基于“做中學”理念的信息技術課程與教學創新

吳俊杰等

“工程”（engineering）一詞最早是來自于軍事中的兵器制造領域，要求能夠按照標準制作一個標準的零件，然后再把它們組裝起來，完成規格統一的產品制造過程。后來這個詞衍生為完成一個需要很多人協作分工，在規定的時間內完成一個具有一定功能的復雜項目，比如蓋一座大樓，交付一個軟件，或者讓載人飛船到月球上轉一圈。在班級授課制的模式當中，教學被分割成幾十分鐘的單元，每位學生都傾向于有獨立的任務和具體的知識學習以及相應的考評標準。學生被分割成一個個的原子，缺乏協作的機會和條件，因此在班級授課制的模式當中，我們大多數情況只能講解“工程基礎知識”，而不能夠帶領學生完成一個完整的工程項目。比如，我們可以講“制作一個電子報刊”，只有當這個電子報刊承載了一定的具體功能，如作為要發行的校報的一部分，或者要在學校里面公開售賣時，才可以稱為一項完整的工程。在大部分情況下，信息技術學科當中的工程教學，是在講“完成一項工程項目所需的基礎知識”而不是講一項工程。

技術教學中工程學習的一個趨勢是在學習了“完成一項工程項目所需的基礎知識”之后，通過一個綜合實踐活動，用比較長的時間來完成一個綜合項目。比如，每個學期，當講授完Scratch語言的基礎知識以后，我們會單獨抽一個周六組織一個“編程馬拉松”的項目，要求學生在一天的時間內完成一個復雜程序的設計。這種活動的受益者只是少數，工程教育的目的是為了回答一個問題“教育究竟可以在多大程度上接近真實世界”，因此我們更希望未來的技術教育能夠更好地解決這個問題，讓所有人體驗真實工程當中的快樂。我們可以從“點亮一盞LED燈”的教學開始。

教學任務設計

嘗試用不同的方法點亮一盞LED燈，并完成一個由50盞燈構成的大吊燈的制作過程。

教學實施過程與思考

讓我們試著比較點亮一個發光二極管（LED燈）的三種方式。

方法1：一個紐扣電池，正極接發光二極管的正極，負極接發光二極管的負極，它就亮起來了。

方法2：使用一個Scratch測控板，這是一種很常用的信息技術實驗儀器，用Scratch語言通過計算機控制通過發光二極管的電流的大小和方向，然后點亮它。

方法3：使用Arduino傳感器板，把控制發光二極管的程序下載到Arduino上面，然后控制這個發光二極管的亮滅。

這三種方式從技術上經歷了從模擬電路、外部控制的數字電路、單片機自動控制的數字電路三個階段，在高中階段可以通過兩課時的教學，完成基礎知識的學習。但是這只是一項工程項目啟動的基礎知識，我們期望學習完這些基礎知識以后，學生能夠通過完成一個綜合的項目體驗真實工程的過程，達到真正的學以致用，這就需要更為細致的教學組織技巧和設計。如果我們把“做中學”理解為一種學習方式，那么“做”可以理解為“制作”，即“Make”，可以延伸為現在很流行的“創客”（Maker）；技術教育當中的“工程”可以理解為一種用創客的方式，完成一個盡可能接近真實生活的項目。

1. 如何根據基礎知識確定一項工程項目的題目

工程項目是一種復雜的項目，如果按照典型的創客教育的學習模式，在制作（Making）階段，學生學習了一項工程項目所需的基礎技能，在改裝（Hacking）環節需要由學生提出一個改裝的方向。比如在制作環節當中，學生知道如何用繞線器來點亮一盞LED燈，如圖1所示。接下來需要啟發學生做一個比較大的項目。比如，給LED加上一個燈罩制作一個由50盞燈構成的大吊燈。于是發動了景山學校創客空間的會員們手繪燈罩，做成了一個吊燈（圖2）。

吊燈的頂端是兩個鐵環，鐵環分別連接了電池和50個發光二極管的正極和負極，這樣一個比較復雜的、會讓人見到眼前一亮的作品就完成了。

讓人眼前一亮，是很多創客作品成功的關鍵因素。而在原理層面問題解決之后，我們很希望設計能夠做到讓人眼前一亮。有幾個很常用的原則：（1）做很大的東西或者很小的東西。比如，一人高的吊燈或者能在iPad上跑步的小機器人。（2）做跟人發生聯系的東西。比如，這個吊燈的每一個單元都是創客空間的會員手繪的。（3）整體的統一和局部的個性給予觀眾合適的信息量。這個吊燈燈罩都是立方體，而每個又不太一樣，過于統一顯得呆板，過于個性顯得雜亂。（4）跟正常的邏輯不太一樣。比如，觸摸的開關看上去就比按鈕或者撥位開關讓人覺得更加有趣一些。這些改裝的角度，可以幫助學生有的放矢地確定改裝的工程項目的主題。

