创客式项目教学在编程类课程中的应用研究
陈美坤 王保云 李焘焘
摘 要：传统编程类课程教学难以激发学生的学习兴趣，不利于培养学生编程的思维与能力。基于此，文章将创客教育的理念与项目教学法融合成一种创客式项目教学法，并根据创客式项目教学的探究性、协作性和活动性三大原则，探讨了创客式项目教学实施的基本过程。然后基于教学实施的基本过程，构建了创客式项目教学模型。最后以《51单片机》课程为例、智能家居系统为主题、项目化学习为主线进行教学设计，来验证这种新型的教育教学模式的实用性，从而优化编程类课程的教学模式，为培养创新型编程开发人才提供参考。
关键词：创客教育;项目教学;编程类课程;51单片机
中图分类号：G633.67? ? ?文献标志码：A? ? ? ? ? 文章编号：1673-8454（2020）18-0048-05
一、引言
自2015年“创客”一词首次写入政府工作报告后，创客运动席卷全国。2016年，教育部印发的《教育信息化“十三五”规划》中明确指出“要积极探索信息技术在跨学科学习、创客教育等新的教育模式中的应用。”[1]创客教育有广义和狭义之分，广义的创客教育可以理解为“创客式教育”，主要是应用创客理念探索符合时代发展需要的新型教育模式，在“动手操作、实践体验”的理念指导下开展基于创造的跨学科教学;狭义的创客教育可以理解为“创客的教育”，主要是针对创客人才的培养，可以在专业教师的指导下开设专门的创客课程[2]。创客教育的核心理念是做中学、快乐教育、大成智慧和构造论[2]，强调通过亲自动手制作，将有创意、有灵魂的想法转变为实际存在的物品，在创造和转变的过程中达到快乐学习的效果。项目教学是指师生共同参与跨专业教学活动，主张先练后讲、先学后教，强调学生的自主学习、主动参与，从尝试入手、从练习开始，调动学生学习的主动性、创造性和积极性等，最终完成一件较完整的作品。项目教学法正切合创客教育的教学理念，将两者融合成一种创客式项目教学法，在课程中通过项目化的形式进行跨学科学习，有助于培养创客创新型人才。
2018年教育部出台的《教育信息化2.0行动计划》中提出“完善课程方案和课程标准，充实适应信息时代、智能时代发展需要的人工智能和编程课程内容。”[3]编程类课程的教学目标主要是培养学生的逻辑思维、计算思维、创新思维和问题解决能力。越来越多的高校和中小学开始对人工智能和编程方面课程进行探索并付诸实践。傅骞等[4]提出采用准实验法，基于图形化编程工具开展编程教育课程能促进初中生计算思维能力培养。吴鑫[5]以开源机器人“小菠萝”存钱罐作品为例，遵循趣味性、整合性和创造性三原则探索出人工智能领域寓教于乐的小学启蒙创客教学方案。创客教育是创客运动的衍生物，创客课程是学校创客教育的重要体现。
基于此，本文将以创客式项目教学为核心，以创新教育为基准，以项目式学习为主线，改善编程类课程教学，以期培养学生的创新思维和问题解决能力，为创新型人才的培养打下坚实的基础。
二、创客式项目教学实施模式
创客式项目教学改变了以往“教师讲，学生听”被动的教学模式。教师在教学过程中起到引导、辅助和监督的作用，学生在学习过程中起到主体和执行的作用。因此，可以从教师和学生两个角度将创客式项目教学的实施分为设计和实施两个阶段。
1.创客式项目设计
创客式项目教学是以项目为主线、教师主导、学生主体的行为导向教学模式。项目教学具有实践性、自主性、发展性、综合性、开放性和评价性等特点。创客式项目教学的关键是选择合理的项目，杜绝形式主义和纸上谈兵，打破传统的填鸭式教学模式，将课堂的主动权交给学生。因此，为了保证创客式项目教学能够有效开展，教师在设计项目式教学时应遵循协作性、探究性和活动性三大原则，如图1所示。
根据创客式项目教学的特点和三大原则，可以将创客式项目教学实施的基本过程分为创设项目情境、选定项目主题、设计项目整体框架、项目详细设计、项目开发和项目评估六个部分，如图2所示。其中，创设情境和选定项目主题这两个部分由教师进行引导和辅助，后面四个部分由师生共同参与完成。师生首先要根据课程的主题设计项目整体框架，再进行详细功能设计，然后是开发项目阶段，并在开发过程中进行评估、质疑和批判，最后将评估结果反馈回项目整体框架设计部分，经过反思、改进和完善，再一次调整项目的设计与开发，以此循环直至完成合格的项目作品。在创客项目教学执行的过程中，教师起引导、辅助和监督的作用，学生通过自主、协作、探究以及活动的形式来运用各学科知识完成项目的学习与技能操作。
2.创客式项目实施
