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摘要：当前越来越多的教育工作者开始关注STEM教育和创客教育，并将两者结合起来，让学生在利用前沿技术“玩创新”和自主探究的过程中提升创造能力和STEM综合素养。而创客教育主要依托的技术之一就是物理计算和互动媒体技术，它是当前信息技术与其他学科（如艺术设计）交叉、融合的新生领域，借由软硬件的整合可以创建感知和响应现实模拟世界的交互式系统，强化人与数字世界的联系。面向STEM教育，创客教育的目标与方向、实施过程可以更加清晰。在综合考虑创客教育的基本理念、教学目标、教学内容、教学策略、评价方法和学习环境六个方面的基础上，可以构建面向STEM教育的创客教育模式。基于物理计算平台的创客教育有着深厚的理论基础——建造主义，它是适应数字信息化时代、培养学生STEM素养和创新实践能力的一种教育新范型，可以为探索信息技术教育改革、通用技术教育改革乃至中小学教育的整体变革提供了新思路和新方向。
关键词：STEM教育；创客教育；物理计算；创意计算；互动媒体作品
中图分类号：G434
文献标识码：A
一、STEM教育和创客教育
STEM教育是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineer）和数学（Mathematics）教育的简称，它是1980年代美国为提升国家竞争力和劳动力创新能力而提出的一项国家教育战略，重点旨在打破学科领域边界，培养学生的科技理工素养。目前它已成为国内外教育界关注复合型创新性人才培养、劳动力水平提升的热点课题。从STEM到STEAM（增添艺术领域），再到STEMx（增添更多项学科领域），STEM教育的内涵和外延越来越丰富，它囊括了艺术、体育、人文、计算机科学、调查研究、创造与革新、全球沟通协作等21世纪所需的知识与技能，发展为包容性更强的跨学科综合素养教育。
比STEM教育的提出晚了几十年的创客教育则明显具有互联网和信息技术高速发展的时代特征，它是近年来伴随创客运动（Maker Movement）的兴起和创客文化的传播，逐渐在校园内外发展起来的一股创新教育热潮，它把数字技术同时作为教育的内容和手段，是数字技术与教育不断融合而产生的新型教育范式，它将重新定义中小学校的综合实践课程和信息技术课程。当前，秉承着设计、制作、分享、交流、开源的创客文化，国内一些大中小学里的学生创客们（也可称为“小小创客”）不再依赖装备昂贵的实验室，而是在教师创客的指导下，开始接触前沿的信息技术（如机器人、物联网、智能家居等），尝试利用简单易用的数字技术（如3D打印技术和Arduino开源硬件等），面向实际需求进行设计、制作、分享和跨时空学习，在动手和动脑的创造中把创意转变为现实，以实现个人桌面定制的梦想。如今校园里的“创客空间”（Makerspace）、“创客”课程如雨后春笋般不断涌现，如温州中学的“互动媒体技术” “Arduino创意机器人”课程，并在课程中渗透STEM教育的理念和实践。这些课程成了呵护并激发学生的创新热情，为学生提供“让想象落地”的重要平台。学生们在“玩创新”和自主探究的过程中激发了创新的兴趣，培养了创造能力，提升了STEM综合素养，也锤炼了团队合作、解决问题的能力，而这些恰恰是当前学校教育的薄弱环节。创客教育为迎合当代学生“玩转”前沿数字技术的需要，培养适应未来社会所需的复合型创新性人才提供了途径和平台。
二、物理计算与基于Scratch的物理计算平台
前沿数字技术是开展创客教育的必要技术支撑，基于3D打印技术的个性化制造、建立人与数字世界交互关系的物理计算（Physical Computing）和为人工制品赋予生命和智能的程序设计是其中三项重要的核心技术。这里主要就物理计算概念及其工具，平台进行阐述。
（一）物理计算
从广义上说，物理计算（或称为物理交互设计，Physical Interaction Design）就是借助软硬件，建立能感知和响应现实模拟世界的活动式、交互式物理系统，它为我们理解人与数字世界的交互提供了一整套充满创造性的框架。在实际应用层面上，物理计算就是使用微控制器（Microcontroller）、传感器（Sensor）和执行器（Actuator），把模拟输入转换为一种软件系统，或者控制诸如马达、舵机、照明设备或其他硬件的电子机械装置，从而完成人与人、人与物、物与物交互的手工制作艺术品、设计或DIY发烧友项目。
目前，物理计算已在博物馆展品、艺术展示、产品设计、智能家电、智能家居、商业营销、科学研究等领域得到广泛应用。例如，2010年上海世博会及一些科学艺术展览会和电视节目中，许多吸引眼球、融合多种新颖人机交互方式的互动媒体艺术作品大放异彩，如电子鱼缸、互动投影、虚拟翻书、4D影院等。实际上，这些让观众徜徉、参与其中的奇幻世界就是通过由微控制器、传感器和执行器构建的互动装置系统与真实世界发生联系而形成的（如下图所示），它们将数字化的虚拟世界与现实的模拟世界无缝衔接（也称虚实结合），这些互动媒体作品背后的工作原理就是物理计算。
一般来说，一个典型的基于物理计算原理而创作的互动媒体作品包括动作采集（即多样化的输入）、智能处理（即快速准确地处理）和显示输出（即多样化的输出）三个关键环节。为了实现这些关键环节，需要应用多种技术，如传感器技术、控制技术、编程技术、网络通信技术等。利用这些互动媒体技术和物理计算原理所创造的互动媒体作品实际上需要融合创作者的多学科领域知识，例如结构设计与制作、操作与执行、驱动与控制、检测与感知、智能与程序设计和艺术与媒体设计等，其跨界综合程度可见一斑。因此，利用物理计算平台、制作互动媒体作品使学生有机会通过设计和制造计算机增强的物品和空间，在探究技术/工程与数学、科学、艺术等跨学科之间交叉和融合的过程中培育学生的STEM综合素养。
