创客教育环境下的信息技术课程创新教学探究
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摘 要：创客教育是一种注重创新实践和合作分享的教育活动，信息技术课程又是中小学学科中一门知识性与技能性相结合的基础工具课程，开展基于创客教育的信息技术教学的创新与实践顺应时代潮流和需要。文章探讨了将创客教育理念融合到信息技术教学中的创新与实践理论模式（IDDITCS），分为构想创意课题、设计创客项目、设计创客子项目、模仿子项目、讲解拓展知识内容、协同设计与制作总项目、分享评价完善七个步骤。并以信息技术课程“算法与程序设计”和“电子控制技术”模块的教学内容为依托，使用Arduino作为嵌入式服务器的主控制器和Mixly编程软件，以制作智能家居系统为主题进行一系列基于创客教育的信息技术课程创新探讨。
关键词：创客教育;信息技术课程;创客教学模式
中图分类号：G421 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2020）02-0026-05
一、研究背景
在“互联网+”时代背景下，素质教育的呼声日益高涨，而创客教育作为融合信息技术的教育产物受到了前所未有的关注。教育部办公厅关于征求对《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见（征求意见稿）》的通知中要求探索创客教育等新教育模式，使学生具有较强的信息意识和创新意识。
“创客”一词源于英文单词“Maker”，指出于兴趣与爱好，将创意变成现实的人，通常创客指的是应用新软件、新硬件将创意变成实际产品的人[1]。祝智庭总结了创客教育的内涵，以信息技术的融合为基础，传承了体验教育、项目学习法、创新教育、DIY的思想，鼓励学生利用新技术来设计、制作、分享和跨时空的学习，通过实践将自己的想法变成现实[2]。由此可以看出创客教育是一种注重创新实践和合作分享的教育活动，可拓展学生的体验和想象力，提高学生动手操作能力，这正是素质教育和创新人才培养的诉求。
信息技术作为一门注重实践应用的综合课程，是培养学生综合素质的基础课程。信息技术课程又是中小学学科中一门知识性与技能性相结合的基础工具课程，重点培养能够独立思考的创造者，这与创客教育注重实践和创造的理念不谋而合。開展基于创客教育的信息技术教学创新与实践，既顺应了时代潮流和需要，也有利于信息技术教学的发展。那么，如何在创客教育背景下推动中学信息技术教学的创新与实践？本文将就此展开深入探讨。
二、信息技术课程教学现状分析
中高考的压力，使得信息技术教学的实际效用出现了一些偏差。信息技术课程的教学往往采用单一的传统讲授式教学方法，教学内容滞后，强调教学内容的系统性和逻辑性，按照直线式组织教学内容，难以激发学生的学习兴趣。
随着开源软件和硬件的发展，每个人都可以成为创客，中学信息技术课程教学也需要紧跟时代潮流，转变只教授内容的教学观念。创客教育鼓励学生创造和创新，引导学生利用数字技术将自己的想法变为现实产品，进行设计、制作、分享的学习。即使没有高额的设备经费投入，每间教室也可成为创客空间，可以通过在教室里搭建创客空间，开发创新的信息技术课程，使创客教育理念融合到信息技术教学当中成为一种可能。
具体怎样才能将创客教育理念融合到信息技术教学的创新与实践中呢？我们需要探讨创客教学法的应用模式，很多学者给出了他们的想法。郭晓珊等人提出了“创客”学习模式：专题学习、创意构想、设计开发、实践应用。朱龙、胡小勇提出面向创客教育的设计型学习模式，以实践项目为引导，融合学科知识，包含探究设计反思等环节[3]。徐畅提出了确定项目、设计路径、项目实施、分享完善的模式。
IDMSE创客教学法是指创意（Idea）—设计（Design）—制作（Maker）—分享（Share）—评价（Evaluation），教师和学生各自将上述步骤贯穿于教学过程设计中[4]。教师创设学习情境，学生创作项目作业，体现双主体教学模式。
