面就一些基本概念進行界定。

  　　(一)創客與創客空間

  　　創客(Maker)，本意是指“制造者”。廣義上講，涉及制作制造的都屬于創客，例如手工藝者。而現在，創客更多的是指利用網絡和新興科技，把創意變成現實，大膽創新的一群人[4]。創客以用戶創新為核心理念，是一個熱衷于創意、設計、制造的群體。作為創客活動的載體，創客空間是創客們共同創造作品，將自己的創意與眾人分享的實體實驗室[5]。近兩年，創客空間有從實體空間往虛體空間延伸的趨勢。

  　　(二)創客教育

  　　對于創客教育的概念，學者們從不同角度對其進行了界定。祝智庭等人認為,創客教育是在新興科技和互聯網社區發展的大背景下，以信息技術為基礎，傳承了體驗教育[6]、項目學習、創新教育、DIY等理念的學習模式[7]。楊現民等人認為，創客教育是以“開放創新、探究體驗”為理念，以“創造中學”為學習方式，以培養創新型人才為目的的新型教育模式[8]。而中國電子學會現代教育技術分會創客教育專委會則認為,創客教育是創客文化與教育的結合，以學生興趣作為基礎，通過項目學習的方式，使用數字化工具，倡導創物，鼓勵分享，以培養跨學科解決問題能力、團隊協作能力和創新能力為主旨的素質教育[9]。從中得見，創客教育正迎合了國家培養創新型人才的需求。

  　　(三)創客教育裝備

  　　教育裝備是完成教育任務有效組織起來的系統，是保障教學活動所需的資料、學具、儀器、設備以及相關軟件的總稱[10]。教育裝備可以說是教具、學具、工具和資源的統稱。創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，筆者將創客教育裝備定義為，在開展創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)、設備(如數控機床、3D打印機等)、軟件(如Scratch、APP Inventor等)、平臺以及相關資源等。

  　　二、研究設計

  　　(一)研究目標

  　　研究目標主要有兩個。第一，厘清當前市場上雜而多的創客教育裝備類型，并找出各類型的典型案例，以便為教育機構或教育者實施創客教育時合理地選擇裝備類型提供參考。第二，對創客教育裝備的發展趨勢作出相關預測，為各大公司和機構進行創客教育裝備設計與開發提供參考。

  　　(二)研究過程與方法

  　　本研究選取中國知網上與創客教育相關的文獻、典型的創客教育實踐案例以及相關博客進行分析，采用理論思辨文獻研究案例分析理論思辨的研究路線。首先通過文獻對創客相關的概念進行分析，厘清創客教育裝備的內涵;然后在中國知網上以“創客”并含“教育”以及“創客教育”為主題進行檢索，并鎖定核心期刊文獻，從中抽取與創客教育裝備相關的內容進行分析與歸類，并針對其發展現狀與趨勢進行剖析與預測。

  　　三、研究發現

  　　(一)基本情況

  　　截至2016年11月，以“創客”并含“教育”為主題在中國知網上進行檢索，得到期刊文章502篇;以“創客教育”為主題進行檢索，得到期刊文章為295篇。

  　　我國關于創客教育方面的文獻最早見于2013年，代表人物是北京景山中學吳俊杰及其研究團隊;2014年論文數量開始增加，2015年增加幅度明顯，而到2016年呈現井噴式的增長。進一步分析發現，這些文章涉及高等、中等、初等以及職業教育等多個教育領域以及工程學、計算機等多個學科，從中可推演出創客教育不僅僅局限于中小學，可見諸各個學段，并且呈現出與其他學科教學相融合的趨勢。

  　　筆者首先對檢索出的文獻進行了初步篩選與分析，剔除了開欄語、新聞稿等與創客教育關聯度不大的文獻，共得到280篇文獻，然后將這些文獻圍繞理論探索、教育革新、策略空間、應用效果和實踐應用等五個方面進行了分析，發現目前對創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客教育理念融入傳統課程建設、學生培養和學校創新環境建設中。相比之下，創客教育的實踐案例較少，說明在國內創客教育的研究大部分仍停留在理論層面;雖然大部分文獻也提及了創客教育裝備，然而針對創客教育裝備進行專門研究的論文不多。