2. 如何確定分工

在團隊合作的工程項目當中，我們常常需要讓學生分組，類似流水線一樣完成較大的項目。比如，這個很大的吊燈，可以分為折制燈罩、燈罩彩繪、給燈罩安裝LED、將LED安裝到兩個鐵環上四個步驟。它們彼此是同在一條流水線的關系，這種串行關系的優點是分工明確，缺點是后期工序要等待前期的工序完成之后才能操作。相關的另一個分工方式是將學生分配成小團隊，每個小組都制造一個迷你的吊燈，最后再將小吊燈匯集成一個大吊燈。這種分工方式的優點是比較靈活，每個小組內部可以按照工程進度調整分工，而且各個小組之間存在競爭，便于激勵學生完成工程項目。

3. 如何明確工期

在班級授課制當中，一般來講需要在一節課當中完成一個獨立的單元。之前在信息技術教學中常見的“期末大項目”的考核方式，可以看做是一種將復雜的工程項目分解在每個課時的一種做法，但是這種做法學生在一周之后常常遺忘上節課的內容，使得本課的體驗不連續，因此需要更為細致的設計。另外，我們也可以通過學校的各種活動確定工期，比如2014年下學期在北京景山學校當中開展的“創客1.0”活動，學生在課堂上學習了“點亮LED燈”這種工程項目的基本技能，然后以班級為單位開展競賽，工期就是從發起活動到提交作品的這段時間。學生可以在完成比賽項目的過程中，形成臨時的團隊，完成一個差異性的工程作品。更重要的是，這種項目常常是在學生的家中由幾位同學共同完成的，這有利于將工程項目的思想更好地滲透到學生的家庭生活中。更重要的是，類似這種“創客發小”的基于家庭和社區的活動形態，更加類似美國的“車庫文化”，這是一種基于家庭和社區的創客活動形式。

4. 如何在工程完成中體會工藝探索的過程

在工程項目當中，常常會遇到一些困難。比如，在吊燈這個項目當中，我們發現LED燈容易脫落，此時各個小組便會通過改進制作方法來解決這個問題。再如，燈罩的制作過程缺乏一個統一的標準，我們可以用Word來繪制一個折紙圖紙，幫助提高燈罩制作的精度。這些“微創新”都是工藝方面的改進，對工藝的追求是所謂的“工匠精神”的一個重要的方面。

5. 如何評價這項工程項目

對于一項完整的工程項目可以使用下面的這種雷達圖（圖3）進行評價。一個作品的制作并且最終發布，可能需要用到電子與程序的知識來完成功能，材料與結構的技能來構建外形，科學探究和數學建模的方法來解決問題，媒體傳播與文案寫作的能力來發布作品。此外，還可以根據最后的作品的整體情況評價其工業設計水平，并通過每位成員在團隊中的作用和積極性來評價其團隊協作能力。評價者可以根據自己的情況將其每個維度分成五分制或者十分制的量表。

在不同的工程項目當中，評價的各個維度會有調整。另外，如果能夠在評價當中引入專家評價或者社會評價，則會讓工程項目的評價更具專業性和社會意義。比如優秀的工程項目參加各級的“科技創新大賽”由專家給出評價。學校也可以搞很多類似創意集市的活動，學生的工程作品可以用來義賣或銷售，讓市場和消費者用腳投票，也是一種不錯的評價形式。

圖3

6. 工程項目的未來以及信息技術在其中的作用

伴隨著技術學科的發展，一項綜合的工程項目在未來會發展為一種信息技術和通用技術綜合應用的狀態。其中，信息技術的使用是伴隨著工程目標的實現自然出現的。在校內的環境中，主要是建立在通過班級授課制普及工程基礎知識的情況下，學校組織的各種綜合活動、項目和競賽會成為一種經常性的工程教育形式。更重要的是，在校外教育和社區教育當中，工程教育會以更充裕的時間、更高水平的追求、更貼近社區和生活的方式呈現，并作為校內教育的補充和提高途徑。