SCS创客教学法包括七个步骤：情怀故事引入（Story）、简单任务模仿（Copy）、知识要点讲解（State）、扩展任务模仿（Copy Extended）、创新激发引导（Stimulate）、协同任务完成（Cooperation）、成功作品分享（Share）。[5]
分析上述学者提出的创客教学模式，首先，不管是“专题”“实践项目”还是“创意”“情怀故事”，都传承了项目学习法的理念，即“以项目为主线、教师为引导、学生为主体”，在一定的时间内教师提出或者教师引导学生选择、计划、提出一个项目构思，然后教师再引导学生明确项目所要解决的实际问题是什么，笔者将这一步骤称为构想创意课题。
其次，综合上述学者的“设计路径”“简单任务”“设计”的表述，可得出第二个步骤是教师和学生根据提出的创意课题来设计相关主题的项目，即讨论最后所要呈现的创意课题相关的成品和结果。这一步骤笔者总结为设计创客项目。
再次，“开发”“实施”“制作”等是进入第三个步骤的表述，但提法比较笼统抽象。第二个步骤提出要开发的各个项目，而具体实施开发制作的过程并不容易，这涉及到新的应用于信息技术课堂的创客教学法与传统信息技术教学方法的碰撞与冲突，那么如何最大程度地缓和这个矛盾，既能兼顾信息技术课程教学内容要求，又能体现实践创新创造的理念呢？这需要将实施、开发、制作细分为几个步骤，笔者借鉴SCS创客教学法将第三个步骤细化为设计创客项目、设计创客子项目、模仿子项目、讲解拓展知识内容等。
然后是“实践应用”和“协同作品完成”，即将创意课题做成成品。笔者将这一步骤称为协同设计与制作总项目。最后，几位学者提到了“探究设计反思”“分享评价”“分享完善”“成功作品分享”，即通过分享完善作品进行评价，笔者称之为“分享评价完善”步骤。 综上所述，本文提出了如何把创客教育理念融合到信息技术教学中的创新与实践理论模式：构想创意课题（Image Topic）、设计创客项目（Design Project）、设计创客子项目（Design Subproject）、模仿子项目（Imitate Subproject）、讲解拓展知识内容（Teach And Broaden Knowledge）、协同设计与制作总项目（Cooperate Production）、分享评价完善（Share And Evaluation）七个步骤，简称IDDITCS模式。
下面，笔者将运用IDDITCS模式，以信息技术课程“算法与程序设计”和“电子控制技术”模块的教学内容为依托，使用Arduino作为嵌入式服务器的主控制器和Mixly编程软件，以制作智能家居系统为主题进行一系列基于创客教育的信息技术课程创新探讨。
三、案例设计
1.选用“算法与程序设计”和“电子控制技术”模块的原因
信息技术科目的选修部分“算法与程序设计”与部分安排在“通用技术”科目必修模块《技术与设计Ⅱ》的“控制与设计”主题和选修模块“电子控制技术”主题，可融合创客教育理念于信息技术课堂教学中。
（1）“算法与程序设计”模块融合创客教育理念进行创新教学的可能性与现实性分析
“算法与程序设计”模块的学习一般设置在高二上学期，是信息技术的选修内容，没有统一的学业评价方式。教学的目的是使学生在原有基础上进一步体验算法思想，了解算法和程序设计在解决问题过程中的地位和作用，能从简单问题出发设计解决问题的算法，并能初步使用一种程序设计编程语言编制程序，实现算法解决问题。所以信息技术课程标准中对“算法与程序设计”这一模块的总体要求并不是让学生掌握某种程序语言，而是通过某种程序语言实现算法解决实际问题的过程，其重点还是让学生掌握解决问题的方法和提升学生的计算思维。
