教育装备采购网 2017-10-019 刘名卓 童 琳 王永玲
【编者按】 随着人类科学技术日新月异，在国际竞争已转型为科技的竞争的大环境下，“创客运动”应运兴起，近年来，中国教育界也应时投入创客教育、创客团队、创客人才的的发展培养研究与实践热潮，这也成为教育装备采购网不容忽视的国家发展使命担当。创客教育装备与创客教育，无异于武器与军队的关系，是战争胜负的重要决定因素之一。特刊载此文，是希望在中国教育领域的众多“处女地”中引起高度重视，并希望相关科研单位及企业不断努力研发出顺应时代发展的新型教育装备产品，联手打造未来中国的光明前景!
近几年，随着“创客”运动的开展和普及，创客精神受到社会各界关注。创客的动手创新理念正是目前教育领域强烈提倡的，因此不少研究者倡导将创客理念带入教育领域。美国新媒体联盟每年发布的《地平线报告》是国际上预测技术在教育领域中应用的风向标。2014年的《地平线报告》对创客的应用前景进行了描述，更加激起教育者对创客教育的研究与实践热情。李克强总理曾在2015年《政府工作报告》中明确提出，要让“众多‘创客’脱颖而出，要让众多‘创客’能够自由创业与成业”[2]。无论从全球发展趋势还是国家政策层面，都可以看出创客教育的实践价值与意义。
“工欲善其事，必先利其器”，作为创客教育的重要组成部分，创客教育装备在创客教育的发展进程中都起着不可替代的作用。2016年3月，教育部教育装备研究与发展中心制订的年度工作要点中，就提出要为创客教育和STEM课程提供教育装备支撑，努力将教育装备与课堂教学结合起来，以培养学生的创新设计能力和问题解决能力[3]。然而,目前对创客教育装备的研究还比较碎片，且市面上种类多而杂，不成体系，不能很好地展现其发展概貌与未来发展趋势，也不利于教育者在实施创客类教学活动时合理地选择恰适的创客教育装备。
本研究试图通过对中外相关文献的研究与案例分析，探讨创客教育装备的基本分类，并对其发展趋势作出预判。
一、概念辨析
为了更好地理解下文，下面就一些基本概念进行界定。
(一)创客与创客空间
创客(Maker)，本意是指“制造者”。广义上讲，涉及制作制造的都属于创客，例如手工艺者。而现在，创客更多的是指利用网络和新兴科技，把创意变成现实，大胆创新的一群人[4]。创客以用户创新为核心理念，是一个热衷于创意、设计、制造的群体。作为创客活动的载体，创客空间是创客们共同创造作品，将自己的创意与众人分享的实体实验室[5]。近两年，创客空间有从实体空间往虚体空间延伸的趋势。
(二)创客教育
对于创客教育的概念，学者们从不同角度对其进行了界定。祝智庭等人认为,创客教育是在新兴科技和互联网社区发展的大背景下，以信息技术为基础，传承了体验教育[6]、项目学习、创新教育、DIY等理念的学习模式[7]。杨现民等人认为，创客教育是以“开放创新、探究体验”为理念，以“创造中学”为学习方式，以培养创新型人才为目的的新型教育模式[8]。而中国电子学会现代教育技术分会创客教育专委会则认为,创客教育是创客文化与教育的结合，以学生兴趣作为基础，通过项目学习的方式，使用数字化工具，倡导创物，鼓励分享，以培养跨学科解决问题能力、团队协作能力和创新能力为主旨的素质教育[9]。从中得见，创客教育正迎合了国家培养创新型人才的需求。
(三)创客教育装备
教育装备是完成教育任务有效组织起来的系统，是保障教学活动所需的资料、学具、仪器、设备以及相关软件的总称[10]。教育装备可以说是教具、学具、工具和资源的统称。创客教育装备是教育装备的一个分支，因此，沿用教育装备的概念，笔者将创客教育装备定义为，在开展创客教育中所需的材料(如各种金属材料、木制品等原材料)、零件(如螺栓、螺帽等小零件)、工具(如扳手、钳子等)、设备(如数控机床、3D打印机等)、软件(如Scratch、APP Inventor等)、平台以及相关资源等。
