STEAM的计算教育：使用电子纺织品整合艺术和STEM

凯莉佩皮尔，印第安纳大学布卢明顿

摘要

将电子纺织品等新型跨学科技术纳入计算教育可以扩大参与，尤其是妇女的参与，并改善学习成果。

介绍

美国大学计算机和信息科学课程持续不平衡的性别构成。例如2009年只有18％的工程学院本科生是女性。这表明计算机教育中的性别差距仍然固定不变。然而，尽管多项国家举措使参与科学，技术，工程和数学（STEM）领域多样化，但计算机教育的基础文化仍然相对滞后，其课程继续强调历史上与男性利益更接近的领域，而非女性如机器人技术，计算机编程和物理学。

幸运的是，当代计算充斥着新的工具和材料，这些都激发了我们与技术交互方式的转变。过去五年来在国际上引起轰动的一个例子是电子纺织品：包括嵌入式计算机和其他电子产品的织物制品。这种计算类型不是将重点放在焊接和拆焊等实践上，而是涉及缝纫，绗缝，钩编，针织和传统上一直是裁缝，针织者和工匠领域的其他技术。也许由于这些关系，女性占这个新兴的非正式社区的绝大多数（65％）。

我们在印第安纳大学努力扩大STEM在青年社区的参与，将电子纺织品作为计算教育的替代方法。最近的调查结果表明，采用这种新颖的跨学科技术可以扩大参与，特别是女性参与。这种STEAM（STEM 艺术）动力方法也改善了学习成果，因此产生了超越性别计算问题的分歧。

什么是E-TEXTILES？

近年来，电子纺织品的高调公共展示范围不断扩大，从超级碗XLV的半场演出中的服装到Lady Gaga的“Living Dress”到带有嵌入式扬声器的Old Navy5s连帽衫。在这些例子的每一个中，纺织服装都注入了电子产品，以产生独特的美学效果。

在电子纺织品生产的最前沿，新的导电材料，包括由铜，银或其他高导电纤维编织而成的线，纱线，涂料和织物，正在取代绝缘电线和焊接，从而形成新的可穿戴计算形式。尽管为电子纺织品生产的电子元件看起来可能与机器人技术中使用的电子元件截然不同，但他们拥有大部分相同的基础设施。

几位设计师已经开发出了适合在计算教育领域采用的新手工具包，其中包括LilyPad Arduino这些工具包已经被用于在一系列教育应用中培养物理计算的各个方面，包括校内，校外和高等教育环境。

例如，全球数千人使用2007年商业发布的LilyPad Arduino来构建交互式服装，雕塑和其他基于纺织品的交互式文物。到目前为止，已经销售了超过100,000个LilyPad部件，并且大量数据正用于教育环境.3该工具包由一组可缝制的电子部件组成，包括一个微控制器;各种传感器，开关，灯光和扬声器;和一个导电线轴。如图1所示，用户使用螺纹将模块缝到布上，从而在模块之间提供物理连接和电气连接。

LilyPad微控制器可以使用开源Arduino平台或基于Scratch.6的基于可视块的语言Modkit 5来编程。Modkit使设计人员能够以图形方式配置LilyPad Arduino并创建包含基本计算概念的程序。

E-TEXTILE设计

尽管电子，材料科学和计算机程序设计在机器人结构方面有着共同之处，但它们的外观是次要的 - 如果考虑到它们 - 执行任务的能力，电子纺织制品主要被认为是具有增强功能的美学产品。这对于电子纺织品设计具有重大影响，它更强调艺术表现力和创造力，而不是使它成为现实。

创意编码

作为物理和数字媒体交叉点任何项目的支柱，计算机编程对于电子纺织品设计是至关重要的。然而，电子纺织品设计师不太关心编码效率 - 尽可能少的代码行数达到特定的艺术效果。例如，当观察者被编程为轻微闪烁而不是快速闪烁时，LED在织物中缝制的感觉如何诱导？

对材料科学的艺术设想

当电子纺织品设计师创作新作品时，他们必须对使用数字媒体的材料进行有根据的猜测。一般来说，电子纺织品的新手不完全了解物理物体的能量传递能力，难以区分绝缘材料的导电性。设计人员通常必须设想现有材料的新用途，例如玻璃珠以隔离导电线，连帽衫上的拉链用作电路中的开关，或用作电容器的导电织物片，或转向新的诸如导电纱线，涂料或线的材料。对于世俗材料的新用途或了解不熟悉材料的物理性质可能需要大量的试验和错误。新手设计师忘记了厚厚的金属导电线的材料特性，并将其用于装饰性拼缝。