这部分内容教师难教，学生难学。主要原因是知识内容枯燥难懂，学生起点低，一般的讲授难以提起学生的学习兴趣，没有自身经验的驱动，学生难以理解学习内容。目前比较好的方式是教师编写例题，把知识点放在学生生活的问题情境中，让学生思考解决问题的方法。这种方法虽然给学生创造了贴近生活的学习情境，却不如直接动手实践更能促进知识的学习和内化，而这部分内容又操作性很强，比较强调动手实践。
还有一种教学方式是依托VB或Scratch编程软件。VB是面向对象的程序设计语言，但是界面枯燥单一，没有太多色彩，难以刺激学生的感官，吸引学生的注意力。Scratch界面比较活泼，创作出来的是动画或游戏，但只可在电脑上浏览动态成果。如果把创客理念融入到这部分内容的教学过程中，运用Mixly编程工具搭载Arduino创客套件，成品变成了现实世界中可观可感的科技小发明，比起动画实物成品更能激发学生的学习兴趣，使学生沉浸在虚拟数字世界与现实感官世界的学习环境中，将理论与实践真正结合起来，引导学生注意寻找、发现身边的实际问题，并动手创造作品，促进程序设计这部分知识的掌握。
Mixly编程工具是北京师范大学教育学部创客教育实验室付骞老师团队开发的图形化Arduino编程软件，其界面简洁、操作简单，抛弃了复杂的程序代码，使用积木式的堆叠法来完成程序的编写，既符合学生的认知水平，又能满足学生的求知欲，使學生接触了程序设计的思维领域。
（2）“电子控制技术”模块融合创客教育理念进行创新教学的可能性与现实性分析
信息技术的部分相关内容安排在“通用技术”科目中，在选修部分中设置“电子控制技术”和“建议机器人制作”两个模块。在《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》中，电子控制技术是运用电子电路实现信息和能量改变的技术。“电子控制技术”模块为学生提供了学习设计和制作电子控制系统的机会，以便学生接触和尝试解决更具有趣味性、更富有价值的技术问题。
这部分教学内容的教授方法主要是理论讲授，其内容复杂抽象，需要学生动手实践内化知识。笔者通过文献阅读发现，一些教师确实探索了电子控制课程实验平台，但实验平台的程序设计环境采用WAVE 6000，对于高中生来说，这种编程环境中的代码设计过于复杂。
电子控制技术分设传感器、数字电路、电磁继电器、电子控制系统及应用5个模块。Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包括开源硬件和Arduino IDE。Arduino是现实世界的连接者，输入现实世界中光线、声音、温度、各类按钮操作等要素，通过编程进而实现Arduino单片机处理，与输出设备LED、LCD、各类电机、蜂鸣器等连接，实现硬件与软件连接和软件与硬件的连接[6]。Arduino创客套件廉价易得，由21个传感器、电机、灯泡继电器、开关、电阻等元件构成。利用Arduino创建电子控制技术课程，基本可以涵盖电子控制技术5个模块的简单应用和基本内容。Arduino作为时下流行的开源硬件，封装了很多函数和大量的传感器函数库，借助其丰富的传感器及输入输出模块，只需简单的硬件连接，便可快速地实现有趣的交互体验，非常有利于激发学生的学习兴趣，有利于设计动手和实践体验的创客课程。弱化硬件编程，侧重创意实现，这点符合该学习模块的学习要求。
2.案例说明
以制作智能家居系统为例，探讨如何把创客教育理念融合到信息技术“算法与程序设计”和“电子控制技术”模块的教学创新与实践中，依托的是Arduino创客套件和Mixly编程软件。
教学环境：Arduino UNO、IO扩展板（配套资源包采用了一体主板，可直接使用）、红外遥控器、红外接收模块、LED灯（2个）、温度传感器、LCD显示屏。
（1）构想创意课题 教师根据信息技术选修课程“算法与程序设计”和“电子控制技术”模块的教学目标和教学内容以及学生已有的知识水平，构想创客项目，创设贴近学生生活真实情境提出问题，最终确定贯穿本学期教学的一个创客课题。