（二）基于Scratch的物理计算工具/平台 由于一些开源的物理计算平台（如Arduino）隐藏了直接操作微控制器的大多数技术细节，为用户封装了一个易于使用的工具包，用户只要通过输入、输出接口就能方便地与其打交道。这就使得物理计算工具/平台越来越普及，前沿、综合的数字技术不再遥不可及，普通的设计师、艺术家和中小学生都可以利用这些物理计算平台实现创意想法。
Scratch是美国麻省理工学院MIT媒体实验室推出的一款可视化、代码块拖拉式的教育性编程工具，因其界面友好、寓教于乐，深受国内外师生的喜欢。Scratch风靡全球的原因，一方面在于它激发了学生的信息化表达和数字化创作的热情，学生可以在互动媒体作品的创作、玩耍、分享过程中提升创意计算能力（即创意设计和计算思维）；另一方面在于Scratch连接硬件平台的拓展性特别突出，它可以连接诸如Picoboard传感器板、MakeyMakey/酷乐宅电路板、Arduino单片机、Kinect体感设备等物理计算平台，这些平台大多廉价、开源、跨平台，提供简易易用的硬件编程环境。学生可以通过使用各种输入和输出接口，与周围的现实世界打交道，制作摆脱键盘、鼠标束缚的、虚实结合的互动媒体作品。以下简要介绍四类适合中小学生使用的、基于Scratch的物理计算工具/平台。
1.Picoboard传感器板
Picoboard传感器板是一种能支持Scratch感应外部环境的电路板，通过USB接口与计算机相连。它具有五种感应、侦测外部环境的硬件接口，包括声音传感器、光线传感器、按钮、滑杆和自定义（电阻型）传感器，能采集数字和模拟输入量。由于Picoboard传感器板是一种数据输入型电路板，因此它只能感知外界的信息（即通过各种硬件接口获取外部数据）而不能输出控制信息。连接Picoboard传感器板后，人们操控Scratch程序的交互手段更加丰富多样，可以结合其他材料（如铜箔纸）制作各种控制器，使Scratch程序与外界真实世界无缝衔接。
2.MakeyMakey/酷乐宅
MakeyMakey/酷乐宅是两款功能接近但实现手段不一的小型电路板，通过USB接口连接电脑，使用鳄鱼夹挂接其它物体，实现外接映射键盘。前者由美国麻省理工大学媒体实验室的两名博士生Jay Silver和Eric Rosenbaum研发，后者由国内温州地区一群对科技和创意有着无限热情的年轻人研发。这两种神奇的电路板可以让各种日常物品成为—个计算机输入设备，如让楼梯变成钢琴，让香蕉变成键盘，让橡皮泥变成游戏手柄。只要物体（如橡皮泥、水、人体或各种植物、金属）表面湿润或导电，微控制器就能检测出微弱的电流，并通过USB发送一个按键、鼠标或执行程序等信号给计算机，从而让任何连接到电路板上的物体拥有类似触摸感应的功能。
3.Arduino单片机
Arduino单片机是一款开源的可编程微型控制器，可用于搭建机器人和智能机器。数字的或者模拟的输入/输出端口是Arduino单片机与现实世界连接的重要通道，借由这些输入/输出端口，Arduino单片机可以与各种输入设备和输出设备连接。常见的输入设备有光敏元件、热敏元件、超声波元件、电位器等，常见的输出设备有LED、电机马达、蜂鸣器等。当Arduino单片机对这些输入、输出数据进行动作采集、显示输出时，就实现了感知外界环境和控制现实世界的目的。与Scratch传感器板相比，Arduino单片机具有双向输入/输出数据的接口，因此Arduino单片机的互动性远远胜过Scratch传感器板，可以搭建输入、输出相互影响的反馈系统。通常可以使用Arduino IDE、S4A、Ardublock、Mind 等开发环境进行硬件编程。
4.体感设备
支持体感交互的设备逐渐走向平民百姓。Kinect（全身体感设备）、普通摄像头和Leap Motion（手势感应设备）就是其中的三种体感交互设备。Kinect是微软开发的一种3D体感摄影机（又称为体感设备），它集成了诸多先进视觉技术，具有骨架跟踪、动作识别、人脸识别、语音识别等功能，正如其宣传语所说——“You Are the Controller”际就是遥控器），Kinect已成为彻底突破人机控制界限的自然交互设备，将对未来的生活、娱乐带来创意性的改变。Kinect for Windows是支持体感型应用程序开发的外设，通过Kinect2Scratch驱动程序可以与Scratch编程环境相连接，支持学生开发自己定制的体感游戏或其他体感应用，如双手操纵演奏音乐、双脚操作飞机大战游戏、用肢体运动认识奇偶数，学生可以在玩中学、做中学的过程中感受屏幕替身、骨架跟踪的基本概念和思想方法。Scratch2.0也支持基于摄像头的体感应用开发，它能侦测视频画面变化的幅度，当变化的幅度超过设定值，就能激活后续的行为。
三、构建面向STEM教育的创客教育模式
起步较早的STEM教育与信息时代下的创客教育正在深度融合，这将带来中小学生创新意识培养和实践能力提升的新增长点。一方面，创客教育的数字技术和文化氛围将丰富和优化STEM教育的内容和手段，让STEM教育重新焕发新的生命力；另一方面，STEM教育的跨学科综合理念、基于项目或问题的教学方法使创客活动更符合学校教育和人才培养的需求，使创客教育的目标与方向、实施过程更加清晰。以下将从基本理念、教学目标、教学内容、教学策略、教学评价和学习环境六个侧面阐释面向STEM教育的创客教育模式。
（一）基本理念
