创客教育新趋势：“物联网+创客教育”如何设计 | 内附课程案例
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随着信息化时代到来，各种技术不断融入教育。当物联网与创客教育相碰撞，会迸发出什么火花呢，一起来看看吧。
面向“物联网+创客教育”的教学设计要义
——兼析“基于Blynk的教室噪声采集”案例
文 | 宛平 王佑镁 郑克度
数字技术在中小学创客教育中发挥赋能学生的作用，为学生创意表达、实践探究、作品创作、原型测试、参与分享提供环境与工具支持。随着智能时代的到来，利用物联网等新技术结合可视化编程软件，开展创客教育成为新的趋势，这有助于培养学生的创新精神和实践能力。
一、“物联网+创客教育”的特点
（一）物联网技术的连通性降低教学成本
在我国推广创客教育面临的实际问题之一就是经费不足，很多学校没有能力建设专门的创客空间。有学者在2017年对26个省份的164位中小学教师进行了创客教育需求调查。样本显示，有59.15%的学校建设了创客空间，49.39%的教师身边有可用的创客制作材料资源，这表明近一半教师所在学校不具备开展创客教育的教学环境。
随着物联网技术的逐步成熟，物联网的连通性、技术性、智能性等不断显现，物联网可以利用网络通信技术把传感器、控制器、机器、人员等通过新的方式连接在一起，实现物品的智能化识别和管理。将物联网技术运用到多媒体教学环境中，不仅可增强系统的性能，还在一定程度上降低了师生对创客教具数量的要求，减少了创客空间管理费用的支出。
（二）物联网技术的开源性催生创新创意产出
物联网技术的发展为创客教育的创意产出开辟了新的路径。表1列出了“物联网+创客教育”教学所需要配置的软硬件资源与课程资源。可以看出，物联网的整合性可以极大地丰富创客教育教学。
将笔记本电脑中可视化编程软件与传感器等开源硬件相连接，即可通过电脑实时在线操控硬件，帮助学生快速形成创意产出。以Arduino学习套件、3D打印技术等为代表的开源硬件开放易获取，相对而言质优价廉。学校在前期可以少量购买，后期根据学生的学习需求，可以与企业建立合作关系，有针对性地采购。
（三）物联网技术的整合性变革创客教育模式
“物联网+创客教育”的教学模式顺应时代发展，汲取创客文化精髓，提高学生应对复杂物联网需求的能力，尤其有助于培养学生的创新精神与实践能力。
在内容层面，“物联网+创客教育”综合了计算机、机械、电子、网络通信、科学、数学、美术等多个学科的知识与技能；在教学模式层面，“物联网+创客教育”的实践环节利用信息传输处理器，将具有计算能力的物体连接起来，实施远程操控，在实践中培养学生的工程思维。学生通过自主探究学习的方式来学习新知识，设计并编写程序，实现远程控制。
在这样一个探究协作的过程中，学生自主掌握学习进度，提高发现问题、解决问题的能力，有效地培养和提高了学生的信息素养，改变了学生的学习方式。
二、“物联网+创客教育”的教学设计要点
从“物联网+创客教育”的特点出发，结合创客教育教学设计的关键要素，我们认为进行“物联网+创客教育”的教学设计需注意三大要点。
（一）问题导向，锚定计算思维目标
2017年，基础教育版《地平线报告》在对基础教育新兴技术做应用分析时提出，在未来4~5年里，物联网有望得到较大发展。2018年，教育部发布的《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》在课程内容方面对学生的学业提出要求：以问题为导向，利用程序设计语言实现简单算法，解决实际问题。
“物联网+创客教育”课程以问题为导向，应用物联网技术，将具有计算能力的物体连接起来，解决实际问题，旨在培养学生的创新创造能力，提升学生的数字素养。