教师创建情境：通过一个发生在家中的小偷入室抢劫的事故，提出如果家中安装了防盗报警系统和红外防盗装置，则可以放心出行的设想。智能家居是目前的热点，其特点在于家电设备可以根据环境的变动和需求，做出相应的反馈，也可以将不同的家电控制集中在一个控制终端上。本案例使用Arduino套件中的遥控器，制作一个“多合一”的智能家居中控系统的技术原型。现代智能家居系统可以让家人享受安全舒适的家庭生活，引导学生思考还有哪些智能家居系统的应用情境。
学生讨论：因为创客课题很贴近学生生活，学生会有兴趣提出更多的智能家居功能。比如，在家中遇到危险时如何释放求救信号灯，如何自动调节室内灯光强弱，如何用声音控制光线强弱等情境。在这个过程中，教师可以引导学生将创客课题更加优化。最后确定课题名称为“制作智能家居系统”。
（2）设计創客项目
构想好创客课题之后，在信息技术课程的具体教学过程中，设计创客项目是信息技术课程创新与实践的重要任务。在设计创客项目的过程中，要把“项目为中心”作为基本理念，教师围绕创客理念如何与信息技术课程标准相融合，在社会文化背景下根据信息技术教学需要，结合学科内容来制定创客项目。创客项目是以创客课题为背景提出的一系列融合信息技术知识点和现实情境的项目，这些项目可以是教师经过思考后提出，也可以是教师思考结合学生对课题讨论的产物，总之这一步是将创客理念运用于信息技术课程创新与实践最为关键、教师工作量最大的一部分。
本文案例“制作智能家居系统”，将原本难懂、枯燥的“算法与程序设计”“电子控制技术”知识，转变为学生感兴趣的项目，使学生沉浸在虚拟和现实的学习环境中，通过项目学习、体验学习、创新学习，利用Mixly编程工具和Arduino创客套件来设计、制作、分享项目作品，通过实践将自己的想法变成现实，把知识转变为学生的学习经验，拉近学生与学习内容的距离，提高学习效果。具体项目和所涉及到的“算法与程序设计”“电子控制技术”的知识点如表1所示。
（3）设计创客子项目
设计创客子项目的过程就是根据信息技术课程学时来安排编制教学计划的过程，创客子项目的设置应遵循由易到难的顺序，根据教育心理学“最近发展区”的认知理论设计创客子项目并安排其顺序。
具体思路如下：后续子项目尽量使用前面完成的子项目，每次子项目增加的知识内容一定要在学生的认知范围内，做到适应性与超越性相结合。比如，在“制作智能家居系统”这一案例中，第一个项目制作调光台灯，因为这个项目的程序设计包含变量声明和模拟输出等知识点，所以必须设计“先行组织者”以便学生更好地同化知识，即包含项目所需知识点的简单子项目。将如何制作闪烁的LED灯、求救信号灯、交通警示灯作为项目的一系列子项目，每个子项目难度深化。从简单的LED灯闪烁引入如何编写简单模拟输出的程序，再到SOS求救信号灯有规律地闪烁，知识点增加到使用for循环和变量声明，然后是多个LED灯制作交通警示灯，知识点从一个for循环增加到内循环，从单端口输出控制到多端口输出控制。各项目按照知识点难易的先后顺序编制的子项目如表2所示。
（4）子项目模仿
教师提供Arduino电子模块搭建的操作方法和Mixly程序设计代码，学生模仿操作，通过每一个简单子项目的模仿使学生获得强烈的成就感，强化学生的学习热情，从而优化学习效果。这种DIY动手实践的形式和项目驱动的理念，摒弃了传统信息技术课程的讲授法，使学生有兴趣模仿子项目的完成过程，快速获得成品，在动手实践过程中思考一条条积木化的图形编码是如何作用于成品的每一项功能，激发学生思考其原理，使学生转变学习方式，由被动学习转变为主动学习，发展了学生的逻辑思维。
（5）知识讲解与拓展