创客教育主要以学生的自主探究和动手制造为核心，它根植于杜威的进步主义和Logo语言发明者——西蒙·帕伯特（Seymour Papert）教授早年提出的建造主义，强调学生在学习过程中利用知识建造外在的、具体的、可分享的人工制品和建立人际关系。在学科整合途径上，可以借鉴整合性STEM教育（Integrative STEM Education，简称iSTEM）方法，即在研究各学科特点的基础上探求以工程技术教育为核心、整合数学和科学的教学方法，也就是利用技术/工程教育的思想和模式有意图地整合科学/数学教育的内容和过程，采用技术，工程教育常用的基于设计的学习（Design-based Learning）方法，让学生在面向真实问题解决的项目探究学习（Problem-basedLearning）过程中，综合运用技术素养、工程，技术的设计过程、科学素养、科学探究和科学/数学以及其他相关概念来设计和制作人工制品，从而达到培养学生STEM素养、创新意识和实践能力的目的。 （二）教学目标
创客教育的总体目标是在利用物理计算平台和3D打印技术等前沿数字技术、综合运用跨学科知识、动手创造人工制品，在探究所生活的世界相互联系的不同侧面的过程中学习和掌握面向真实需求的问题解决的过程和方法，培养和提升创意设计能力、团队合作能力、问题分析与解决能力和实践创新能力以及STEM素养。从三维目标来看，创客教育的教学目标可以包括知识与技能（女口物理计算的基本原理、硬件装配、电子元件识别、电路搭建、程序编写、功能调试、3D打印建模等）、过程与方法（即在教师指导下，通过模仿、自主探究和动手制造来完成从易到难的硬件装配、电路搭建、程序编写和功能调试，在观察、思考、设计、制作、试验等活动中掌握发现问题、分析解决问题的方法）和情感态度与价值观（即感受物理计算平台在连接人与数字虚拟世界、现实物理世界的便捷陛，培养动手解决实际问题的兴趣和热爱生活的情意，提高问题意识，形成勇于探索、积极实践、乐于合作的学习态度与品质。
（三）教学内容
创客教育的教学内容将承载创新、制造、智能多个侧面，创新表现在创新思维和跨界思维。创新思维旨在培养学生用创意设计的方法结合各种情景（如科学情景、工业情景、生活情景等），以特定的工程目标开展原创性研究、解决问题。例如，在2013年上海创意教育培训暨教师工作坊中，主讲教师要求各组参训教师运用检测Picoboard传感器板上电阻型传感器A端口是否连接的方法，结合使用其他创意制作材料（如铜箔胶带、细电线）设计制作游戏控制器开关，其中有一组参训教师创作的“斗鸡开关”最具创意，游戏中玩家单腿站立，将两个玩家膝盖上的铝箔胶带相碰去触发屏幕上角色的行为，这款游戏借助一个简易装置将人与人之间的互动融入其中，使我们感受到科技与真人现实游戏结合的神奇魅力，同时也唤起了大家对儿时游戏的美好回忆。跨界思维就是设计一些有用有趣的活动将STEM等各学科领域的知识与技能进行交叉、融合，例如将艺术人文领域与理工科、科学研究相结合。北京景山学校吴俊杰老师在拓展Picoboard传感器板应用方面开展了信息技术与科学研究结合的跨学科整合实践，他设计了一种基于Picoboard传感器板的实验，即利用Picoboard传感器板上的不同模拟量研发多个联系生活实际的信息技术实验，通过设计实验一采集数据一函数拟合一应用函数的一系列过程，带领学生研究外界环境的物理量（如长度、电阻等）与Picoboard传感器板上采集的模拟量（如滑杆传感器数值、光敏传感器数值等）之间是否存在稳定的对应关系，进而利用这个关系来测定物理量，最终实现自动测量仪器（如长度测量的仪器、灰度扫描仪等）的制作。信息技术与科学研究的巧妙结合使学生充分感知了整合跨学科知识在问题解决过程中的重要性和具体实现方法。
创客教育的制造表现在让学生直接参与对现实世界的改造，学生创客在教师创客的带领下、基于3D打印技术和物理计算平台等前沿技术进行动手制造，面向真实需求来完成硬件装配、电路搭建和作品调试。例如，温州中学的学生利用Arduino控制板自制了两款功能各异的互动装置——感知外界环境变化的风景画和电动显示器支架，前者侧重于感知信息，利用与Arduino控制板相连的传感器直接监测外界天气情况，并控制屏幕上风景画改变，来实现实时感知外界天气变化的功能。后者侧重于控制信息，通过程序控制电机、自动调节电脑显示器的支架，以达到预防颈椎病的目的。这些互动装置反映了学生应用物理计算平台解决实际问题的能力以及难能可贵的艺术修养和人文关怀。
创客教育的智能表现在学生通过编写程序和调试软硬件系统，赋予人工制品以生命和智能，实现人与人、人与物、物与物之间的正常沟通与互动。由于开源、底层封装、图块拖拉界面，基于硬件的编程门槛降低，“人人学会编程”不再遥不可及。
（四）教学策略
创客教育是面向STEM综合素养提升的教育，其教学过程和方法主要基于项目、围绕问题来开展，学生自主探究和动手体验是教学的核心。可以采取如下一些策略。
1.回归真实世界的实践
创客教育要让学生回归真实世界，在观察周围世界、关注自己和他人需要的过程中，从亲近与探索自然、体验与融入社会、认识与完善自我等多个主题领域寻找创意设计的灵感，从而创作各种蕴含现实社会意义和文化内涵，并与科学、艺术、生活等多领域场景无缝衔接的互动媒体作品，理解问题解决的真谛：从生活中来再到生活中去。例如，一些学校师生使用各种物理计算工具/平台创作了面向实际需求的互动媒体装置，如多个纸盘触碰开关组成的投票器、报警器、节水器、纸板弹琴、楼梯弹琴、基于橡皮泥的计算器等。
2.围绕创新，大胆实践