  　　(二)創客教育裝備的主要類型

  　　根據本研究目標，對文獻進一步分析，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客教育裝備，然后針對這115篇論文進行了內容分析。分析變量為創客教育裝備，表1將每篇文章中提及的創客教育裝備進行列舉，然后對其進行分析、歸類，限于篇幅只列舉部分。

  　　目前市面上的創客教育裝備多而雜，良莠不齊，不利于創客教育裝備的良性發展和創客教師的選擇，故有必要對其進行分類。筆者發現，之前有研究者對于創客教育裝備進行了簡單的分類，王聰[11]在他的博文中就提到目前國內創客教育設備大致可以分為四類：一是通用技術類;二是開源電子套件類;三是3D打印類;四是機器人設備類。顯然，王聰主要從技術工具的視角對創客教育裝備進行了分類。Martin[12]從裝備的運作原理將創客教育數字化工具主要分為兩類，一是物理工具，如3D打印機、數控機床、激光切割機以及開源硬件等;二是邏輯工具，如微型控制器、微型計算機和其他電子產品類。而更多的研究者是從創客教育內容的視角進行了分類，如雒亮等[13]提出創客空間中應該包含“材料加工與手工制造”、“設計與 3D 打印”、“開源硬件設計與開發”三個結構域的內容。傅騫[14]認為，當前國內外開展的創客教育裝備主要有以下幾類：以圖形化編程軟件Scratch及擴展硬件為核心的創意程序設計、以開源硬件如Mbed、Arduino、Rasperberry Pi為核心的創意電子設計、以圖形化編程軟件App Inventor為核心的創意移動應用開發、以結構件和3D打印機為基礎的創意造型設計、以機器人為切入點的創新機器人開發。綜上所述，筆者按照創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、機器人類和其他，具體內涵界定如下：

  　　(1)電子互動類：主要是指開源硬件平臺、微型計算機、微型處理器等用于快速設計、可交互的電子設備。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、打印設備等用于硬件原型的設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、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)機器人類：主要是指制作機器人所需要的相關設備，包括各種電子元件、器材和相關材料，常見的如樂高機器人套件。這里要注意的是，機器人類創客教育裝備可能會包含前幾類創客教育裝備，所以這里特指除了上述類別以外用于制作機器人的裝備。

  　　(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、電烙鐵等基礎加工工具;和小型車床、銑床、鉆床、電鉆、角磨機等進階加工工具;以及各種常規材料、智能材料、電路連接等所涉及的創客教育裝備。

  　　在以上分類的基礎上，對這五種類型在篩選出的115篇論文中的所占數量進行了統計，見表2。其中，數量排在第一位的是建造建模類，這一類裝備大多聚焦于3D打印機和3D建模軟件。電子互動類創客教育裝備也較多，主要關注開源硬件平臺。

  　　對文獻進一步分析發現，目前創客教育裝備的應用熱點主要集中在三方面，一是以Arduino為代表的開源套件;二是3D打印;三是機器人。

  　　(三)創客教育裝備的典型案例分析

  　　此部分主要針對各類創客教育裝備的代表性“工具”和典型案例進行分析。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，開源硬件平臺的應用較為廣泛，尤其是Arduino以易實施、靈活性強、利于激發學生的興趣等優勢占據主流地位，其核心是讓學生利用現有的電子元件設計出創新的應用[15]。浙江省溫州中學謝作如團隊以Arduino為主要平臺構建創客課程體系作為校本選修課程，成為國內中小學創客空間的一個典型代表[16]，目前該系列課程已經成熟，《Arduino創意機器人》小學版和中學版教材已出版并提供電子版資源下載，為中小學開源硬件的創客教育實踐提供了參考。

  　　2. 建造建模類

  　　建造建模類創客教育裝備一出現，就引起了很多研究者的研究熱情，這一類別的當前熱點主要是依托風靡全球的3D 打印技術，因此研究文獻較多。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驅動和學習情境創設，結合3D打印技術解決實際問題，如學生在清晰的圖解信息基礎上，設計和3D打印風車葉片、齒輪等零部件，組裝風力發電機并測試 。近兩年，我國很多中小學也開設了3D打印課程，如在北京市東城區就有31所“三維創意設計與3D打印”課程實驗學校[18]。甚至3D打印課程與傳統課程進行了融合，如在語文課堂中運用3D“復活”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，適合中高年級的學生，而其較之電子互動類，價格稍微昂貴，如果是大型打印機對場地要求也較高。