在教学设计中，教学目标的明确性、具体性、规范性直接影响着教学能否沿着预定的方向顺利前行。“物联网+创客教育”教学主要是在玩中培养学生的思维、专注力、创造力，帮助学生融入团队，与他人积极协作。
目前，创客教育在中小学主要以跨学科整合、社团、兴趣小组、校本课程等形式开展。对于学生而言，参加这类主流课程以外的实践课程，一方面培养了他们的兴趣爱好，形成爱思考、爱动手、爱发明、爱创造的习惯；另一方面将他们在物理、化学、生物等课堂上学习到的理论付诸实践，加深了对知识的理解。
（二）创新思维，强化实践探究
“物联网+创客教育”践行杜威的“做中学”思想，杜威提出从实际活动中积累知识，通过具体的问题情境，让学生在亲身体验中探索、发现和解决问题。“物联网+创客教育”课程让学生根据现实问题，在创作中掌握知识与技能，从而培养学生的创新能力。
在具体实施中，突出项目学习和设计思维。项目学习是一套系统的教学方法，简要分为项目设计、项目实施和项目评价三个环节。在项目式教学法中，教师以问题驱动学生设计项目方案、实施项目并解决实际问题。在“物联网+创客教育”课程中，项目学习是物联网技术与创客教育结合的一种方式，传感器则是二者之间的桥梁。
设计思维是一种解决问题的思维方式，它以问题解决为导向。若将其转变为一种教学方式或学习模式，对学生的核心素养发展和学校教学都将有重大意义。“物联网+创客教育”所提倡的就是应用设计思维，帮助学生以问题为导向，运用九宫格法、头脑风暴法等多种设计思维工具进行方案设计。
（三）互动反馈，实施多元评价
教学评价是“物联网+创客教育”活动设计的重要环节，良好的教学评价是对学生积极参与活动的反馈与激励。创客活动对学生的评价不是冰冷的分数，而是考量学生活动过程的投入度、活动过程的互动度、问题解决方式的合理性等的系列评价量规。
因此，应建立教师评价、学生自我评价、组与组之间匿名互评等多元评价方式，从创新、数字技术使用等多个维度对学生的学习成果给予肯定，尊重学生的劳动成果。
三、“物联网+创客教育”的教学案例分析
现以校本课程“基于Blynk的教室噪声采集”为例，介绍“物联网+创客教育”教学的实践过程。
（一）课程概述
“基于Blynk的教室噪声采集”既是一门STEAM校本课程，也是一门需要学生创新、协作的创客课程。在两个课时内，让学生完成噪声检测装置硬件平台的搭建，使用Mixly软件编写程序操控传感器采集噪声，使用Blynk App将噪声数据可视化。
在活动结束后，学生通过PPT将项目向全校师生展示汇报。在项目过程中，编程阶段需要学生具备扎实的数学、英语和计算机知识，数据采集过程中需要具备科学知识，项目设计和美化阶段需要美术知识。
（二）学习目标
学会使用Mixly软件编程，熟悉掌控板和传感器的搭建，能进行简单的外观设计；会使用Blynk App搭建物联网平台采集数据。通过小组协作学习，创作一个完整的物联网项目，从而培养发现问题、解决问题的能力。
（三）资源准备
安装Mixly软件，并准备相关器材：8266掌控板、声音传感器、OLED 模块、彩灯模块、USB线-Micro USB铝合金线、传感器线和一部手机。
（四）教学过程
本门课程采用“讲授+上机协作+小组协作”的模式展开教学。
1. 创设情境，激发兴趣
教师以噪声的危害为开头，引起学生的警觉，引导学生思考运用技术来解决实际问题——
噪声不仅对我们正常生活和工作造成极大干扰，更严重的是，噪声可使我们的听力和健康受到损害。噪声的强度越大，频率越高、作用时间越长，则危害越严重。当噪声超过100分贝时，会造成噪声性耳聋。因此，我们很有必要对学校中的噪声进行检测和分析，找出解决方案，从而控制噪声，改善我们的学习环境。如何长时间地采集不同地方的噪声值是一个难点，我们可否通过物联网技术解决这个难题呢？