追求创新是创客教育的重要价值取向，创新可能来自于对微小而独特需求的发现，而表达创新想法的途径就是制作个性化、具有智能、能带来高附加值的互动媒体作品，这类作品可能是生活中能用的东西，如测温报警、温控风扇、网络浇花器、遥控台灯等，也可能是有质感的、让人们愉悦心情的东西，如流水灯、呼吸灯、蜂鸣器电子琴、开启并奏乐的蛋糕盒等。吴俊杰老师把这两点归纳为做有用的东西（Make It Real）和做有质感的东西（Make It Cool）。由于互动媒体作品面向实用、面向美学欣赏，创作者需要考虑应用需求和现实困境，大胆实践，在聆听周围同学和用户意见的基础上持续完善。比如为了把互动媒体作品做得更有质感，可以把作品做得大一些、让作品与人互动、结合信息通讯的知识与技术创作作品，这样独具创意的互动媒体作品就不再只是冷冰冰的装置和设备，而变身成为巧妙解决现实问题、充满生活乐趣的智能作品。
3.倡导迭代式学习过程和有意图的摆弄式学习方式
迭代式学习过程是不断重复、递进的过程。美国MⅡ终身幼儿园研究小组主任雷斯尼克教授曾提出创意思考螺旋（Creative Thinking Spiral），它包括不断迭代发展的五个阶段，即想象→创造→玩耍→分享→反思→再想象……，也就是互动媒体作品的创作开始于不成熟的想法或创意灵感，然后经历设计、制作、调试、改进和修饰作品，最终完成可以运作的互动媒体作品。分享、反思是整个互动媒体作品创作过程的组成部分，因为交流分享创作成果和深刻反思学习过程是灵感、想象、完善、提高的源泉。 摆弄（Tinkering）是一种重视探究和动手体验的工作风格和学习方式，它不同于有条理的规划，允许学生“以玩耍、探究、迭代的方式投入到问题或项目中”，从尝试制造智能装置的想法开始，动手制作互动装置和编写配合装置合理发挥功能的程序，经常评估目标，一遍又一遍地探究新途径和研究新方案，不断摆弄和调试软硬件，一方面解决硬件电路搭建、机械装置装配方面的困境，另一方面查找软件开发、程序设计方面的问题，才能达到预定目标或满足检验假设的需求。整个学习过程充满了混乱、惊奇、偶尔的烦恼或失落，但这就像真实的科学研究和工程制造一样。
4.强调跨学科综合，鼓励合作探究
创客教育是围绕设计计算机增强的互动装置和空间而展开的，这是一些吸引学生、激发学习动机的活动。它需要以工程、技术为核心，综合应用跨学科知识与技能，并鼓励不同兴趣特质的同学一起参与合作式探究。例如，2014年5月上海师范大学两名计算机科学与技术师范专业学生联合本校音乐、美术专业的多名学生，一起围绕音乐元素合作创作了“音乐风暴”互动媒体作品，该作品功能完整，包括乐曲播放、知识问答、歌词知识介绍、曲谱游戏、简易电子琴和简易电子鼓六个模块，可以让玩家体验自己成为乐队成员、音乐鉴赏家、乐器演奏家、作曲家和作词家的乐趣。其中简易电子琴和电子鼓是利用Picoboard传感器板、MakeyMakey电路板和其他材料（铜箔纸、纸板、海绵等）完成的。该作品在2014年上海举办的Scratch Day China创意编程作品展示交流活动中进行公开展示，其精美的画面、精致的音效、流畅的功能受到现场来宾和其他中小学参赛成员的啧啧称赞。由此可见，跨学科综合和团队合作可以使互动媒体作品创作的深度和广度进一步提升。
5.提倡案例教学，鼓励再创作
基于案例的模仿、探究是开展创客教育的重要途径，案例融合了必要的知识与技能、渗透了面向现实问题解决的方法与过程，为学生的创新意识培养和创新能力提升搭建了必要的脚手架。案例的学习不仅限于模仿，还应鼓励学生进行互动媒体作品的再创作，从作品的互动方式到呈现方式，再到功能的拓展都可以引导学生提出自己的创意想法，再付诸实现。再创作是计算参与理念下的重要实践方式，它有助于学生不断积累创意设计经验，为后续高水平的原创性设计与创作打下坚实的基础。
（五）评价方法
创客教育的评价方法应重点关注学生创新意识、实践能力和STEM素养的提升，可以采用聚焦创客成果和创客学习过程的多元评价方法，通过搭建现场或网络在线的分享、交流平台，让学生创客们展示自己创造的互动媒体作品，交流创作作品的过程与收获，与作品的受众、用户面对面交流，也可以通过观看其他同伴的作品，开阔创作思路，汲取再创作的灵感。现在，国内各地组织了多场互动媒体作品或创客教育的集中展示、交流活动，如2014年5月上海的Scratch Day、2014年11月温州市首届青少年创客文化节以及在常州举办的全国中小学生创客邀请赛等，这些盛大的现场展示交流活动吸引了学生、教师、家长、学校领导、校外培训机构等多方参与，现场展示的许多互动媒体作品都呈现出创作者的创新思考和独特创意，创客教育的教学评价随着社会性交往的融入而变得更加真实，更加有利于学生的个性发展。
（六）学习环境
校园创客空间是培养小小创客的重要场所和学习环境，根据学校教育和人才培养的特点，应在比较、借鉴社会创客空间的基础上建立校园创客空间，为“小小创客”的培育提供必要的物质保障、技术支持、学习环境和创客文化。我们不仅要给予小小创客们宽松的工作空间、充裕的创作时间，而且要提供支援性的指导和帮助。理想的创客学习环境是一种围绕技术探究和互动媒体创作的工作坊（Workshop），使用“一种颠倒课堂和基于项目的学习模式，教室周围是电子图书馆，学生可以根据精选视频和社区资料自学，教室的中心则是讨论桌、加工工具、实验仪器和展示平台，学生基于具体的项目，解决真实情境下的问题……”。
四、结语
随着前沿数字技术的开源、底层封装和门槛降低，越来越多的中小学信息技术教师开启了创客教育之旅，他们带领着一批中小学生，开始面向现实生活挑战、实际需求或者追求对生活的美化和情操的陶冶，尝试突破传统键盘、鼠标的人机交互局限，用多样化的输入、快速准确的处理和多样化的输出来设计、制作具有独特人机互动方式的互动媒体作品。从趣味编程到趣味创造，国内师生们创造的互动媒体作品已经在科学实验、数学建模、仿真模拟、艺术表达、创意设计等方面挖掘出越来越多的创新实践潜力。基于物理计算平台、3D打印技术等前沿技术的创客教育有着深厚的理论基础——建造主义，它是适应数字信息化时代、培养学生STEM素养和创新实践能力的一种教育新范型。面对汹涌的技术变革浪潮和教育新理念，教育工作者有必要思考它们对中小学信息技术教育改革、通用技术教育改革、综合实践课程改革乃至中小学教育的整体变革的意义与价值，在面向STEM教育的创客教育实践中，不断积累深化教育改革、提高教育质量的新思路、新经验。从中国制造到中国创造之路任重道远，面向STEM教育的创客教育或许可以开创一条让更多学生参与创新、从小培养学生创新实践能力和STEM综合素养的道路。