创新电子

创建电子纺织品需要对电子产品有深入的了解，但即使是简单的电路也会对新设计师构成挑战。平衡可由3V电池点亮的LED数量，考虑欧姆定律，以及串联和并联布线部件都是考虑因素，即使是最基本的电子纺织品结构也是如此。新材料还为电子设计提供了独特的可能性 ，例如，可以使用导电线的自然电阻代替市场上可买到的电位器：线越长，电路中的电阻越大，线越短，线越短电路中的电阻。电子纺织品设计方面的许多创新来自于创造传统电子元件的纺织品类似物：从磁铁和导电线的软扬声器，导电珠的开关等等。

通过电子纺织扩大计算机教育

创造性解决问题，灵活思考以及整合电子纺织品设计的风险是STEAM支持教育的理想副产品，旨在平衡技术专长与艺术视野。通过特别向年轻女孩和女性提出申诉，电子纺织品为扩大计算机参与度提供了一个引人注目的媒介。

电子纺织品不仅是扩大参与计算的有效工具，而且还可以提高STEM学科内容的透明度。

电子纺织品参与多样化的能力首先由Leah Buechley和Benjamin Mako Hill 2记录，他发现虽然男性创造了大多数在Vimeo，YouTube，Flickr和其他网站（85％）上发布的传统Arduino项目，但女性创造了大部分LilyPad Arduino项目（65％）。这种比较令人惊讶的是，这两种类型的项目共享同一个微处理器，并且使用相同的语言进行编程。研究人员建议，性别差异可能是由于所使用的工具和材料（绝缘电线与导电线之间进行元件间连接），施工实践（焊接与缝纫）以及产品性质（机器人与交互式被子）。

为了理解改变这些因素是否能够以类似的方式显着改变课堂文化，我们在中学环境中实施了一系列电子纺织实验，我们密切观察性别动态如何发挥。从对混合性别对中受试者的录像观察，我们发现男孩和女孩同样参与电子纺织活动，这体现在肢体语言，凝视，任务交谈和其他指标上，但女孩倾向于扮演更大的领导作用。这些项目在81％的时间内位于女孩面前;女孩们也花费了58％的时间指导活动，排除故障，并决定下一步措施，并且只有39％的老师和同事要求帮助。我们发现，这种早期领导能力预示着在随后的项目中拥有更加复杂的技术指挥，需要更少的故障排除和其他帮助。

综合起来，这些研究表明电子纺织品可以影响野外和课堂的计算文化。我们将这归因于电子纺织品设计和建造的蒸汽本质：工具，材料，实践和产品被女孩“编码”，鼓励他们通过吸引他们的创造性兴趣来参与计算。

影响学习成果

电子纺织品不仅是扩大参与计算的有效工具，而且还可以提高STEM学科内容的透明度.8例如，电子纺织品特别适合探索电路9。

对电路的了解通常通过电路图来评估.10学生的任务是使用用于创建电路的材料进行图示 - 在大多数情况下，包括9 V电池，小灯泡和接线，然后指示电流方向。因为我们使用电子纺织品，所以我们创建了包含可缝合LED，电池座和开关的新评估，但发现即使是具有构建简单电路的先前经验的学生也无法将这种理解转化为新材料。

然而，在用电子纺织材料创建简单的计算电路后，我们在一项试点研究中发现，学生显着提高了他们对关键电路概念的理解.9例如，配对样本t检验表明他们绘制工作图的能力（平均值= 0.78，标准偏差= 0.43）比预评估（平均值= 0.11，标准偏差= 0.32）要高得多。 t（ 6）= 4.76，p lt;.001（双尾）。此外，学生显着提高了他们对电流（p lt;.05），电路极性或方向性（p lt;.05）和连接性（p lt;.05）的认识、包含。

在计算机教育中引起女孩子和男孩的共鸣，我和我的同事花费了相当多的时间来开发这些项目的原型。在我们的电子纺织品研讨会上，我们发现青年倾向于两大类项目：电子时装和电子木偶。其他人致力于设计一种STEAM方法来进行电子纺织品设计，开发了围绕体育，超级英雄服装设计和剧场的主题，以强调工作表现的可能性。

全球电子纺织品社区的主要在线枢纽LilyPond展示了吸引年轻人的电子纺织品应用范围。世界各地的年轻设计师将他们项目的图像发布到网站，并简要介绍他们的过程和他们使用的代码。用户从别人的想法中汲取灵感，并经常扩展或定制他人的想法。这些项目为正式和非正式场合创建，是青年如何将电子纺织品融入其个人，文化和数字身份的集体示例。

