基于STEAM创客教育的校本课程构建与应用研究

摘"要：近年来深圳市中小学积极推动基础教育领域的创客发展，但STEAM教育和创客教育刚刚起步，相关的教学活动设计和实施策略亟待规范，基础性的活动资源与教材体系有待丰富与完善。从深圳市南山实验教育集团南海中学自身情况出发，利用“互联网+”的技术和思维，实施基于STEAM创客教育的学科资源整合，将之融入初中信息技术课堂，同时切实寻求一种以生为本、以课程开发为核心、分年级分层次开设、自主研发的综合类校本课程，创设多维动态的智能数字学习空间，积极营造校园科创文化氛围，拓展校企合作，形成STEAM教育和创客教育融合师资的培养机制，打造科创人才早期培养的教育基地。关键词：STEAM教育；创客教育；信息技术；校本课程；科创教育0"引言《教育信息化“十三五”规划》明确提出“有条件的地区要积极探索信息技术在‘众创空间’、跨学科学习（STEAM教育）、创客教育等新的教育模式中的应用”。深圳是国内教育信息化的领跑者，是“创客+STEAM”教育的先头部队。深圳市中小学引入新一代信息技术“武装”校园环境，通过积极推动创客空间建设、举办科创体验日、召开学科融合的研讨会、成立创客俱乐部等一系列活动，推动基础教育领域的创客发展，为教育信息化融合创新探明方向。虽然物联网、大数据、人工智能等信息技术迅猛发展，但是在信息化背景下STEAM教育和创客教育的融合在深圳市各中小学刚刚起步，相关的教学活动设计和实施策略亟待规范，基础性的活动资源与教材体系还有待丰富与完善，科学可行的教学设计模式尚未真正建立，缺乏相应的操作案例。本文从深圳市南山实验教育集团（简称南实集团）南海中学自身情况出发，通过分析STEAM教育与创客教育之间的不同，利用“互联网+”的技术和思维，提出两种教育方式的融合策略，自主研发、构建、开设创客教育的综合类校本课程，切实寻求一种以生为本，培养学生创新实践能力的课堂实践方法，同时通过创设多维动态的智能数字学习空间，积极营造校园科创文化氛围，打造富有智慧的学习环境。1"将STEAM创客教育融入初中信息技术课堂1.1"将STEAM创客教育引入初中信息技术课堂首先以科创教育为突破口，推动科创教育走进课堂，不断深化课堂改革，挖掘教学中的科创资源，扩大与科技交融的接触面，让科创教育扎根在课堂主阵地。探索多元化课堂教学模式，充分利用“云技术+多媒体技术”，用技术去创新教学。研讨STEAM教育和创客教育融合下的教学硬件、教学目标、教学策略和教学对象的设计。让不同学科的教师共同设计一堂操作性强的综合实践课程，在学科交叉融合的过程中开展课例研究，最终形成可以广泛实施的教学模式。其次是在“大智移云”背景下培养学生的信息素养，让学生在信息获取、处理与交流的过程中，掌握用信息技术解决问题的思想和方法，并将之积极应用在各项活动中，在实践中创新。学校已将人工智能与物联网创意编程纳入信息技术教学，以兴趣和自我实现为创新动力，以创新和实践为两条主线，以探究、体验的学习方式和知行合一、学以致用的态度开展科技创新和实践活动，既丰富了中学生的学习生活，又拓展了信息技术教育的内涵，深受广大师生的欢迎。1.2"基于STEAM创客教育的学科资源整合以STEAM教育为基本理念，以创客教育为目标，以学生自主探究为主要学习手段，开展学科的资源整合，引入线上线下教学资源融合，形成云端共生教育新常态。学校运用局域网组建空中资源，学生可以在假期登录各个终端查看或下载学习资源，并根据自己的学习目标和学习内容，自主安排每天的学习时间。课后学习采用“居家式”，学生分散在各个“云端”，恰当地表达自己的思想，进行广泛的交流与合作是很有必要的。要充分考虑学生的起点水平和个性方面的差异，匹配互联网的特质，通过课程内容的合理延伸或拓展，在大数据环境下引导学生从独学走向群学。“云合作”就是跨越空间的信任与支持的另一种形式的小组合作，组员的默契度和规则意识在其中能得到充分的考验。