关键词：STEM教育；创客教育；物理计算；创意计算；互动媒体作品
中图分类号：G434
文献标识码：A
一、STEM教育和创客教育
STEM教育是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineer）和数学（Mathematics）教育的简称，它是1980年代美国为提升国家竞争力和劳动力创新能力而提出的一项国家教育战略，重点旨在打破学科领域边界，培养学生的科技理工素养。目前它已成为国内外教育界关注复合型创新性人才培养、劳动力水平提升的热点课题。从STEM到STEAM（增添艺术领域），再到STEMx（增添更多项学科领域），STEM教育的内涵和外延越来越丰富，它囊括了艺术、体育、人文、计算机科学、调查研究、创造与革新、全球沟通协作等21世纪所需的知识与技能，发展为包容性更强的跨学科综合素养教育。
比STEM教育的提出晚了几十年的创客教育则明显具有互联网和信息技术高速发展的时代特征，它是近年来伴随创客运动（Maker Movement）的兴起和创客文化的传播，逐渐在校园内外发展起来的一股创新教育热潮，它把数字技术同时作为教育的内容和手段，是数字技术与教育不断融合而产生的新型教育范式，它将重新定义中小学校的综合实践课程和信息技术课程。当前，秉承着设计、制作、分享、交流、开源的创客文化，国内一些大中小学里的学生创客们（也可称为“小小创客”）不再依赖装备昂贵的实验室，而是在教师创客的指导下，开始接触前沿的信息技术（如机器人、物联网、智能家居等），尝试利用简单易用的数字技术（如3D打印技术和Arduino开源硬件等），面向实际需求进行设计、制作、分享和跨时空学习，在动手和动脑的创造中把创意转变为现实，以实现个人桌面定制的梦想。如今校园里的“创客空间”（Makerspace）、“创客”课程如雨后春笋般不断涌现，如温州中学的“互动媒体技术” “Arduino创意机器人”课程，并在课程中渗透STEM教育的理念和实践。这些课程成了呵护并激发学生的创新热情，为学生提供“让想象落地”的重要平台。学生们在“玩创新”和自主探究的过程中激发了创新的兴趣，培养了创造能力，提升了STEM综合素养，也锤炼了团队合作、解决问题的能力，而这些恰恰是当前学校教育的薄弱环节。创客教育为迎合当代学生“玩转”前沿数字技术的需要，培养适应未来社会所需的复合型创新性人才提供了途径和平台。
二、物理计算与基于Scratch的物理计算平台
前沿数字技术是开展创客教育的必要技术支撑，基于3D打印技术的个性化制造、建立人与数字世界交互关系的物理计算（Physical Computing）和为人工制品赋予生命和智能的程序设计是其中三项重要的核心技术。这里主要就物理计算概念及其工具，平台进行阐述。
（一）物理计算
从广义上说，物理计算（或称为物理交互设计，Physical Interaction Design）就是借助软硬件，建立能感知和响应现实模拟世界的活动式、交互式物理系统，它为我们理解人与数字世界的交互提供了一整套充满创造性的框架。在实际应用层面上，物理计算就是使用微控制器（Microcontroller）、传感器（Sensor）和执行器（Actuator），把模拟输入转换为一种软件系统，或者控制诸如马达、舵机、照明设备或其他硬件的电子机械装置，从而完成人与人、人与物、物与物交互的手工制作艺术品、设计或DIY发烧友项目。
目前，物理计算已在博物馆展品、艺术展示、产品设计、智能家电、智能家居、商业营销、科学研究等领域得到广泛应用。例如，2010年上海世博会及一些科学艺术展览会和电视节目中，许多吸引眼球、融合多种新颖人机交互方式的互动媒体艺术作品大放异彩，如电子鱼缸、互动投影、虚拟翻书、4D影院等。实际上，这些让观众徜徉、参与其中的奇幻世界就是通过由微控制器、传感器和执行器构建的互动装置系统与真实世界发生联系而形成的（如下图所示），它们将数字化的虚拟世界与现实的模拟世界无缝衔接（也称虚实结合），这些互动媒体作品背后的工作原理就是物理计算。
一般来说，一个典型的基于物理计算原理而创作的互动媒体作品包括动作采集（即多样化的输入）、智能处理（即快速准确地处理）和显示输出（即多样化的输出）三个关键环节。为了实现这些关键环节，需要应用多种技术，如传感器技术、控制技术、编程技术、网络通信技术等。利用这些互动媒体技术和物理计算原理所创造的互动媒体作品实际上需要融合创作者的多学科领域知识，例如结构设计与制作、操作与执行、驱动与控制、检测与感知、智能与程序设计和艺术与媒体设计等，其跨界综合程度可见一斑。因此，利用物理计算平台、制作互动媒体作品使学生有机会通过设计和制造计算机增强的物品和空间，在探究技术/工程与数学、科学、艺术等跨学科之间交叉和融合的过程中培育学生的STEM综合素养。
（二）基于Scratch的物理计算工具/平台 由于一些开源的物理计算平台（如Arduino）隐藏了直接操作微控制器的大多数技术细节，为用户封装了一个易于使用的工具包，用户只要通过输入、输出接口就能方便地与其打交道。这就使得物理计算工具/平台越来越普及，前沿、综合的数字技术不再遥不可及，普通的设计师、艺术家和中小学生都可以利用这些物理计算平台实现创意想法。
