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区域联合模式下的上大附中工程创新实验室建设
【摘要】
近年来在各区中小学建设起了一批以提升学生的创新精神和实践能力为目标的创新实验室，随着环境和设施的不断完善，探究创新实验室的有效运作模式是本课题的研究目标。课题围绕创新实验室建设与运行机制研究，以宝山区工程项目组、上大附中工程创新实验室为例探索了区域联合体模式下的创新实验室运行机制。研究内容包含了学校工程创新实验室学生社团及课程发展，区域工程联合体特色活动组织，创客家庭、创客大赛等更广泛工程实践平台的搭建。已有的成果和经验在宝山区起到了一定辐射引领作用，一些大型活动和赛事在全市层面也产生了积极的社会影响。在本课题研究的基础上希望能借助区域联合进一步扩大创新实验室的影响范围，在学段互通、专利申请、创新创业方面进一步探索，为工程类创新技术人才的培养起到积极的作用。

【关键词】
联合体、创新实验室、运行机制、学生创客

【正文】
一、项目背景
近年来在各区中小学建设起了一批以提升学生的创新精神和实践能力为目标的创新实验室，上大附中作为市教委创新人才培养计划的试点学校，在各方的大力支持下，成立了学校创新活动中心，投资建设了工程实践与自主探索实验室。随着环境和设施的不断完善，在原有校内学生活动基础上探究创新实验室的创新运作模式成为了新的工作目标。
2014年在上大附中的多方协调下，宝山区工程技术创新联合体在宝山区教育局、宝山区少科站、上海大学以及十余所基层学校领导的支持下顺利成立。通过搭建工程技术创新联合体平台，进一步提升本区工程技术特色，培养创新型工程技术人才。2015年上大附中积极响应国家“大众创业、万众创新”号召，在区少科站三级创客机制引领下，承办上海市首届创客新星嘉年华活动，在校园内掀起一轮创客运动。
无论是担任区工程联合体的执行主席单位，或者是成为首批加入上海创客教育联盟的高中学校，作为一直以来以“造物”为目标的工程项目，上大附中的工程创新实验室不断发挥其活力，一方面承接了区内兄弟学校参观、展示的新任务，同时各项学生活动进一步衔接高校工作站，积极开展工程体验、课题研究等活动。本研究便是从创新实验室的不断发展中总结经验和成果，提炼出有借鉴价值的区域联合的运行机制。

二、研究内容及过程
本研究围绕创新实验室的行动机制展开，结合区域联合体这种特有形式，以宝山区工程联合体及上大附中工程实验室为平台，探索工程类创新实验室在学生学习、教师培训、区域展示、主题活动方面的功能完善与拓展，为各类创新实验室的内涵化发展提供借鉴和指导。研究过程主要分为以下三个阶段有侧重得加以展开：
第一阶段：单个创新实验室的应用及发展
在创新实验室筹划和建设伊始，对于其承载的功能便已有定位，上大附中工程创新实验室作为专有实验室首先配备有各类机械加工设备与工具，其次配套有自动控制套件及笔记本电脑用于自动控制编程。这些专业类设备的使用需要经过一定的培训，因此实验室的主要开放对象为通过社团招募的工程制作方面的爱好者，如常驻于实验室的学校机器人社团，当然还包括头脑奥林匹克社团、物理实验社团甚至生物创新社团。经过几年的运作创新类社团在实验室资源的支持下活动内容逐步趋于完善，产生了基于创新实验室的专有校本课程或学生活动，也诞生了包括区级立项课题、跨学科项目研究、STEM实践活动等一些优秀案例，在本研究中对工程创新实验室的校内合理使用进行了系统性整理。
第二阶段：区域联合体组织下开展创新实验室的特色活动
2014年宝山区工程技术创新教育联合体成立，联合体的成立由上大附中发起，在之前的创新实验室活动中学校同一路之隔的上海大学工程工作站建立了密切联系，区工程联合体首次由高校担任主席单位，上大附中担任执行主席，加上区少科站指导下的工程教研组的十几所学校组成。联合体结合各校工程资源开展了各类技术沙龙、项目展示、工程夏令营等活动，在联合体的支持下创新实验室的功能不断得到补充，辐射范围和影响力也随之扩大，研究中将对其中较有代表性的活动内容进行了分析与提炼，有助于其他有条件的区县或学校借鉴实施。
第三阶段：创新实验室结合家庭、高校及社会机构更广泛平台的探索
2015年联合体活动逐步趋于成熟，每年的夏令营和寒假展示活动常规化举行，创客这一热词进入工程联合体的视野。工程项目中诞生了许多学生创客，但因其还处于学习阶段并不一定都能胜任创新大赛等成果类竞赛，迫切需要一个门槛较低，注重现场设计、动手制作的竞赛平台。于是在区少科站的号召下，学生创客运动在从学校的创新实验室延伸至了家庭，中小学、高校乃至其他社会团体纷纷加入其中，2015年暑期上海市首届创客新星嘉年华活动在上大附中举行，这是一场学生创客的盛会，不设门槛充分交流。本研究的最后部分关注了工程创新实验室同当下创客运动发展的结合，工程教育需要整合各类平台资源，学生创客运动变被动为主动，是从学生兴趣出发结合家庭、学校、社会的一种有效途径。