在推动学校教育信息化快速发展的同时，实现教师层面的智慧教学，促进教学改革。各教研组不断探索教学手段和教学方法，实现教学资源高度共享，与时俱进。学校组建了一支以信息技术组为主、物理组和音乐组为辅的校级教研创新团队，分别从认知模式识别、智能仿真和智能控制系统这三个方向开启初中信息技术与物理、音乐跨学科碰撞交流，促进学科融合，引发学生的创新。同时结合仿真与人工智能等当下热点，以项目式学习为载体，积极整合校内外课程资源，通过对交叉课程的开发与充实，推进几个人工智能项目的实施，例如：运用深度学习技术对垃圾进行分类识别，实行智能分类；强化理解多线程结构的应用，解码实现EV3机器人动作、展现声音和表情，并运用到曲谱弹奏和音乐教学中；通过编程软件控制模型的动作，实现自卸汽车无人驾驶运行系统的设计和开发。2"基于STEAM创客教育的校本课程构建与"应用2.1"基于STEAM创客教育的校本课程构建创客教育以日常生活为教学活动的出发点，为学生创设真实情境，将完整真实的世界带进课堂，把操作技能置于社会实践探索中，以解决复杂、多维度的社会问题，理解书本知识与现实世界的联系，从而激发学生的求知欲与好奇心，让学生提前做好适应未来生活方式变革的准备。跨学科整合是STEAM教育最突出的特点。跨学科的实质不是僵化地跨越各学科之间的边界，而是将不同学科的知识重新整合，这种重新组合要包括不同学科的多样性和丰富性[1]。它强调的并非五门学科的简单相加，而是融贯科学、技术、工程、艺术、数学学科于一体，重新整合组成一个新的学科体系[2]。创客教育和STEAM教育跨学科教学存在较多的共通之处。两者融合统整，能有效弥补传统学科孤立授课的局限。首先通过数字技术向学生呈现多样、丰富的创意方向，然后多维度、多层次建构知识体系，如综合信息技术、工程设计与科学探究的活动，给学生营造一个创客情境，最后让学生用原材料或零部件进行创作或组装。【精选课例1】以粤教版（B版）初中信息技术教材八年级下册第二章第六节“VisualBasic程序设计——变换彩灯”为例。以港珠澳大桥夜景照明为背景，将时政和信息技术课相结合，集STEAM教育中工程（Engineering）、技术（Technology）和艺术设计（Art）于一体，将创客教育和程序设计渗透初中信息技术课堂。该主题分四个课时，在信息化2.0的环境下前两节课在机房用软件实现，后两节课在创客室搭建硬件，完成灯光设计和大桥模型的手工制作。第一、二课时以VisualBasic语言为平台、PBL项目式学习为方式，教授以计算思维为导向的程序设计基础，学生由此掌握解决问题的基本思路与方法。在软件开发过程中，学生通过任务分层进行自主探究。首先分析讨论节日彩灯的两种模式——“间隔时间固定下的颜色随机变换”和“流星轨迹式闪烁”，然后绘出流程图。实现过程用Shape控件展现灯泡的形状和透明度，以RGB函数呈现颜色，灵活巧妙地使用Timer控件实现变色频率切换，最后在虚拟界面模拟彩灯状态。第三、四课时在创客室完成，由简入深达成学习目标，培养学生的项目管理思维和工程意识。学生先用3D打印做出一个港珠澳大桥的模型，再用光环板（一块内置Wi-Fi、可无线联网的单板计算机，配套性能强大的慧编程软件）装饰大桥两侧的照明电路。然后小组共同开发模拟光影盛宴。在项目验收阶段，全班12组串联展示，模拟主体桥梁全线同步亮灯，共同演绎港珠澳大桥夜景照明的“伶仃珠链”。这两节课将创客思维融入物联网课程，艺术设计贯穿整个制作过程，激发学生的创新热情，培养其高阶跨学科思维，提高其动手能力。在教学结束前，播放纪录片充分展示港珠澳大桥从设计论证到建造施工的完整过程，让学生领略世界第一跨海大桥的风貌，从不同角度感受我国的飞速发展，从而激发爱国之情，增强科技强国的自豪感。