完成创客式项目教学基本过程的设计之后，接着便是投入具体教学实施阶段。创客式项目教学实施的过程可以划分为课前、课中和课后三个阶段。课前阶段由学生根据教学目标和内容自主学习相关知识;课中阶段由师生共同参与学习、讨论和评价等教学活动;课后阶段由学生通过参与在线活动、交互和测评等方式拓展相关知识。因此，可以为创客式项目教学构建一个创客式项目教学模型，如图3所示。
三、创客式项目教学模型解释
1.课前：线上线下学习
课前阶段是学生自主探究学习的过程，为课中阶段提供支持。在这个阶段中，教师需创设一个情境，将学生引进该情境中，将一个符合实际生活的项目交给学生。学生在教师的辅助下明确学习目标和内容，在提供的创客环境和资源中进行线上线下自主学习、交流，也可以通过个人努力寻找相关资源进行拓展学习，以完成课前学习准备。
2.课中：面对面集中教学
课中阶段由内向外扩展，形成分层结构，主导课前和课后阶段。其内层由项目式教学模式构成，外层由学习者、教学者、学法和教法组成。在该阶段中，教师根据学生个体差异性实行个性化教学目標，选用综合、多样化的教学策略并实时调整。在项目制作开始之前，由教师沿用传统集中教学的方式给学生讲解本次项目教学中涉及的理论知识和编程原理。项目制作过程由师生共同参与，教师把控整个教学的进度，辅助、引导和监督学生的学习，学生在教师的指导下采用探究式和协作式教学模式进行自主学习，相对独立地完成项目的设计、数据的收集、功能的完善、项目的实施与改进以及最终的评价、绩效和反思。在整个教学过程中，学生是学习的主体，教师是教学设计与管理的主体，两个主体互相合作、配合，学法与教法的矛盾与转化，共同构成了创客式项目教学协同机制，如图4所示。
活动是教学系统的基本单元，交流与交互是教学活动的基本特征之一，任何形式的学习都离不开活动与交流。学习活动又包括课堂活动和在线活动，如图5所示。课堂活动主要是面对面教学时开展的活动，如集中讨论、集中制作、集中分享和点评等;在线活动主要是不同时空开展的活动，如同步或异步交流、社会共同学习等。两大教学主体以课堂活动和在线活动为载体，教师根据项目式探究学习设计教学活动，学生遵循教师的设计开展自主协作学习，并将学习结果反馈回教师，以供教师进行新一轮的设计规劃。师生围绕教学活动进行项目探究和自主协作式学习、思考和讨论，促进学生深度学习，完成每个项目的制作，达到相互学习、启迪智慧、加深理解的目的。
师生共同参与完成学习活动，产出项目教学的作品，并对作品进行教学评价。项目式教学评价注重对整个学习阶段的评价。学习前采用诊断性评价，旨在了解学生的先验知识。学习中采用过程性评价，如交流探讨的积极性、活动参与的积极性、资源使用的有效性、问题解决的合理性等，旨在及时反映学生的学习情况，促使学生积极地总结和反思学习过程，让学生在良好的氛围中不断提升自己;学习后采用结果性评价，注重作品的完成度和完成质量、作品设计的合理性以及作品的实用性等，旨在了解学生的知识吸收能力。基于此，构建了以诊断性评价、过程性评价和结果性评价为主要评价方式的教学评价机制，如图6所示。
教学评价不仅是对学生学习结果的检验，更是对教师和学生教与学成效的反馈。师生根据教学评价标准对项目作品进行评价，最后将评价结果反馈回小组成员，学生根据评价反馈结果修改与完善作品，教师根据评价反馈结果对教与学的过程进行反思与修正。通过对教学过程的诊断、评价及反馈，学生可利用在线共享资源，继续参加学习活动来拓展，可以有效促进学生的学与教师的教，达到教与学的最优结果。
3.课后：在线学习
项目教学结束之后，继续在线学习相关课外知识。在学习过程中不断借鉴反思，通过在线交互和测评不断强化并巩固自身所学的知识和技能。
四、创客式项目教学在课程中的应用设计
1.教学设计规划
单片机系列课程是电子信息类和机电类专业本、专科生的必修课，其教学目标是让学生通过单片机学会理论与实际相结合的编程技巧和软硬件联合调试技巧，培养学生的创新设计能力、开发与测试能力、运用计算思维分析和解决问题的能力以及团队合作精神，使其初步具备应用单片机进行设备技术改造、产品开发的能力。本文以《51单片机》课程为例，以“智能家居系统”为主题开展创客式项目化教学。根据课程教学大纲和创客式项目教学的要求，分别从课前、课中和课后三个阶段对单片机课程教学做了计划安排，如表1所示。
2.教学实施过程
教学实施是实现教学目标的核心阶段，教学的基本过程是教学实施的重要途径。因此，基于创客式项目教学基本过程和创客式项目教学模型，设计了单片机课程教学实施的基本过程，如图7所示。课前阶段激发学生的学习兴趣，是教学有效实施的基石;课中阶段调动学生自主探究学习，是教学有效实施的关键;课后阶段让学生主动参与拓展探究学习，是教学有效实施的归宿。前一阶段为后一阶段打下基础，后一阶段对前一阶段进行检验和反馈，以获取保质保量的成品与结果。