三、具体成果
以下分别从学校实验室、区域工程联合体及家庭社会等更广泛平台三个方面，以上大附中工程创新实验室为案例介绍在区域联合模式下创新实验室的一些运营机制，其中诸如实验室建设发展、区联合体活动内容、家庭创客行动等的一些有效做法在上大附中、宝山区均产生了积极的影响，也为其他同类型的学校实验室提供参考。
1． 学校创新实验室的应用与发展
（1）创新实验室建设起步
学校工程创新实验室结合校机器人社团发展的需要而建立，机器人社团建校伊始就在学校信息劳技学科教师的指导下开展各类活动，早期社团参与以机械结构类为主的机械奥运赛事，取得了突出成绩，之后在区教育局、少科站的牵头下并举办了沪港澳机械奥运大赛，进一步确立了社团特色。随着机器人社的不断发展，活动项目的完善丰富，实验室之后的建设改造也势在必行，而最初的起步则要归功于学科教师的专业化发展以及优秀科技类竞赛项目产生的品牌效应。在历届社团教师的指导下，上大附中机器人社团利用学校创新实验室在创新大赛、明日之星、未来工程师、机器人、创客等各类赛事中屡获佳绩，成为学校名副其实的明星级社团。

图1：社团历届教师

图2：社团各类荣誉
（2）创新实验室活动内容建设
要建设工程类专项实验室，势必要涉及较为完整的工程开发过程，力求将学生对于这一领域的认识更为系统化。因此上大附中工程实验室的各个布局版块对应了普遍认同的工程项目开发板块，包含机械设计、电子电路及自动控制。每个版块又各自有基础性和提高性的内容供学生体验或探究，通过PBL这种项目交织学科的方式加以呈现。在此期间社团教师借由学生活动竞赛平台、教师专项课题研究、校外培训及指导的各种机会，引进了许多设备和教具，并建设了一系列校本活动的资源包，如基于步行机器人的单马达机构设计与改进、基于激光切割机的计算机辅助设计与制造、基于三维打印机的三维建模软件使用、基于物联网及机器视觉的单片机开发等。这些内容让学生在创新实验室里能以拓展课的形式接受各项技术指导与实践体验，从而深入了解工程技术领域的大致框架及一些分支应用。
序号
仪器设备名称
数量
1
AOD、UP2三维打印机
3台
2
CNC数控雕刻机
1台
3
小型普通车床
1台
4
小型普通铣床
1台
5
小型普通钻床
1台
6
八合一多功能机床
4台
7
曲线锯
1把
8
台式线锯
1台
9
调速手电钻
1套
10
台虎钳
6只
11
金工工具箱
6套
12
电工工具箱
6套
13
乐高创意机器人积木
10套
14
慧鱼创意套材
4套
15
VEX机器人套材
3套
16
Arduino嵌入式开发包
20套
17
笔记本电脑
20台
18
3D实感摄像头笔记本电脑
1台
19
MakeBlock绘图机器人
2台
20
Dobot机械臂
1台
表1：机器人实验室设备清单