Scratch是美国麻省理工学院MIT媒体实验室推出的一款可视化、代码块拖拉式的教育性编程工具，因其界面友好、寓教于乐，深受国内外师生的喜欢。Scratch风靡全球的原因，一方面在于它激发了学生的信息化表达和数字化创作的热情，学生可以在互动媒体作品的创作、玩耍、分享过程中提升创意计算能力（即创意设计和计算思维）；另一方面在于Scratch连接硬件平台的拓展性特别突出，它可以连接诸如Picoboard传感器板、MakeyMakey/酷乐宅电路板、Arduino单片机、Kinect体感设备等物理计算平台，这些平台大多廉价、开源、跨平台，提供简易易用的硬件编程环境。学生可以通过使用各种输入和输出接口，与周围的现实世界打交道，制作摆脱键盘、鼠标束缚的、虚实结合的互动媒体作品。以下简要介绍四类适合中小学生使用的、基于Scratch的物理计算工具/平台。
1.Picoboard传感器板
Picoboard传感器板是一种能支持Scratch感应外部环境的电路板，通过USB接口与计算机相连。它具有五种感应、侦测外部环境的硬件接口，包括声音传感器、光线传感器、按钮、滑杆和自定义（电阻型）传感器，能采集数字和模拟输入量。由于Picoboard传感器板是一种数据输入型电路板，因此它只能感知外界的信息（即通过各种硬件接口获取外部数据）而不能输出控制信息。连接Picoboard传感器板后，人们操控Scratch程序的交互手段更加丰富多样，可以结合其他材料（如铜箔纸）制作各种控制器，使Scratch程序与外界真实世界无缝衔接。
2.MakeyMakey/酷乐宅
MakeyMakey/酷乐宅是两款功能接近但实现手段不一的小型电路板，通过USB接口连接电脑，使用鳄鱼夹挂接其它物体，实现外接映射键盘。前者由美国麻省理工大学媒体实验室的两名博士生Jay Silver和Eric Rosenbaum研发，后者由国内温州地区一群对科技和创意有着无限热情的年轻人研发。这两种神奇的电路板可以让各种日常物品成为—个计算机输入设备，如让楼梯变成钢琴，让香蕉变成键盘，让橡皮泥变成游戏手柄。只要物体（如橡皮泥、水、人体或各种植物、金属）表面湿润或导电，微控制器就能检测出微弱的电流，并通过USB发送一个按键、鼠标或执行程序等信号给计算机，从而让任何连接到电路板上的物体拥有类似触摸感应的功能。
3.Arduino单片机
Arduino单片机是一款开源的可编程微型控制器，可用于搭建机器人和智能机器。数字的或者模拟的输入/输出端口是Arduino单片机与现实世界连接的重要通道，借由这些输入/输出端口，Arduino单片机可以与各种输入设备和输出设备连接。常见的输入设备有光敏元件、热敏元件、超声波元件、电位器等，常见的输出设备有LED、电机马达、蜂鸣器等。当Arduino单片机对这些输入、输出数据进行动作采集、显示输出时，就实现了感知外界环境和控制现实世界的目的。与Scratch传感器板相比，Arduino单片机具有双向输入/输出数据的接口，因此Arduino单片机的互动性远远胜过Scratch传感器板，可以搭建输入、输出相互影响的反馈系统。通常可以使用Arduino IDE、S4A、Ardublock、Mind 等开发环境进行硬件编程。
4.体感设备
支持体感交互的设备逐渐走向平民百姓。Kinect（全身体感设备）、普通摄像头和Leap Motion（手势感应设备）就是其中的三种体感交互设备。Kinect是微软开发的一种3D体感摄影机（又称为体感设备），它集成了诸多先进视觉技术，具有骨架跟踪、动作识别、人脸识别、语音识别等功能，正如其宣传语所说——“You Are the Controller”际就是遥控器），Kinect已成为彻底突破人机控制界限的自然交互设备，将对未来的生活、娱乐带来创意性的改变。Kinect for Windows是支持体感型应用程序开发的外设，通过Kinect2Scratch驱动程序可以与Scratch编程环境相连接，支持学生开发自己定制的体感游戏或其他体感应用，如双手操纵演奏音乐、双脚操作飞机大战游戏、用肢体运动认识奇偶数，学生可以在玩中学、做中学的过程中感受屏幕替身、骨架跟踪的基本概念和思想方法。Scratch2.0也支持基于摄像头的体感应用开发，它能侦测视频画面变化的幅度，当变化的幅度超过设定值，就能激活后续的行为。
三、构建面向STEM教育的创客教育模式
起步较早的STEM教育与信息时代下的创客教育正在深度融合，这将带来中小学生创新意识培养和实践能力提升的新增长点。一方面，创客教育的数字技术和文化氛围将丰富和优化STEM教育的内容和手段，让STEM教育重新焕发新的生命力；另一方面，STEM教育的跨学科综合理念、基于项目或问题的教学方法使创客活动更符合学校教育和人才培养的需求，使创客教育的目标与方向、实施过程更加清晰。以下将从基本理念、教学目标、教学内容、教学策略、教学评价和学习环境六个侧面阐释面向STEM教育的创客教育模式。
（一）基本理念
创客教育主要以学生的自主探究和动手制造为核心，它根植于杜威的进步主义和Logo语言发明者——西蒙·帕伯特（Seymour Papert）教授早年提出的建造主义，强调学生在学习过程中利用知识建造外在的、具体的、可分享的人工制品和建立人际关系。在学科整合途径上，可以借鉴整合性STEM教育（Integrative STEM Education，简称iSTEM）方法，即在研究各学科特点的基础上探求以工程技术教育为核心、整合数学和科学的教学方法，也就是利用技术/工程教育的思想和模式有意图地整合科学/数学教育的内容和过程，采用技术，工程教育常用的基于设计的学习（Design-based Learning）方法，让学生在面向真实问题解决的项目探究学习（Problem-basedLearning）过程中，综合运用技术素养、工程，技术的设计过程、科学素养、科学探究和科学/数学以及其他相关概念来设计和制作人工制品，从而达到培养学生STEM素养、创新意识和实践能力的目的。 （二）教学目标