设计港珠澳大桥夜景照明这一校本课程项目，采用基于项目的群体协作式学习模式，不仅将桥梁建筑和灯光秀设计两个元素嵌入物联网创客中，还糅合了时事热点，弘扬了工匠精神。在第三、四课时的创客活动中，尤其注重师生、生生之间的交流和广泛参与。该项目具有一定的复杂性，学生单靠一己之力很难完成，所以鼓励学生以团队协作的方式，在教师和教育技术人员的指导下对问题进行开放式探究。在探究的过程中，通过增量学习、渐进式发展，不断扩充新的STEAM知识，以帮助学生掌握更复杂的技能。2.2"分年级、分层次开设STEAM教育和创客教育融合的校本课程教育信息化2.0引发的新一轮技术变革对中小学科创教育产生了一定的冲击。学校以课程开发为核心，构建创新人才培养的生态圈。南实集团各分校信息组建立了全员参与的校本科创小组，编写日常科技活动材料和科普教材，使科技创新课程更加丰富、科创社团数量增加。根据不同层次的学生和他们所处的不同时期，设置不同的课程难度，逐步开发以机甲大师无人车为主体，以编程无人机、C++程序设计、AI掌控板、万物互联光环板、Arduino创意机器人、3D打印、木工坊等为侧翼的校本课程。探索分层分段的拔尖创新人才的早期培养，让学生探究性小课题成为展示科创成果的窗口。针对学生的年龄和潜在特长，给学有余力或有兴趣特长的学生制定专项培养方案，赋能学生个性化发展。七年级以了解探究为主，八年级以创新开发为目标。以社团为载体，在智慧教育平台上升级创客教育。推广后，经过交流帮扶，短期目标是南实集团每个分校建立至少五个科创社团，长期目标是实现南实集团“科创百团、百花齐放”。在创客视角下，学校开设智能控制技术和激光切割工业设计等劳动技术课程，将综合实践活动课程与科技特色建设有机结合。例如木工卯榫课程将艺术设计、工匠精神和工程机械原理融合在一起，社团学生制作出小型投石机、躺式木车、木质工艺太和殿、金陵十二钗檀木发簪等一系列高端作品。【精选课例2】以北师大版《劳动实践指导手册（八年级下）》中的活动六“制作冷兵器时代的投石车”为例，学校打破传统直线式教材编排方式，按不同年级、不同层次设计，变零散化教学为系统化教学。七年级学生侧重探究中世纪欧洲的攻城利器，查阅大量历史资料，对不同款式的投石机进行整理分类；八年级学生因接触了物理学科，利用力学知识完成投石机的设计。整个项目由创客社和木工坊两个社团联合开发，项目成员根据特长和兴趣自由组合为工程部、设计部、制作车间和质检部，模拟企业运作。首先设计部成员在创客室用软件完成零部件的工程设计，然后工程部通过3D打印做出模具，再将模具返回设计部进一步修改。经过完善的作品被送到木工坊的制作车间，描线、定位，做标记、割据、打磨，小创客们的劳动现场虽然木屑飞扬，但充满了欢声笑语。每一支杆、每一块拼接的背后都体现着细致的精神，看似简单的一卯一榫包含的是每一位创客的坚持与认真。投石机的制作并不容易，整个过程贯穿了对工程设计与开发过程的理解。由于设计部第一次力矩计算错误，后面的工序无法开展，“生产”一度陷入停滞。在物理教师的帮助下，设计部请来九年级师兄师姐专程到创客室给他们讲机械原理，分析杠杆受力。小创客们分析了中世纪欧洲攻城利器弹力抛石机，参考了宋朝的弩炮，最后重新设计了一款射程极远的平衡投石机。在整个制作过程中，两个社团不是单打独斗，而是分享交流；不是闭门造车，而是互相借鉴；不是各自为政，而是合作共赢。遇到困惑时，创客社和木工坊的成员相互理解、相互成全。社团成员在操作实践中逐渐养成劳动意识，认识到劳动的伟大，培养精益求精的工匠精神。该校本课程丰富了任务驱动的情境，培养了学生使用、管理、理解与评价技术的能力，帮助他们提升了应对多情境的处理能力，提高了技术素养和数学素养。3"创设与科创课程紧密相关的新型学习空间随着互联网、大数据技术的飞速发展，学校信息化教育环境建设加强，学校信息中心引入“大平台+微应用”服务模式，采取了基于信息技术的扁平化管理架构打造智慧校园。