汽车计算教育原理

从我们使用电子纺织品的经验中，我们制定了一系列STEAM驱动计算教育的指导原则。

选择开放式，个人和美学工具和材料

STEAM供电的工具和材料允许开放式探索，高度的个人表达以及美学上引人注目的可能性。例如，以LilyPad Arduino为例，新手和专家都可以制作诸如布料竖琴，交互式舞蹈服装，简易电路被子或太阳能背包等项目。 Mitchel Resnick和Brian Silverman描述了一些工具和材料，这些工具和材料可以让各种各样的项目具有“宽阔的墙壁”，12使个人和文化上有意义的工作能够出现。

但是，与物理材料而不是数字材料一起工作也存在固有的紧张局势。大多数情况下，年轻学生可以轻松访问互联网上的数字内容，如图像，声音，歌曲，视频和其他内容以进行设计。相反，主持人必须事先为项目获得物理材料，这对设计空间有着根本性的影响 - 面料或T恤颜色的选择可能会产生变化或挑战现有的文化规范。让学生参与这些决定是解决这个问题的一种方法。

使设计思维成为中心

设计思维为艺术和STEM，特别是工程学提供了共同基础，并将学习者定位于创作过程中，而不是被动地接受材料.13在整个设计过程中将想法外化并在其上创建两个条件这对于学习来说是理想的。首先，用文字或通过神器解释一个想法，需要将该想法重新组织成不同的格式。其次，创建一个想法的实体表达并反思该设计为形成反馈创造了机会。在理解为什么设计未能反映原创意图以及需要做出什么样的改变来实现他们的目标时，学生可以提炼他们对被建模概念的理解。

STEAM供电的工具和材料允许开放式探索，高度的个人表达以及美观的可能性。

创建STEM和艺术的真实组合

设计STEAM活动的固有挑战是他们必须真正地参与STEM领域和艺术领域的参与者。这可以采取多种形式，但包括学习物理学，工程学，材料科学以及视觉和表演艺术，手工艺和媒体。有了电子纺织品，这可能意味着要求学生在电路设计的背景下理解欧姆定律以及各种拼接技术，以便在技术和美学上选择最合适的一种。虽然基于STEAM的方法可能需要为从业人员提供更多的前期基础工作，但学生可以在多个内容领域获得专业知识，并在传统学科界限内思考技能。

便于进入但具有挑战性的设计

在倡导基于STEAM的教育方面，Resnick和Silverman曾提出“低层次”（强调容易进入复杂学科）和“高天花板”（使用户可以深入研究项目）.12最初，只有那些工程，计算机科学和纺织品设计的高级学位创建了电子纺织品。但是，更广泛的受众可以使用的工具和材料正在涌现。例如，一些电子纺织工具包可让用户将电路组合在一起，以促进对电子纺织品计算元素的了解，同时限制理解制作或美学设计的需求。此外，诸如LilyPad Arduino和Modkit Micro等新工具降低了自助设计师甚至幼儿参与的障碍。

参考文献

[1] J. Margolis和A. Fisher，解锁俱乐部：计算机中的妇女，麻省理工学院出版社，2003年。

[2] L.Buechley和B.M. Hill，4，LilyPad in the Wild：硬件的长尾是如何支持新的工程和设计社区的，Proc。第八届ACM会议。设计互动系统（DIS 10），ACM，2010，第199-207页。

[3] L.Buechley等编着的“Mess响s; Dfsp沉溺于电子纺织与教育世界，Peter Lang出版社，2013年。

[4] G. Ngai等人，“Designing i * CATch：A Multipurpose，Education-Friendly Construction Kit for Physical and Wearable Computing，ACM Trans.Computer Education，vol.13，no.2,2013; doi：10.1145 / 2483710.2483712。

[5] E. Baafi和A. Millner，MModkit：用于修补有形和连接社区的工具包，M Proc。第五届Inti Conf。有形，嵌入式和体验式交互（TEI 11），ACM，2011年，第349-352页。

[6] M. Resnick等人，“Scratch：Programming for All”，Comm。 ACM，vol。 52，没有。 2009年11月11日，第60-67页。

[7] K. A. Peppier，“媒体艺术：数字时代的艺术教育”，师范学院录音，第一卷。 112，没有。 8,2011，第2118-2153页。

[8] Y. Kafai和K. Peppier，^用电子纺织品重新思考关键制造中的透明度出现在M. Boler和M. Ratto编，DIY公民身份，麻省理工学院出版社，2013年。

[9] K. Peppier和D. Glosson，“拼接电路：通过电子纺织材料了解电路”，J.科学与教育技术，2012年11月; DOI：10.1007 / sl0956-012-9

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STEAM-PoweredComputingEducation:Using E-Textiles to Integrate the Arts and STEM

Kylie Peppier, Indiana University Bloomington

Summary

Incorporating novel, cross-disciplinary technologies such as e-textiles in computing education can broaden participation, particularly by women, and improve learning outcomes.