创客教育的总体目标是在利用物理计算平台和3D打印技术等前沿数字技术、综合运用跨学科知识、动手创造人工制品，在探究所生活的世界相互联系的不同侧面的过程中学习和掌握面向真实需求的问题解决的过程和方法，培养和提升创意设计能力、团队合作能力、问题分析与解决能力和实践创新能力以及STEM素养。从三维目标来看，创客教育的教学目标可以包括知识与技能（女口物理计算的基本原理、硬件装配、电子元件识别、电路搭建、程序编写、功能调试、3D打印建模等）、过程与方法（即在教师指导下，通过模仿、自主探究和动手制造来完成从易到难的硬件装配、电路搭建、程序编写和功能调试，在观察、思考、设计、制作、试验等活动中掌握发现问题、分析解决问题的方法）和情感态度与价值观（即感受物理计算平台在连接人与数字虚拟世界、现实物理世界的便捷陛，培养动手解决实际问题的兴趣和热爱生活的情意，提高问题意识，形成勇于探索、积极实践、乐于合作的学习态度与品质。
（三）教学内容
创客教育的教学内容将承载创新、制造、智能多个侧面，创新表现在创新思维和跨界思维。创新思维旨在培养学生用创意设计的方法结合各种情景（如科学情景、工业情景、生活情景等），以特定的工程目标开展原创性研究、解决问题。例如，在2013年上海创意教育培训暨教师工作坊中，主讲教师要求各组参训教师运用检测Picoboard传感器板上电阻型传感器A端口是否连接的方法，结合使用其他创意制作材料（如铜箔胶带、细电线）设计制作游戏控制器开关，其中有一组参训教师创作的“斗鸡开关”最具创意，游戏中玩家单腿站立，将两个玩家膝盖上的铝箔胶带相碰去触发屏幕上角色的行为，这款游戏借助一个简易装置将人与人之间的互动融入其中，使我们感受到科技与真人现实游戏结合的神奇魅力，同时也唤起了大家对儿时游戏的美好回忆。跨界思维就是设计一些有用有趣的活动将STEM等各学科领域的知识与技能进行交叉、融合，例如将艺术人文领域与理工科、科学研究相结合。北京景山学校吴俊杰老师在拓展Picoboard传感器板应用方面开展了信息技术与科学研究结合的跨学科整合实践，他设计了一种基于Picoboard传感器板的实验，即利用Picoboard传感器板上的不同模拟量研发多个联系生活实际的信息技术实验，通过设计实验一采集数据一函数拟合一应用函数的一系列过程，带领学生研究外界环境的物理量（如长度、电阻等）与Picoboard传感器板上采集的模拟量（如滑杆传感器数值、光敏传感器数值等）之间是否存在稳定的对应关系，进而利用这个关系来测定物理量，最终实现自动测量仪器（如长度测量的仪器、灰度扫描仪等）的制作。信息技术与科学研究的巧妙结合使学生充分感知了整合跨学科知识在问题解决过程中的重要性和具体实现方法。
创客教育的制造表现在让学生直接参与对现实世界的改造，学生创客在教师创客的带领下、基于3D打印技术和物理计算平台等前沿技术进行动手制造，面向真实需求来完成硬件装配、电路搭建和作品调试。例如，温州中学的学生利用Arduino控制板自制了两款功能各异的互动装置——感知外界环境变化的风景画和电动显示器支架，前者侧重于感知信息，利用与Arduino控制板相连的传感器直接监测外界天气情况，并控制屏幕上风景画改变，来实现实时感知外界天气变化的功能。后者侧重于控制信息，通过程序控制电机、自动调节电脑显示器的支架，以达到预防颈椎病的目的。这些互动装置反映了学生应用物理计算平台解决实际问题的能力以及难能可贵的艺术修养和人文关怀。
创客教育的智能表现在学生通过编写程序和调试软硬件系统，赋予人工制品以生命和智能，实现人与人、人与物、物与物之间的正常沟通与互动。由于开源、底层封装、图块拖拉界面，基于硬件的编程门槛降低，“人人学会编程”不再遥不可及。
（四）教学策略
创客教育是面向STEM综合素养提升的教育，其教学过程和方法主要基于项目、围绕问题来开展，学生自主探究和动手体验是教学的核心。可以采取如下一些策略。
1.回归真实世界的实践
创客教育要让学生回归真实世界，在观察周围世界、关注自己和他人需要的过程中，从亲近与探索自然、体验与融入社会、认识与完善自我等多个主题领域寻找创意设计的灵感，从而创作各种蕴含现实社会意义和文化内涵，并与科学、艺术、生活等多领域场景无缝衔接的互动媒体作品，理解问题解决的真谛：从生活中来再到生活中去。例如，一些学校师生使用各种物理计算工具/平台创作了面向实际需求的互动媒体装置，如多个纸盘触碰开关组成的投票器、报警器、节水器、纸板弹琴、楼梯弹琴、基于橡皮泥的计算器等。
2.围绕创新，大胆实践
追求创新是创客教育的重要价值取向，创新可能来自于对微小而独特需求的发现，而表达创新想法的途径就是制作个性化、具有智能、能带来高附加值的互动媒体作品，这类作品可能是生活中能用的东西，如测温报警、温控风扇、网络浇花器、遥控台灯等，也可能是有质感的、让人们愉悦心情的东西，如流水灯、呼吸灯、蜂鸣器电子琴、开启并奏乐的蛋糕盒等。吴俊杰老师把这两点归纳为做有用的东西（Make It Real）和做有质感的东西（Make It Cool）。由于互动媒体作品面向实用、面向美学欣赏，创作者需要考虑应用需求和现实困境，大胆实践，在聆听周围同学和用户意见的基础上持续完善。比如为了把互动媒体作品做得更有质感，可以把作品做得大一些、让作品与人互动、结合信息通讯的知识与技术创作作品，这样独具创意的互动媒体作品就不再只是冷冰冰的装置和设备，而变身成为巧妙解决现实问题、充满生活乐趣的智能作品。