学校并非把前期在建设数字化校园时开发的系统简单否定掉，而是在已有规模下根据学校实际情况对平台进行二次开发，实现微应用的校本化，采取一种可持续延展的数字校园建设方式，串联信息孤岛，搭建系统间信息共享通道。例如，把每天在校园录播的视频剪辑成一分钟新闻播报，通过此平台推送到遍布校园各个角落的LED显示屏，校门口、校公告栏、阶梯教室、校史馆、图书馆、活动大厅……LED显示屏作为新型宣传设备被大量投入使用，能及时、准确、循环发布学校信息，并同步更新信息，使得校园信息传播功能更强大。学校自2012年起便围绕智慧教育展开多项工作，从课程开发、硬件支持、师资培训、学生活动等多方面进行顶层设计，用新时代技术打造未来教室和物联网空间，供全体师生自主使用。2012年，学校开展了跨学科统整课程的开发和研究，基于翻转课堂进行信息技术与学科课程的深度融合，取得了初步成果。2014年，学校建设了“未来学习中心”，通过远程互动教学、桌面与平板链接混合式学习、融合电子白板的互动课堂、3D教学软件和屏幕演示系统、运用各种App的游戏化教学，让师生进行超链接式的学习和探究。2015年，学校引进创意机器人学习套件、开源硬件和机械制造教学装备，正式成立“南海STEAM创客室”。南海STEAM创客室占地270m2，是一种开放式创新实验室，包含教学活动区、创造加工区、阅读讨论区和作品展示区。核心功能区包含各类小型机床、曲线锯机、电工工具套装、激光切割/雕刻机、真空压缩机、制作加工耗材，并提供多个独立的制作桌面区和公共制造桌面区，让师生随时利用空间里的工具独立或者协作开展项目。2020年，学校继续增加投入，建立“南海人工智能实验室”，引入大疆的机甲大师无人车、编程无人机和智慧学习平台，并将一间教室改建为陆空协同“未来城市”的赛场，以创新和实践为两条主线，进一步开展STEAM创客教育智慧化课程。2021年，学校又在科学实验室旁边组建了一个占地40m2的物联网体验中心——“南海众创空间”，将人工智能与物联网创意编程纳入信息技术日常教学中，给全校师生普及万物互联的创客思想，分享新鲜富有创意的技术知识和理念。目前，学校拥有南海STEAM创客室、南海人工智能实验室、南海众创空间三大实验室，为创客机器人、人工智能、编程、无人机等特色课程提供智能实践基地和智慧学习空间，为全校师生提供海量的优质科创类教学资源。近年来，学校依托智慧教育平台创建一系列基于云学习的课程，陆续产生了一批实质性教育成果，并对教学行为进行采集与动态分析，为后续学习和课例研究做好铺垫。4"营造校园科创文化氛围在学校领导的大力支持下，今天的南海中学形成了以科创社团为主，融入学生活动，全面参与、重点选拔的科创教育培养模式。学校每周定期在南海STEAM创客室、南海人工智能实验室、南海众创空间、学生机房为科创社团学生开设相关课程，将优秀的具备普及性的项目推广到全体学生。学校配合集团打造南实集团的科创特色品牌，筹备成立“青少年创新院”，以工程和技术相融合，注重培养学生的科学精神和创新意识，通过报告会和成果展等形式，引导学生用创客精神指引自己的成长，例如：定期举办南实集团各分校的科创联赛，促进学生全面参与；通过开展教育科技周等系列活动，鼓励学生完成小发明、小制作和小论文；集众人智，把创意变为现实，让创客教育理念深入全校师生。对在社团课程或科创活动中表现突出的学生进行重点培养，建立以赛促学、相互促进的良性循环。借全国青少年信息学奥林匹克联赛、广东省中小学科技劳动教育实践活动、深圳市网络夏令营、南山区教育科技节等契机，南海中学在学校层面做好三个落实：落实科创项目在校内常规活动和学生小组活动中开展；落实校内科创大赛的组织举办；落实校代表队外派参与各类竞赛。这三个落实为校内科创活动的发展提供了全方位、多角度的支持，搭建平台，构建创新文化氛围。每学年根据所取得的成果对学生进行表彰。