二、研究设计
(一)研究目标
研究目标主要有两个。第一，厘清当前市场上杂而多的创客教育装备类型，并找出各类型的典型案例，以便为教育机构或教育者实施创客教育时合理地选择装备类型提供参考。第二，对创客教育装备的发展趋势作出相关预测，为各大公司和机构进行创客教育装备设计与开发提供参考。
(二)研究过程与方法
本研究选取中国知网上与创客教育相关的文献、典型的创客教育实践案例以及相关博客进行分析，采用理论思辨文献研究案例分析理论思辨的研究路线。首先通过文献对创客相关的概念进行分析，厘清创客教育装备的内涵;然后在中国知网上以“创客”并含“教育”以及“创客教育”为主题进行检索，并锁定核心期刊文献，从中抽取与创客教育装备相关的内容进行分析与归类，并针对其发展现状与趋势进行剖析与预测。
三、研究发现
(一)基本情况
截至2016年11月，以“创客”并含“教育”为主题在中国知网上进行检索，得到期刊文章502篇;以“创客教育”为主题进行检索，得到期刊文章为295篇。
我国关于创客教育方面的文献最早见于2013年，代表人物是北京景山中学吴俊杰及其研究团队;2014年论文数量开始增加，2015年增加幅度明显，而到2016年呈现井喷式的增长。进一步分析发现，这些文章涉及高等、中等、初等以及职业教育等多个教育领域以及工程学、计算机等多个学科，从中可推演出创客教育不仅仅局限于中小学，可见诸各个学段，并且呈现出与其他学科教学相融合的趋势。
笔者首先对检索出的文献进行了初步筛选与分析，剔除了开栏语、新闻稿等与创客教育关联度不大的文献，共得到280篇文献，然后将这些文献围绕理论探索、教育革新、策略空间、应用效果和实践应用等五个方面进行了分析，发现目前对创客教育的研究大部分还是以理论研究为主，其中教育革新类研究最热(共计116篇)，大部分研究者提倡将创客教育理念融入传统课程建设、学生培养和学校创新环境建设中。相比之下，创客教育的实践案例较少，说明在国内创客教育的研究大部分仍停留在理论层面;虽然大部分文献也提及了创客教育装备，然而针对创客教育装备进行专门研究的论文不多。
(二)创客教育装备的主要类型
根据本研究目标，对文献进一步分析，将范围缩小至115篇，并且这些文章主要来自核心期刊，其中76.5%的论文都直接提到创客教育装备，然后针对这115篇论文进行了内容分析。分析变量为创客教育装备，表1将每篇文章中提及的创客教育装备进行列举，然后对其进行分析、归类，限于篇幅只列举部分。
目前市面上的创客教育装备多而杂，良莠不齐，不利于创客教育装备的良性发展和创客教师的选择，故有必要对其进行分类。笔者发现，之前有研究者对于创客教育装备进行了简单的分类，王聪[11]在他的博文中就提到目前国内创客教育设备大致可以分为四类：一是通用技术类;二是开源电子套件类;三是3D打印类;四是机器人设备类。显然，王聪主要从技术工具的视角对创客教育装备进行了分类。Martin[12]从装备的运作原理将创客教育数字化工具主要分为两类，一是物理工具，如3D打印机、数控机床、激光切割机以及开源硬件等;二是逻辑工具，如微型控制器、微型计算机和其他电子产品类。而更多的研究者是从创客教育内容的视角进行了分类，如雒亮等[13]提出创客空间中应该包含“材料加工与手工制造”、“设计与 3D 打印”、“开源硬件设计与开发”三个结构域的内容。傅骞[14]认为，当前国内外开展的创客教育装备主要有以下几类：以图形化编程软件Scratch及扩展硬件为核心的创意程序设计、以开源硬件如Mbed、Arduino、Rasperberry Pi为核心的创意电子设计、以图形化编程软件App Inventor为核心的创意移动应用开发、以结构件和3D打印机为基础的创意造型设计、以机器人为切入点的创新机器人开发。综上所述，笔者按照创客教育装备的功能将其分成了五大类——电子互动类、建造建模类、编程语言类、机器人类和其他，具体内涵界定如下：