序号
单元内容

序号
单元内容
A
R
D
U
I
N
O
单
片
机
入
门
1
认识Arduino
A
R
D
U
I
N
O
单
片
机
进
阶
1
必要的Arduino编程知识
2
第一个Arduino程序——Blink
2
必要的Arduino线路连接知识
3
第一个Arduino系统——LED小灯
3
控制LED点阵屏实例
4
数字输入——按钮控制小灯
4
液晶屏显示实例
5
模拟输入——查看电位器变化
5
语音控制实例
6
模拟输出——RGB二极管小灯
6
无线遥控扩展板实例
7
综合实例——感应风扇
7
手机GSM模块实例
8
蜂鸣器歌唱
8
指纹模块实例
9
数码管显示
9
L298N马达控制实例
10
舵机控制
10
Arduino与VB
11
综合实例——机器人循迹
11
Arduino与Scratch
表2：单片机拓展课程
（3）鼓励学生基于创新实验室开展研究性学习
我校的工程教育课程借鉴了CDIO国际工程教育理念，从CDIO中的构思、设计、实现、运作这四个方面，以项目探究为出发点，将普遍工程项目分为创意、规划、实践、展示的四个环节，针对每个环节设计基础类或专业类相关的校本课程，从工程技术的知识和原理、工程学科的技能与素养、沟通及团队协作三个方面对学生进行培养。如果说实验室的发展阶段要解决的是设施设备的完善、学习内容的确定，那么实验室建设的最高目标应该是以学生为中心的自主项目探究。在机器人社团学习活动一段时间以后，以研究性学习为主要模式的项目探究是每位学生需要去积极思考的。如何利用已有技术和材料，创造性地组合优化，诞生新的研究内容与方向，这些真正在实验室中基于学生兴趣的学习可以说是更高层次的学习过程。上大附中已连续三年获得上海市创新大赛工程类项目的一等奖，在每年的未来工程师、创造发明设计竞赛、创客大赛中也展示了许多有趣的学生创意。目前在工程实验室中的研究性学习可以是针对某一竞赛项目的技术方案，或者是解决某一实际问题的工程课题，也可以是完全出于有趣搞怪的创客作品，这些不同层次不同方向的学生研究是学校创新实验室和学生社团所积极倡导的。

图3：学生创客作品
2. 区域联合体支持下的创新实验室活动
宝山区工程技术创新教育联合体（以下简称工程联合体）以上海大学工程实践工作站、宝山区创客空间为基地，结合上大附中、罗店中心校等各校工程实验室，为联合体成员学校学生提供直接面向专家交流的机会，接触和了解当今科技发展的前沿信息。联合体定期开展学生活动和工程挑战竞赛，为联合体成员学校中学有余力、有创新潜质的优秀中小学生提供学习和实践，是一个以工程技术为主体的开放型、多样化、可持续的活动平台。

图4：工程联合体成立大会
工程联合体的教师活动以技能储备为主要目标，通过研讨沙龙、参观考察、体验活动等形式着重发挥区域特长教师的引领作用，将机电工程中包含机械设计、电子线路、自动控制等几个专项的技术路线展示提供给学员，供大家学习交流，逐步形成自己的知识体系和兴趣倾向。之后以各校的课题研究及项目制作为案例，注重联合体教师的工程实践的经验积累，逐步提升教师的课题研究能力、竞赛指导能力及活动组织能力，进一步向专家型教师的目标努力，谋求教师自身的专业化发展。每年年终联合体都要召开校长及项目负责人联席会议，总结一年来的联合体活动内容，商议来年的各项重点工作，细致地规划好每一项工作。

图5：教师交流研讨会
工程联合体的学生活动结合专家讲座、实践体验、项目咨询、交流展示加以展开，联合体汇总了高校专家及各校工程项目教师开展的科普讲座、实验室活动，形成内容清单供各校自主选择。每年工程联合体的暑期夏令营通过动手实践、专家咨询等专项活动用于学生工程技术能力的提升及课题研究计划的完善，每年寒假期间在上大附中创新实验室举行工程联合体项目展示及评审，让优秀项目和优秀学生有展示自己的舞台，进一步参与更高级别赛事。以上两项大型学生活动已经成为工程联合体的常规化内容。

图6：寒暑假联合体常规活动
在各校的创新实验室中，工程联合体结合校园科技节等活动定期开展金点子项目征集搜罗更多优秀的学生工程创意；各校的工程兴趣小组之间学生可交流互访，低年级学生可接受高年级学生的指导及经验分享；各实验室之间则实现优势资源辐射，以学生项目为载体组织学校间加工设备及教师技术力量的共享；定期召集专利代理公司为优秀方案及作品撰写专利，部分项目可结合高校实验室力量形成批量化产品。

图7：初高中学生在创新实验室互动
3. 创新实验室结合家庭、高校及社会机构等的探索
借助创客运动的东风，上大附中创新实验室及工程联合体积极响应宝山区家庭、校园、区站三级创客空间建设的号召，转变学校实验室为学生创新活动主阵地的原有观念，将眼光放大至家庭、社会，有效转变实验室的功能定位，开展以下一系列的工作。
首先是学生家庭创客工作坊的积极推动，学生可以利用家庭的一角或者书房等存放或展示自己感兴趣的内容。这个想法并不是无源之水，喜欢模型的孩子家里势必有存放自己制作精良模型的橱柜，爱好游戏的孩子势必有自己摆放电脑的书桌，将这样的家庭空间概念放大，培养的是孩子从“玩物”到“造物”，最后到“创物”的创客兴趣发展路径。每个人的兴趣方向不同，这样各具特色的空间，能让更多的学生在家不只是对着电脑电视聊天、看动画，而是积极投身到自己感兴趣的研究中，而研究什么则可以通过学校创新实验室提供方向。目前上大附中已命名5个学生创客家庭工作坊，诞生了线阵智能跳绳、搜车位系统、落叶粉碎机、微型示波器等诸多创客作品，未来还将每年从积极参与实验室活动的学生中遴选家庭创客对象，真正从家庭层面营造氛围激发热情。