同时，学校配合集团，积极推进南实集团信息技术委员会的成立，在计算机编程类竞赛、机器人搭建类竞赛，课题（学生探究性小课题和教师课题）研究中发挥领头羊作用，建立科创活动评价指标体系，将各类科创赛事的申报、专家评审、奖项管理和展示推广等流程统一纳入南山区中小学创新教育竞赛活动信息化平台管理。以对科创教育的探索为切入点，学校开展了企业、学校、社区、家庭四者结合的多种科技教育活动。就形式而言，有教学活动、课外活动、实践活动；从参与者和活动主题看，有组织者（包括校企合作中的高新科技企业参与者）活动、教师（包括学校科创教师和校外导师）活动、学生活动、家校活动和社区活动。在南山区教育科技节信息技术各项比赛中，学校师生团体总分连续五年排名前三，其中两次夺冠。自2020年起学校开始尝试建立校外基地，并邀请学者专家指导，使校内外的教育资源得到优化组合。2021年学校和高新技术企业大疆合作，构建校企融合课程体系，创设具有较强教育实践意义的虚拟空间“大疆工业平台”，模拟生产一线和工业制造过程，给学生提供一个全面接触创意设计和科学研究的机会。2022年学校与优必选等教育技术企业研讨联合建立机器人研学实践基地，开展系列科普体验活动、技术专家课堂、沙龙讲座、科技前沿论坛等创新教育课程，拓展科普广度和高度。2023年学校获批为南山区“数字化时代提升核心素养的教育综合改革项目”试点校，争做人工智能教育改革的排头兵，如：承办深圳市“双百”人工智能专家进校园活动、积极参与南山区中小学人工智能读本撰写。2024年1月在于吉林省白山市举办的2023世界机器人大赛总决赛中，学校两名学生荣获全国一等奖（第一名）。学校定期举办知识讲座、研究性写作、实践探索等活动，向集团兄弟学校开放科创展区共享资源，在节假日给附近社区提供相关课程和体验服务，辐射周边社区的青少年。充分调动家庭、社区、学校等各方力量，整合教育资源，为学生提供必备的软硬件条件，创造有效信息化环境，打造终身学习的平台。鼓励高科技企业退休人员、家长志愿者参与延时服务的科普课堂，建立动态管理数据库，按专业特长、时间意愿和工作经历进行调配，盘活校内外资源。5"形成STEAM教育和创客教育融合师资的""培养机制5.1"培养本校教师，深耕科创教育在教育信息化背景下，信息化赋能的校园和课堂中，主角绝不是设备和技术，而是使用它们的人。在智慧学习环境下，教师的角色变成教育信息化蓝图的绘制者、监督者和执行者。学校领导团队在充分调研的基础上，做好STEAM创客教育和智慧融合创新等课程体系的顶层设计。以项目组教师为主体，在国家课程中普及创新教育，挖掘教学中的科创资源，在学科教学中开展先进技术融合跨学科主题活动。发挥学校组织力量和名师引领作用，培养一批具有批判性思维和创新意识、业务扎实的科技辅导员。根据学生个人发展轨迹，匹配相应的科技辅导员和校外导师，逐步培养学生从事科学技术工作的部分基本技能。跨校跨集团组织教研组的网络教研，通过以强带弱、整体联动的发展模式，促进区域教学共同发展。5.2"拓展校企合作课程结构：由学校教师和校外辅导员共同开发。根据学生不同的个性特点与兴趣，将部分内容提前或推后。时间安排：根据校历安排，校本课程一般从开学后第三周正式开始，直至期末前两周结束，同时要避开春季学期的会考和中考。因此满打满算的社团活动时间不足16周，需要做好课程规划。教学模式：不同课程设置不同课型。例如，编程课的讲授课和操作课穿插进行。讲授课由外聘的重点高校计算机专业研究生给学校的初中生上课，操作课由学校信息技术教师和社团学生社长带领成员进行。这样的课程设置不仅让学生在知识上有进展，更注重学生编程能力的培养；机器人课以操作课为主，1/4的课时在机房完成程序设计，3/4的课时在创客室进行实物搭建，由外聘企业专家和学校信息技术教师一起带领社团成员操作。机甲大师课和编程无人机课是典型的科技创客课程，社团学生在社团骨干成员的带领下进行实操训练，大疆外聘专家在现场进行指导，学校信息技术