创客教育背景下 小学项目式学习的设计与实践
王珍真
创客教育融合多种学科知识，集数字化教学、创新教育、体验式教育和项目式学习于一体，培养师生创客的综合实践能力和创新设计能力，并不断将学生引向更深入的学习。如何在小学阶段进一步推广普及创客教育？基于学校学情的项目式学习是最直接有效的方法，并从核心素养的角度把握课程开发的方向。笔者所在学校项目式学习的总目标是，让学生在已经学会三维建模技术的基础上，继续学习Arduino编程，体验从外形设计到内部功能实现的过程，促进科学、数学、设计、工程、艺术等方面的知识拓展，解决实际问题，培养学生的创新能力，提升学生的规划能力，锻炼学生的动手能力。精心设计的创客项目是项目式学习的载体，项目式学习的教学设计在不同的阶段需要不同的教学目标和教学策略。下面，笔者以《3D打印制作懒人花盆》课程为例，讲讲如何进行小学项目式学习课程实施。
● 项目准备阶段
造物内容强调探究内容的意义性和真实性，以及学生在情境中学习的重要性。只有在真实情境或贴近真实情境中开展意义学习，才更能促进学生对所学内容进行意义建构和知识迁移。真实情景下的问题涉及多学科知识，将真实问题作为项目式学习的出发点，有利于引导学生分析问题、解决问题以及反思问题，以此促进学生问题解决能力发展。头脑风暴是培养创新思维的有效方法，组内成员结合生活实际以及书籍网络寻找方案，将大量的全新构思加入到设计中，在讨论过程中碰撞，通过对可行性进行一一分析、记录、排杂，最终确定具有可行性并有价值的设计方案。
例如，当代都市白领工作繁忙却又不失生活中的小情趣，会在家中或办公室栽种绿植。但因疏于照料，植物缺乏光照或浇水，这样下去植物极易枯萎。因此，急需设计一款桌面级花盆，这样的花盆不仅外观优雅，令人赏心悦目，而且也能解决以上问题。
如表1所示，整合问题1和问题2得出的主要问题是自动给植物浇灌适量的水。综合两项可行性方案，得到联合方案：使用传感器、水泵、蜂鸣器等硬件设备，结合程序设计，根据土壤含水量，实现自动提醒，控制浇水的频率和水量。除此之外，使用光敏传感器，利用光敏数据控制灯的亮灭，在光线微弱的情况下，能为植物提供更多光照。
● 合作探究阶段
通過头脑风暴已经得出最具有可行性的实施方案，提取出对应的电子元件，从而确定使用的方法，明确相应技术要领，为接下来的程序设计提供思路与方向。
了解了元件功能，就进入程序编写环节，它是实现造物智能化的关键点，造物需使用相关程序指令调动传感器和其他电子元件。经过第一阶段的学习，各项目组学生已经尝试了不同电子元件的连接方式、代码编写范式。面对实际问题，学生可以根据需求，分析实现原理，将需使用的子部件代码进行有序结合，反复调试。在这个过程中，不仅要实现程序与需求完美结合，更重要的是提高学生的编程及综合运用能力。
学生具备较强的三维设计能力，能够根据所学知识，针对实际任务，计算相关结构的尺寸，熟练地设计出基本模型，再结合实际数据和硬件要求，反复讨论并修改，最终完成合理有效的设计并打印。
使用电子元件需要知晓其工作环境和工作特性，以及不同元件之间如何联系，教师应引导学生通过网络查找资料，结合科学知识绘制合适的电路图，并填写有关电子元件功能、特性的记录表（如表2）。
在编写完整程序之前，首先学生需要掌握每个电子元件使用过程中的子代码，如土壤湿度传感器数据读取（程序代码及元件拼接如图1），在没有水的环境下，土壤湿度传感器读取到的数据为1023，有水环境时读数为29，且不受水温影响。
各项目组学生通过讨论分析得出“土壤湿度控制抽水泵开关的原理”，经历了“需求分析—编写程序—调试运行”，即计算机解决问题的全过程，掌握了程序编写的方法，最终编写出土壤湿度控制抽水泵的程序代码（如图2）。
在设计整体造型时，首先要考虑电子元件的安置。在设计整体造型的过程中，灯能够给植物提供光照，光敏传感器、土壤湿度传感器（部分组件）隐藏在结构内部，并且留有存放UNO主控板的空间，成为主要任务。针对要求，某项目组的学生在讨论中制订了多种方案，并绘制出设计草图（如上页图3）。
上述规划各有优缺点，经过系统的可行性分析，该项目组选定了略简单但隐秘性和拓展性强的造型（如上页图4），并由三维建模负责成员熟练地进行模型设计，以保障打印出最优的数字模型。
● 迭代改进阶段
在造物内容的实施过程中，最后的展示评价环节尤为重要。各项目组成员需要将软硬件组装起来，将三维设计打印模型和UNO主控板、传感器等电子元件搭建成真正能解决问题的产品。不同项目组成员在交流作品时，沿着“明确问题—设计方案—原理搭建—编写程序—三维建模—造物实现”进行分享，包括制作过程中遇到的棘手难题，利用网络、查阅书籍或寻求老师帮助等方法解决。在介绍项目实现的过程中，分享者不仅提高了语言组织能力，还能收获其他学生及教师的认可，收获更多的建议。例如，前述项目组整理收到的建议（如表3），再一次进行可行性分析，将其运用到造物过程中，不断优化。
根据其他学生集体的建议，该项目组的成员将花盆设计方案做了修改，重新设计制作，得到“懒人花盆二代”（如图5）。
● 总结与反思
在创客教育中，学习问题来源于生活，学生具有更持续性的学习兴趣。造物内容的实践激发了学生的自主探究兴趣，提高了问题意识。在项目式学习的实践中，学生充分发挥内在潜力，每位学生都能够根据情景，提出不同的思路去解决问题，成员间互相沟通整合，最后按照可行性最高的设计思路进行探究与制作。通过这样的学习方式，促使学生养成了综合应用数学、科学、艺术等学科知识解决问题的意识，提升了学生的团队意识。
对于教师来说，关注点从讲授知识点转向了提升学生的思维能力。在项目式学习中，没有标准答案，每一位学生都能够大胆地提出个人的思考和解决问题的方法。教师不再将教授知识作为造物实践中的重点，而是将每个环节参与的主体地位还给学生，教师的角色也从教授者转换为课程活动的组织者。
对于课程来说，信息技术核心素养得到了真正落实：创意思维的实物化可以增强学生的空间想象能力，提升学生的创新素养;趣味教学情境的带入，助力学生主动树立学习意识、培养探究精神;实际生活检验的学习成果，促使理论与实际相结合，引导学生在检验中获得新知识和技能;多元多维的评价单元，激发了学生的创造能力，培养了学生的创新意识。