(1)电子互动类：主要是指开源硬件平台、微型计算机、微型处理器等用于快速设计、可交互的电子设备。常见的有Arduino、树莓派、Beagle Board、TinyDuino、pcDuino等。
(2)建造建模类：主要是指建模软件、打印设备等用于硬件原型的设计与建造成型的装备。常见的有Maker Bot、Egg-Bot等开源桌面3D打印机、3D扫描仪、3D建模软件等。
(3)编程语言类：主要是以语言编程为主的工具，常见的如Scratch、ArduBlock等图形化编程工具，以及难度稍大的C语言和JAVA语言。
(4)机器人类：主要是指制作机器人所需要的相关设备，包括各种电子元件、器材和相关材料，常见的如乐高机器人套件。这里要注意的是，机器人类创客教育装备可能会包含前几类创客教育装备，所以这里特指除了上述类别以外用于制作机器人的装备。
(5)其他：是指除以上几类之外的装备，主要包括手工锯、锤子、锉刀、电烙铁等基础加工工具;和小型车床、铣床、钻床、电钻、角磨机等进阶加工工具;以及各种常规材料、智能材料、电路连接等所涉及的创客教育装备。
在以上分类的基础上，对这五种类型在筛选出的115篇论文中的所占数量进行了统计，见表2。其中，数量排在第一位的是建造建模类，这一类装备大多聚焦于3D打印机和3D建模软件。电子互动类创客教育装备也较多，主要关注开源硬件平台。
对文献进一步分析发现，目前创客教育装备的应用热点主要集中在三方面，一是以Arduino为代表的开源套件;二是3D打印;三是机器人。
(三)创客教育装备的典型案例分析
此部分主要针对各类创客教育装备的代表性“工具”和典型案例进行分析。此处的“工具”不是指单纯意义上的工具，还包括软件、平台、系统等。具体分析如下。
1. 电子互动类
在电子互动类中，开源硬件平台的应用较为广泛，尤其是Arduino以易实施、灵活性强、利于激发学生的兴趣等优势占据主流地位，其核心是让学生利用现有的电子元件设计出创新的应用[15]。浙江省温州中学谢作如团队以Arduino为主要平台构建创客课程体系作为校本选修课程，成为国内中小学创客空间的一个典型代表[16]，目前该系列课程已经成熟，《Arduino创意机器人》小学版和中学版教材已出版并提供电子版资源下载，为中小学开源硬件的创客教育实践提供了参考。
2. 建造建模类
建造建模类创客教育装备一出现，就引起了很多研究者的研究热情，这一类别的当前热点主要是依托风靡全球的3D 打印技术，因此研究文献较多。国外代表性的项目如赛迪研究院专家组Hod Lipson的Fab@Home项目以及 Paulo Blikstein的Fab Lab@School[17]，该类项目主要通过任务驱动和学习情境创设，结合3D打印技术解决实际问题，如学生在清晰的图解信息基础上，设计和3D打印风车叶片、齿轮等零部件，组装风力发电机并测试 。近两年，我国很多中小学也开设了3D打印课程，如在北京市东城区就有31所“三维创意设计与3D打印”课程实验学校[18]。甚至3D打印课程与传统课程进行了融合，如在语文课堂中运用3D“复活”活字印刷，在物理课堂中制作小孔成像演示仪等[19]。但是，3D打印类创客教育装备由于涉及建模，所以难度上也会有所增加，适合中高年级的学生，而其较之电子互动类，价格稍微昂贵，如果是大型打印机对场地要求也较高。
3. 编程语言类