2. 噪声检测装置的硬件搭建
学生分小组利用8266掌控板和传感器搭建噪声检测装置，并进行外观设计。声音传感器可用来检测教室噪声大小，将其与掌控板连接，便于后期使用Blynk App操控。
3. 噪声数据采集Blynk配置
使用“应用市场”下载Blynk App，注册并登录Blynk账户，而后创建Blynk新的项目“噪声数据采集”，如图1所示。
图１ 创建 Blynk 新的项目
4. 检测装置的程序设计
本案例采用Mixly程序实现掌控板的图形化编程。在Mixly软件上传模式的扩展选项中选择掌控板，完成掌控板与Mixly程序的连接；设备连接成功后，使用Mixly软件根据任务需求，拖动模块设置OLED显示屏、判断彩灯的颜色（如图2）。
图 2 Mixly 图形化编程
5. 系统测试
掌控板与传感器硬件设备连接成功后，传感器接收噪声；使用Mixly编程的程序成功上传到掌控板后，掌控板的显示屏和彩灯随着噪声的大小发生变化；掌控板与Blynk通过WiFi进行连接，教室噪声大小会以数据的形式呈现，并带有波峰，方便教师及时了解教室喧闹高峰期，智慧地管理学生。
6. 成果展示
课程结束后，每个小组选派一名代表上台发言，每次发言代表不重复，让每位小组成员都有上台汇报的机会。汇报内容包括：掌控板和传感器的搭建原理和示意图；解释由Mixly软件编写的噪声采集程序代码及改进之处；使用Blynk App将噪声数据可视化过程中遇到的问题和改进方案。成果展示环节中的经验交流，便于整个团队进步，通过汇报的形式，也促进了学生的理解。
四、案例反思和改进
作为STEAM校本课程，“基于Blynk的教室噪声采集”教学案例运用物联网技术实施创客教育，以学生自主探究为主，教师个别化辅导为辅。学生在课堂中实现了“做中学、学中玩”，取得了较好的效果。
1. 激发了学生的兴趣。噪声是无处不在的，虽然现在已有先进的仪器来检测噪声，但是让学生创作一个检测噪声的设备来测量教室噪声的分贝值，这极大地燃起了学生想要尝试的欲望。将所学知识在短时间内通过实际操作以一个实物展现出来，对于学生而言是极有成就感的，非常鼓舞人心。
2. 实现了理论到实践的转化。该课程中传感器线路的连接、平台的搭建与学生在物理课中学习的线路连接有重合之处，使用编程软件Mixly编写程序与学生学习的Scratch编程有共通之处。通过具体的噪声采集实例，将学生先前所学的知识得到转化，印象会更加深刻。
3. 促成了创造力的培养。从真实问题出发创造的事物极大地激发了学生创造的热情。学生在创建过程中从线路连接到平台搭建，会遇到各种问题，如不支持5G、防火墙拦截、系统不兼容、物联网注册不成功等。在这样一个不断试错的过程中，一方面学生对先前所学的理论知识进行检验，另一方面帮助学生将知识内化，根据自己的理解创造多种可能性。总之，教学的目的不是得到统一的答案，而是帮助学生去思考、去发现。
当然，由于该课程以培养学生动手能力为主，让学生在实践活动中掌握各传感器的线路连接以及App功能模块的控制原理，并通过自主探究来学习新知识，而教师作为学生学习的伙伴，主要起到解惑的作用，因而课程实施对于学生的自主学习能力要求更高。
此外，本案例采集的数值为模拟值，只能反映出噪声大概的数值变化，再通过判断语句判断出噪声值对应的等级，从而显示出红橙黄绿色。后续，我们可以通过物联网平台将采集的数据以Excel文件格式下载到本地硬盘，方便进行数据分析。
（作者宛平系温州大学教育技术系硕士研究生；王佑镁系温州大学教育技术系教授、博士生导师，温州大学教育信息化研究所副所长；郑克度系浙江省温州市南浦实验中学信息技术教师、中学一级教师）
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