（1）课前导入，引起兴趣
在正式开展课堂教学的前一周，教师将符合生活实际的智能家居系统主题相关的知识通过群通知、讨论室、聊天室等在线方式发送给学生，帮助学生明确学习目标和内容。学生通过查阅资料来了解智能家居系统的模型构建、外观设计以及功能实现等方面的知识，并设计自己的智能家居系统制作方案。教师通过问卷的形式对学生进行诊断性评价，了解学生的原有知识水平，并将具有相同观点和相似设计的学生划分为一个小组，学生结合组内成员的设计方案，融合、完善和修改为一个总的设计方案。
（2）课堂教学，需求检测
课堂教学是整个教学实施过程最关键的一个阶段。课中教学阶段又细分为传统集中教学和创客式项目教学两个部分。其中，传统集中教学主要采用讲授型的教学方法，由教师组织学生讨论普通家居与智能家居的异同点，对学生课前自主学习的难题和疑惑进行解答，由此引出讲解单片机课程智能家居系统制作涉及到的工具、编程原理、方法与技巧等相关内容。创客式项目教学主要是让学生在完成智能家居系统的制作过程中进行学习。智能家居系统可划分为入门、提高和实践三个等级难度的多个单一项目，如表2所示。
单片机智能家居系统主题的课程一共有51个课时。其中，入门、提高和实践各个等级分别安排每个项目1、2和4个课时。每个项目的教学都是以课堂活动为主，在线活动为辅。在项目学习活动中，教师通过集中学习、讨论和动手体验等方式引导学生完成智能家居系统的整体框架设计和详细功能设计，前者如地板、门窗和楼层高度等设计，后者如控制开关灯的方式、报警的原因以及时钟显示的方式等设计。完成智能家居系统外观和模型的整体搭建和考虑好功能实现的形式和途径后，由教师监督和辅助学生通过小组协作探究的方式对项目进行自主开发与制作，让学生在开发的过程中体验编程的乐趣。学生在开发的过程中遇到棘手的问题时，一方面可以向教师请求指导;另一方面可以通过在线活动与同一主题的学生进行同步或异步交流，共同探究学习和解决难题;此外，也可以与社会需求接轨，在线请教相关专家为自己答疑解惑。师生共同参与完成项目的制作之后，由专家、教师和学生家长等参与教学活动的相关人员组成评价小组，根据过程性评价和结果性评价的量规对小组作品进行评价。学生根据评价的结果对自己的作品进行修改与完善，教师可以将此次评价结果与课前进行的诊断性评价结果进行对比分析，以此判断每个学生在本次单片机课程中的学习成效，从而发现创客式项目教学的优劣。
（3）课后拓展，迭代设计
课堂教学结束之后，学生可将作品上传至网络社区，参与在线交互和测评，对他人给出的建议进行借鉴和反思，结合课堂中教师和学生给出的评价意见，对作品进行修改和完善，以完成作品的迭代设计。也可以参与在线活动继续学习以拓展知识面，将其内化为自身知识体系。
五、结语
创客式项目教学将创客教育的理念和项目式教学的理念融入到课堂教学中，改变了传统的教育教学模式，从填鸭式的教学模式转变为学生动手做、自主探究的创客式学习模式，从固化思维转化为创新创造思维，从注重学习结果转化为注重协作探究中发现问题和解决问题的过程。本文从教师和学生两个角度论述了创客式项目设计和实施的两个阶段。其中，教学设计阶段应遵循协作式原则、探究性原则和活动性原则三大原则，教学的基本过程由创设项目情境、选定项目主题、设计项目整体框架、项目详细设计、项目开发和项目评估六个部分组成。教学实施阶段由师生共同参与，根据课前线上线下学习、课中面对面集中教学和课后在线学习构建了创客式项目教学模型。最后以《51单片机》课程为例，以“智能家居系统”为主题开展创客式项目化教学设计，以验证这种新型教育教学模式的实用性，改善编程类课程教学，培养创新型设计开发人才。
参考文献：
[1]教技[2016]2号.教育部关于印发《教育信息化“十三五”规划》的通知[Z].
[2]杨现民，李冀红.创客教育的价值潜能及其争议[J].现代远程教育研究，2015（2）：23-34.
[3]教技[2018]6号.教育部关于印发《教育信息化2.0行动计划》的通知[Z].
[4]傅骞，解博超，郑娅峰.基于图形化工具的编程教学促进初中生计算思维发展的实证研究[J].电化教育研究，2019，40（4）：122-128.
[5]吴鑫.小学创客教育初级人工智能作品的设计
——以开源机器人“小菠萝”存钱罐作品为例[J].现代教育技术，2018，28（6）：122-126.
（编辑：鲁利瑞）