3.倡导迭代式学习过程和有意图的摆弄式学习方式
迭代式学习过程是不断重复、递进的过程。美国MⅡ终身幼儿园研究小组主任雷斯尼克教授曾提出创意思考螺旋（Creative Thinking Spiral），它包括不断迭代发展的五个阶段，即想象→创造→玩耍→分享→反思→再想象……，也就是互动媒体作品的创作开始于不成熟的想法或创意灵感，然后经历设计、制作、调试、改进和修饰作品，最终完成可以运作的互动媒体作品。分享、反思是整个互动媒体作品创作过程的组成部分，因为交流分享创作成果和深刻反思学习过程是灵感、想象、完善、提高的源泉。 摆弄（Tinkering）是一种重视探究和动手体验的工作风格和学习方式，它不同于有条理的规划，允许学生“以玩耍、探究、迭代的方式投入到问题或项目中”，从尝试制造智能装置的想法开始，动手制作互动装置和编写配合装置合理发挥功能的程序，经常评估目标，一遍又一遍地探究新途径和研究新方案，不断摆弄和调试软硬件，一方面解决硬件电路搭建、机械装置装配方面的困境，另一方面查找软件开发、程序设计方面的问题，才能达到预定目标或满足检验假设的需求。整个学习过程充满了混乱、惊奇、偶尔的烦恼或失落，但这就像真实的科学研究和工程制造一样。
4.强调跨学科综合，鼓励合作探究
创客教育是围绕设计计算机增强的互动装置和空间而展开的，这是一些吸引学生、激发学习动机的活动。它需要以工程、技术为核心，综合应用跨学科知识与技能，并鼓励不同兴趣特质的同学一起参与合作式探究。例如，2014年5月上海师范大学两名计算机科学与技术师范专业学生联合本校音乐、美术专业的多名学生，一起围绕音乐元素合作创作了“音乐风暴”互动媒体作品，该作品功能完整，包括乐曲播放、知识问答、歌词知识介绍、曲谱游戏、简易电子琴和简易电子鼓六个模块，可以让玩家体验自己成为乐队成员、音乐鉴赏家、乐器演奏家、作曲家和作词家的乐趣。其中简易电子琴和电子鼓是利用Picoboard传感器板、MakeyMakey电路板和其他材料（铜箔纸、纸板、海绵等）完成的。该作品在2014年上海举办的Scratch Day China创意编程作品展示交流活动中进行公开展示，其精美的画面、精致的音效、流畅的功能受到现场来宾和其他中小学参赛成员的啧啧称赞。由此可见，跨学科综合和团队合作可以使互动媒体作品创作的深度和广度进一步提升。
5.提倡案例教学，鼓励再创作
基于案例的模仿、探究是开展创客教育的重要途径，案例融合了必要的知识与技能、渗透了面向现实问题解决的方法与过程，为学生的创新意识培养和创新能力提升搭建了必要的脚手架。案例的学习不仅限于模仿，还应鼓励学生进行互动媒体作品的再创作，从作品的互动方式到呈现方式，再到功能的拓展都可以引导学生提出自己的创意想法，再付诸实现。再创作是计算参与理念下的重要实践方式，它有助于学生不断积累创意设计经验，为后续高水平的原创性设计与创作打下坚实的基础。
（五）评价方法
创客教育的评价方法应重点关注学生创新意识、实践能力和STEM素养的提升，可以采用聚焦创客成果和创客学习过程的多元评价方法，通过搭建现场或网络在线的分享、交流平台，让学生创客们展示自己创造的互动媒体作品，交流创作作品的过程与收获，与作品的受众、用户面对面交流，也可以通过观看其他同伴的作品，开阔创作思路，汲取再创作的灵感。现在，国内各地组织了多场互动媒体作品或创客教育的集中展示、交流活动，如2014年5月上海的Scratch Day、2014年11月温州市首届青少年创客文化节以及在常州举办的全国中小学生创客邀请赛等，这些盛大的现场展示交流活动吸引了学生、教师、家长、学校领导、校外培训机构等多方参与，现场展示的许多互动媒体作品都呈现出创作者的创新思考和独特创意，创客教育的教学评价随着社会性交往的融入而变得更加真实，更加有利于学生的个性发展。
（六）学习环境
校园创客空间是培养小小创客的重要场所和学习环境，根据学校教育和人才培养的特点，应在比较、借鉴社会创客空间的基础上建立校园创客空间，为“小小创客”的培育提供必要的物质保障、技术支持、学习环境和创客文化。我们不仅要给予小小创客们宽松的工作空间、充裕的创作时间，而且要提供支援性的指导和帮助。理想的创客学习环境是一种围绕技术探究和互动媒体创作的工作坊（Workshop），使用“一种颠倒课堂和基于项目的学习模式，教室周围是电子图书馆，学生可以根据精选视频和社区资料自学，教室的中心则是讨论桌、加工工具、实验仪器和展示平台，学生基于具体的项目，解决真实情境下的问题……”。
四、结语
随着前沿数字技术的开源、底层封装和门槛降低，越来越多的中小学信息技术教师开启了创客教育之旅，他们带领着一批中小学生，开始面向现实生活挑战、实际需求或者追求对生活的美化和情操的陶冶，尝试突破传统键盘、鼠标的人机交互局限，用多样化的输入、快速准确的处理和多样化的输出来设计、制作具有独特人机互动方式的互动媒体作品。从趣味编程到趣味创造，国内师生们创造的互动媒体作品已经在科学实验、数学建模、仿真模拟、艺术表达、创意设计等方面挖掘出越来越多的创新实践潜力。基于物理计算平台、3D打印技术等前沿技术的创客教育有着深厚的理论基础——建造主义，它是适应数字信息化时代、培养学生STEM素养和创新实践能力的一种教育新范型。面对汹涌的技术变革浪潮和教育新理念，教育工作者有必要思考它们对中小学信息技术教育改革、通用技术教育改革、综合实践课程改革乃至中小学教育的整体变革的意义与价值，在面向STEM教育的创客教育实践中，不断积累深化教育改革、提高教育质量的新思路、新经验。从中国制造到中国创造之路任重道远，面向STEM教育的创客教育或许可以开创一条让更多学生参与创新、从小培养学生创新实践能力和STEM综合素养的道路。