Introduce

The persistently lopsided gender makeup of computer and information science programs in US universities and colleges—only 18 percent of engineering school undergraduates in 2009 were women, for instance—suggests that the gender gap in computing education is still obstinately wide. Yet, despite several national initiatives to diversify participation in science, technology, engineering, and mathematics (STEM) fields, the underlying culture of computing education remains relatively stagnant, with a curriculum that continues to emphasize areas historically aligned more closely with male interests than womens, such as robotics, computer programming, and physics.1

Fortunately, contemporary computing is rife with new tools and materials that are spurring shifts in the ways we interact with technology. One example that has gained international prominence over the past five years is electronic textiles: fabric artifacts that include embedded computers and other electronics. Instead of focusing on practices such as soldering and desoldering, this computing genre involves sewing, quilting, crocheting, knitting, and other techniques that have traditionally been the domain of seamstresses, knitters, and crafters. Perhaps because of these ties, women make up a resounding majority (65 percent) of this burgeoning informal community.2

Our efforts at Indiana University to broaden STEM participation in youth communities leverage e-textiles as an alternative approach to computing education. Recent findings indicate that introducing such novel, cross- disciplinary technologies can broaden participation, particularly by women. This STEAM (STEM arts)-powered approach also improves learning outcomes and thus has ramifications that extend beyond the issue of gender in computing.3

WHAT ARE E-TEXTILES?

High-profile public displays of e-textiles have increased in recent years, ranging from the costumes in Super Bowl XLVrsquo;s halftime show to Lady Gagarsquo;s “Living Dress” to Old Navy5s hoodies with embedded speakers. In each of these examples, textile garments are infused with electronics to produce unique aesthetic effects.

At the forefront of e-textiles production, new conductive materials—including thread, yarn, paint, and fabrics woven from copper, silver, or other highly conductive fibers—are replacing insulated wire and soldering to engender new forms of wearable computing. Although the electronic components produced for e-textiles might look radically different than those used in robotics, they share much of the same foundational infrastructure.

Several designers have developed novicefriendly toolkits suitable for adoption in computing education, including LilyPad Arduino (http://lilypadarduino.org), i*CATch,4 fabrikit (www.fabrick.it), and Aniomagic (www.aniomagic.com). These toolkits have been deployed to cultivate various aspects of physical computing in a range of educational applications, including in-school, out-of-school, and higher education environments.

For example, thousands of people around the world use LilyPad Arduino, released commercially in 2007, to build interactive garments, sculptures, and other textile-based interactive artifacts. More than 100,000 LilyPad pieces have been sold to date, and large numbers are being used in educational settings.3 The toolkit consists of a set of sewable electronic parts, including a microcontroller; an assortment of sensors, switches, lights, and speakers; and a spool of conductive thread. As Figure 1 shows, users sew modules onto cloth with the thread, which provides both the physical and electrical connections between the pieces.

The LilyPad microcontroller can be programmed using either the open source Arduino platform (www.arduino.ee) or a visual blocks-based language called Modkit,5 based on Scratch.6 Modkit enables designers to graphically configure LilyPad Arduino and to create programs that include basic computational concepts.

E-TEXTILE DESIGN

Despite sharing common roots in electronics, material science, and computer programming with robotic constructions, whose appearance is secondary—if considered at all——to their ability to execute a task, e-textile artifacts are conceived primarily as aesthetic products with enhanced capabilities. This has nontrivial ramifications for e-textile design, which places a greater emphasis on artistic expression and creativity than on umaking it work.,gt;

Creative coding

As a backbone to any project at the intersection of physical and digital media, computer programming is essential to e-textile design.7 However, the e-textile designer is less concerned with coding efficiency—having as few lines of code as possible—than with achieving a particular artistic effect. For example, what feelings do LEDs sewn into a fabric induce in a viewer when they are programmed to glimmer softly as opposed to blink rapidly?

Artistic envisioning of material science

When e-textile designers create new works, they must make educated guesses about what material to use with digital media. In general, novices to e-textiles do not fully understand the energy-transfer capabilities of physical objects and have difficulty distinguishing conductive from insulating materials. Designers often have to envision novel uses for existing materials—for example, glass beads to insulate the conductive thread, a zipper on a hoodie to act as a switch in the circuit, or a patch of conductive fabric as a capacitor —or turn to new materials such as conductive yarn, paint, or thread. Coming up with new uses for mundane

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