  　　3. 編程語言類

  　　當前教育日益重視對于學生編程能力的培養，通過編程語言的學習來訓練學生的邏輯思維能力。這一類創客教育裝備的典型代表是Scratch軟件，是由美國麻省理工學院設計開發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者的關注。很多世界知名大學都開設了Scratch課程，美國信息技術教師聯盟CSTA在K–12計算機科學課程標準中還將其設為編程軟件的入門課程[20]。近幾年，我國華南師范大學附屬小學吳向東、華中科技大學附屬小學毛愛萍以及北京景山學校吳俊杰也利用Scratch進行了相應的課程教學實踐[21]。

  　　4. 機器人類

  　　通過機器人來激活學生創造思維與創新意識，培養學生的動手實踐能力，挖掘學生創新潛能，促進學生全面發展。其中，樂高機器人是目前創客教育中使用較多的機器人類創客教育裝備。利用樂高機器人進行創新設計最早源自美國的麻省理工學院(MIT)和塔輔茨(Tufts)大學[22]。機器人也可以與其他的創客教育內容聯系在一起，如3D打印技術，就可以用來制作機器人的零部件;開源硬件平臺可以用來制作機器人的核心芯片，通過在其上編程實現功能;編程工具則是為程序代碼服務，這些都為機器人教學提供了便利。王同聚[23]在廣州創建的 “智創空間(ZC Space)”中開設了中學生“Scratch與機器人融合創意智造”的體驗課程。該課程基于Scratch編程，結合機器人硬件實現機器人與電腦屏幕動畫角色的雙向控制，實現了虛實結合和軟硬交互。

  　　5. 其他

  　　除了上述四類外，還有一些傳統的創客裝備，如普通的機械工具、化工材料等。如Meadow小學的“棉花糖挑戰”[24]活動，教師在課堂中要求學生用未煮過的面條、膠帶、繩子和棉花糖，在有限的時間內搭建塔，通過共同探討倒塌的原因不斷改進設計，從而理解原理;馬云霞[25]等人就人工智能課程中“塑料PVC機械猴制作”這一內容進行創客教育設計，通過在課程中讓學生自己動手制作PVC機器猴來了解其運動的原理，加深理解，過程中只是使用了機械類的工具，如剪刀、美工刀、銼刀、電烙鐵等。

  　　四、創客教育裝備發展趨勢探析

  　　隨著技術發展與理念的轉變，創客教育將逐漸在各級學校和機構中普及，會形成完整的創客課程體系，創客理念也會逐漸進入傳統課程。那么，隨之創客教育裝備也會出現以下發展趨勢：

  　　(1)種類將更加細化，功能更加多樣。創客教育裝備從最開始的3D打印發展到Arduino等開源硬件平臺，又拓展到機器人設備等。未來隨著新興技術的發展，如人工智能、3D 打印、AR&VR等新興技術的崛起，創客教育裝備必會越來越多樣化，越來越細化，以滿足不同創客教育群體的需求。

  　　(2)將更具系統性、專業化。從以上文獻分析可以看出，目前創客教育所使用的裝備大多開發的初衷并不是用于教育領域，而是逐步移植到教育中來的，所以隨著創客教育運動的開展，創客教育裝備必會更具教育系統性和專業性。

  　　(3)將更加集成化、智能化。未來創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，為學生提供良好的學習體驗。現階段已經有公司對Scratch和Arduino進行了集成，將其整合成一個系統，這樣更有利于創客教育的開展。所以，可以預見創客教育裝備將會更加集成化、智能化。

  　　(4)創客教育裝備會逐漸形成一套完整的產業鏈生態圈。隨著創客市場化進程的不斷加速，從項目孵化器眾籌平臺，到硬件提供商，再到互聯網社區，創客運動市場已經快速形成了一套生產體系，而在未來創客教育裝備也會逐漸形成從硬件、軟件到支持服務的一套產業鏈生態圈。

  　　綜上所述，雖然目前市場上創客教育裝備多而無序，但是隨著技術的發展、理念的轉變以及創客教育的普及，創客教育裝備類別必會更加豐富，也會更趨教育專業性、趣味性以及智能化，以滿足不同教育場景、學習者所需。