学生在完成简单子项目的过程中，会思考其中的知识原理。学生已经有了先前的学习经验，再由教师对知识内容做出有针对性的讲解，达到了建构学习的效果，加深了对知识点的理解。教师在讲解知识内容时要注意知识的综合应用，而非知识本身的系统具有逻辑性的讲解。比如，在讲解智能防盗报警器时需要用到的电子模块数字贴片磁感应传感器，学生在之前模仿制作的过程中一定思考过其中的原理：比如数字贴片磁感应传感器是如何在报警系统中发挥作用，当门锁的簧片受磁铁吸引而弹起与电极接触，实现电路联通，这是现实的工作原理，那如何在程序中体现簧片受磁铁的吸引呢？学生会自然而然地联系到程序设计中用数字引脚的高低电平表示吸引和断开的两种状态。
上述是经过学生实践、思考、分析学习到的经验，教师在讲解过程中应点到为止，不需要深入讲解数字贴片磁感应传感器原理及应用，而是要注意讲解知识的迁移过程和综合应用，引导学生思考如何将数字贴片磁感应传感器换成别的家电会使用的传感器。比如数字钢球倾角传感器。电暖气、电风扇、台灯等设备为了满足功能或安全需要，使用时应保持直立状态。鼓励学生思考更多的应用情境，并把制作智能防盗报警器的知识迁移到倾倒报警器的制作中，自己试误、设计和制作。各子项目的拓展任务和所涉及知识点如表3所示。
（6）协同设计与制作总项目
学生通过协作合作，以小组的形式设计制作并完成总项目的开发。协同合作要求每一个学生大胆提出自己的设计思路。首先，进行模块分工确保每一个学生都有任务，协同完成任务。其次，如果合作成功，其间有不同制作意见可相互交流。如不成功，教师帮助引导学生完成设计。比如，随着知识的学习，学生会产生更多的关于设计智能家居系统的灵感和想法，运用某种传感器制作一个智能浇花提醒器、智能晾衣架等智能家居。提出想法后，教师应鼓励学生将想法转化为产品，引导学生进行设计。比如，告知学生智能晾衣架需要运用水分传感器，参考智能防盗报警器和倾倒报警器的程序进行设计，让学生探索实践进行创作。
（7）分享评价完善
组间分享小组作品成果，相互之间提出建议，完善作品。学生在分享作品的过程中获得快乐，也可以分享到微博、朋友圈等社交平台和创客交流平台，如Makefaire.com网络，通过分享获得社会认同。
四、结语
创客教育对促进素质教育的发展具有重要意义，信息技术教育在素质教育中占据了极其重要的地位，探讨如何在创客教育背景下推动中学信息技术教学的创新与实践，有助于信息技术教学改革和促进创新型人才的培养[7]。本文在总结其他学者创客教学法的基础上提出了IDDITCS模式，并根据该模式以信息技术课程“算法与程序设计”和“电子控制技术”模块的教学内容为依托，使用Arduino作为嵌入式服务器的主控制器和Mixly编程软件，以制作智能家居系统为创意课题，进行了一系列基于创客教育的信息技术课程创新探讨，旨在抛砖引玉以供读者参考，并希望能完成设想的实践，切实结合创客教育提高中学信息技术教学的效率和质量。
参考文献：
[1]申静洁，赵呈领.创客教育融入学科课程：一种实践路径的设计研究[J].中国电化教育，2019（3）：22-31.
[2]祝智庭，孙妍妍.创客教育：信息技术使能的创新教育实践场[J].中国电化教育，2015（1）：14-21.
[3]朱龙，胡小勇.面向创客教育的设计型学习研究：模式与案例[J].中国电化教育，2016（11）：23-29.
[4]杨晓彤，谢幼如，钟如光.网络空间支持的中小学创客教学模式研究[J].电化教育研究，2017，38（1）：101-107.
[5]傅骞.基于“中国创造”的创客教育支持生态研究[J].中国电化教育，2015（11）：6-12.
[6]郝新春.创客教育的教学实践研究——以Snap+Arduino平台为例[J].中国电化教育，2018（7）：129-133.
[7]郑燕林，李卢一.培育实践智慧：创客教育的本质目标与实施策略探析[J].电化教育研究，2017，38（2）：26-33.
（编辑：李晓萍）
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