当前教育日益重视对于学生编程能力的培养，通过编程语言的学习来训练学生的逻辑思维能力。这一类创客教育装备的典型代表是Scratch软件，是由美国麻省理工学院设计开发的一款简易编程工具，用类似乐高积木的命令块搭建程序，与其他创客教育装备不同的是，它作为一款可视化的编程软件很早就引起了教育学者的关注。很多世界知名大学都开设了Scratch课程，美国信息技术教师联盟CSTA在K–12计算机科学课程标准中还将其设为编程软件的入门课程[20]。近几年，我国华南师范大学附属小学吴向东、华中科技大学附属小学毛爱萍以及北京景山学校吴俊杰也利用Scratch进行了相应的课程教学实践[21]。
4. 机器人类
通过机器人来激活学生创造思维与创新意识，培养学生的动手实践能力，挖掘学生创新潜能，促进学生全面发展。其中，乐高机器人是目前创客教育中使用较多的机器人类创客教育装备。利用乐高机器人进行创新设计最早源自美国的麻省理工学院(MIT)和塔辅茨(Tufts)大学[22]。机器人也可以与其他的创客教育内容联系在一起，如3D打印技术，就可以用来制作机器人的零部件;开源硬件平台可以用来制作机器人的核心芯片，通过在其上编程实现功能;编程工具则是为程序代码服务，这些都为机器人教学提供了便利。王同聚[23]在广州创建的 “智创空间(ZC Space)”中开设了中学生“Scratch与机器人融合创意智造”的体验课程。该课程基于Scratch编程，结合机器人硬件实现机器人与电脑屏幕动画角色的双向控制，实现了虚实结合和软硬交互。
5. 其他
除了上述四类外，还有一些传统的创客装备，如普通的机械工具、化工材料等。如Meadow小学的“棉花糖挑战”[24]活动，教师在课堂中要求学生用未煮过的面条、胶带、绳子和棉花糖，在有限的时间内搭建塔，通过共同探讨倒塌的原因不断改进设计，从而理解原理;马云霞[25]等人就人工智能课程中“塑料PVC机械猴制作”这一内容进行创客教育设计，通过在课程中让学生自己动手制作PVC机器猴来了解其运动的原理，加深理解，过程中只是使用了机械类的工具，如剪刀、美工刀、锉刀、电烙铁等。
四、创客教育装备发展趋势探析
随着技术发展与理念的转变，创客教育将逐渐在各级学校和机构中普及，会形成完整的创客课程体系，创客理念也会逐渐进入传统课程。那么，随之创客教育装备也会出现以下发展趋势：
(1)种类将更加细化，功能更加多样。创客教育装备从最开始的3D打印发展到Arduino等开源硬件平台，又拓展到机器人设备等。未来随着新兴技术的发展，如人工智能、3D 打印、AR&VR等新兴技术的崛起，创客教育装备必会越来越多样化，越来越细化，以满足不同创客教育群体的需求。
(2)将更具系统性、专业化。从以上文献分析可以看出，目前创客教育所使用的装备大多开发的初衷并不是用于教育领域，而是逐步移植到教育中来的，所以随着创客教育运动的开展，创客教育装备必会更具教育系统性和专业性。
(3)将更加集成化、智能化。未来创客教育装备的体积会越来越小，且智能化程度会越来越高;同时，也会更加易于操作，便于教学，为学生提供良好的学习体验。现阶段已经有公司对Scratch和Arduino进行了集成，将其整合成一个系统，这样更有利于创客教育的开展。所以，可以预见创客教育装备将会更加集成化、智能化。
(4)创客教育装备会逐渐形成一套完整的产业链生态圈。随着创客市场化进程的不断加速，从项目孵化器众筹平台，到硬件提供商，再到互联网社区，创客运动市场已经快速形成了一套生产体系，而在未来创客教育装备也会逐渐形成从硬件、软件到支持服务的一套产业链生态圈。
综上所述，虽然目前市场上创客教育装备多而无序，但是随着技术的发展、理念的转变以及创客教育的普及，创客教育装备类别必会更加丰富，也会更趋教育专业性、趣味性以及智能化，以满足不同教育场景、学习者所需。