图8：家庭创客工作坊
有了家庭创客，学校的创新实验室又多了一项兴趣引领的作用了，如果说原有的创新实验室是全部课程面向部分学生，那么现在需要将部分课程面向全体学生。不仅仅通过学生社团、兴趣小组，还可以利用校园科技节、社团嘉年华等形式让更多的同学接触创新实验室，了解其中的设备及技术，从而引发其进一步探究的思考。如果更多的同学周末回到自己家里不是外出补课或者游戏娱乐，而是结合自身兴趣和学校的实验室条件有计划地学习探究，那么优秀的学生、优秀的项目便不再可遇不可求。上大附中结合工程实验室，陆续开展了包括嘉年华展示互动、区学生工程作品交流、校内工程技术兴趣沙龙等系列活动，让实验室资源惠及更多人员的同时，引起学生们对工程技术的兴趣。
另外上大附中积极发挥高校附中和科技特色校优势，结合高校工作站、区少科站创客中心开展相关活动。每学期学校都会组织同学参与上海大学工程工作站的实践体验活动，内容涵盖机械装配、激光雕刻、三维打印、电子制作，让同学们全面了解工程技术的各个领域；每年针对的创新班开设的创新课程也常规化地安排了高校工程领域的专家讲座；一些在学校实验室中无法独立完成的加工项目或课题研究也会挖掘校专家导师团的各类资源。而区少科站的创客中心则满足了周末学生参与科技活动的实验室需求，在驻站教师的指导下部分同学对机器人套件、三维建模、单片机编程等有了先行的了解，在学校实验室的各项活动中表现出了优于他人的基础，也更多参与到高层次的赛事活动中。

图9：高校实验室实践体验
三级创客空间模式中，前两个为学生家庭和学校，第三级层面不仅是区少科站以及高校的支持，更应该是社会上所有支持学生创造的团体。在校内实验室开展了一系列探索实践之后上大附中加入了上海市创客教育联盟，2015年配合市科艺中心打造了上海市首届青少年创客大赛——上海创客新星嘉年华活动，区别于其他赛事该活动的宗旨以学生兴趣为首要出发点，放低门槛倡导大家在“玩”的氛围中学习成长，真正从家庭、学校、社会各个层面关注青少年中的小创客们。第二届赛事目前正在积极筹备中，新推出的活动雕塑、戈德堡装置项目一定又会让青少年们在“玩”中有所收获。类似创客新星大赛这样的平台还有许多，比如社会上的各类创客空间、全球著名的创客嘉年华活动、上海电视台的少年爱迪生栏目、中学生创业团队活动，这些都让我们看到了学校实验室以外的关注青少年创新教育的社会力量，我们的学生也有了展示自己的更广阔舞台。

图10：上大附中举办首届创客新星大赛

图11：上海创客嘉年华展示
四、反思与展望
经过几年的摸索，宝山区工程联合体及上大附中工程实验室在各个层面都取得了令人瞩目的成效。作为学校创新实验室主要体现在社团建设、品牌项目上的打造上；作为区域联合体则发挥了特长教师引领、技术培训基地的功能；而结合宝山区家庭创客工作坊的推进以及创客新星大赛的平台搭建，更多的同学和家庭参与到工程技术实践活动中，长此以往也将改善现有教育重应试、轻实践的现状。
当然在实践探索中很多做法还处于初步尝试阶段，组织形式、活动内容还有待在实践中不断调整，对于活动过程中的各类评价与分析还有待设计与补充，对于诸如家庭创客的长远效果和影响也需要经历更长时间的追踪，但无论如何通过区域推进的方式开展实验室的建设和发展能有效整合资源、拓展平台，充分挖掘出学校创新实验室的潜在功能。另外在本课题研究的基础上希望能借助区域联合这种新形式，未来在学段互通、专利申请、创新创业方面进一步探索。学段互通方面首先需要建立优秀学生的档案，做好过程跟踪与分析，其次也需要教育行政部门的政策支持，专利申请及项目创业则需要高校或企业等对于青少年创新的进一步支持，其中既包括技术方面的优化及革新，也需要商业和资本的投入。如果在以上各方面有更进一步的探索，相信对青少年工程创新技术人才的培养将会起到积极的作用。
在区域联合的模式下，创新实验室从学校的一个点辐射到了整个区域，而这个区域并不一定只局限在宝山，随着各类平台的汇集和活动规模的扩大，必将形成一种社会的合力共同推动教育的创新转变。

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