基于PBL的高中Arduino課程教學(xué)模式實(shí)踐研究

蘇苑華

為培養(yǎng)創(chuàng)新人才，我校從三個(gè)維度開展了三門校本選修課程，其中包括了以Arduino為開發(fā)工具的電子制作基礎(chǔ)課。Arduino作為一款開源電子原型平臺(tái)，通過編程實(shí)現(xiàn)豐富多樣的交互設(shè)計(jì)，能夠極大地提升學(xué)生的技術(shù)意識(shí)、創(chuàng)新思維和物化能力。根據(jù)本校校情和高中生認(rèn)知發(fā)展理論，我們?cè)谛ｉ_展了基于PBL（Problem-Based Learning，簡(jiǎn)稱PBL，也稱作問題式學(xué)習(xí)）學(xué)習(xí)Arduino的校本選修課程。我們從學(xué)生的認(rèn)知角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了從圖形化編程到文本化編程的Arduino項(xiàng)目課程體系，帶領(lǐng)學(xué)生由淺入深地學(xué)習(xí)。

一、圖形化編程課程

圖形化編程是由Arduino編程環(huán)境的第三方軟件ArduBlock上編寫的，它是以圖形化的模塊，通過積木搭建的方式編程的，把繁雜的英文代碼簡(jiǎn)化成一個(gè)個(gè)的模塊積木，可以根據(jù)邏輯關(guān)系進(jìn)行嵌套、疊加等。

圖形化編程共設(shè)計(jì)5個(gè)課程，內(nèi)容分別為：走進(jìn)Arduino世界；智能燈；智能報(bào)警；智能欄桿；智能小車。課程設(shè)計(jì)的目標(biāo)是以智能小車為項(xiàng)目主體，通過解決真實(shí)情境的問題，學(xué)習(xí)最基本的Arduino元器件，并在此基礎(chǔ)上體驗(yàn)如何運(yùn)用邏輯關(guān)系編寫程序，實(shí)現(xiàn)不同的效果。

課程以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為依托，從燈、蜂鳴器、電機(jī)等元器件的應(yīng)用，形成多種人物交互的方式，學(xué)生能夠從老師的講解和課件中理解程序設(shè)計(jì)的邏輯關(guān)系。在圖形化編程的課程中，我們集中以讓學(xué)生掌握如何應(yīng)用模塊為主，而不是按照課件的實(shí)例一模一樣地做一遍，我們要求學(xué)生在做的時(shí)候嘗試創(chuàng)新，稍微改變一些設(shè)置，主動(dòng)探索模塊的原理。課程的步驟一般為：1. 通過視頻演示要達(dá)到的效果，激發(fā)學(xué)生興趣。2. 老師帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識(shí)新的傳感器，以及在PPT中呈現(xiàn)圖形化編程的實(shí)例，用流程圖講解其中的邏輯關(guān)系。3. 學(xué)生自己上機(jī)操作，做出與實(shí)例一樣的效果。4. 完成拓展練習(xí)。PPT的最后教師都會(huì)布置了一兩個(gè)作業(yè)，需要學(xué)生在自己摸索并理解所學(xué)程序代碼的基礎(chǔ)上，加以應(yīng)用才能實(shí)現(xiàn)的。我們一般通過視頻來呈現(xiàn)要求達(dá)到的效果，提醒學(xué)生著重關(guān)注代碼的哪個(gè)部分，降低作業(yè)的難度。目標(biāo)是讓學(xué)生懂得遇到什么問題應(yīng)該調(diào)用什么模塊，怎樣拼接，怎樣調(diào)用傳感器的功能。

二、文本化編程課程

文本化編程是用編寫代碼的方式設(shè)計(jì)程序的，它的教學(xué)相對(duì)來說就比較困難了。文本化編程用的是C語言，這是以英文為依托，加以符號(hào)、標(biāo)點(diǎn)等文字與Arduino進(jìn)行交流，需要設(shè)計(jì)者把文字一個(gè)個(gè)地碼上去，倘若少了一個(gè)標(biāo)點(diǎn)符號(hào)或者錯(cuò)了一個(gè)英文單詞，Arduino就無法正確讀取，因此為學(xué)生的掌握提高了門檻。與此同時(shí)，元器件的連接方式和引腳的位置也要注意，若圖形化編程教學(xué)沒有培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成檢查的習(xí)慣的話，容易產(chǎn)生問題，實(shí)現(xiàn)不了應(yīng)有的效果，學(xué)生很容易因?yàn)槭《脨谰趩省?/p>

因此，老師需要在圖形化編程的課程中讓學(xué)生養(yǎng)好檢查的3個(gè)習(xí)慣：遇到問題時(shí)，首先檢查在軟件上有無選擇Arduino主板；其次檢查元器件的連線是否正確；最后檢查編寫的代碼的引腳、標(biāo)點(diǎn)、大括號(hào)等有無錯(cuò)漏。第三步的檢查是最難的，軟件往往不會(huì)直接了當(dāng)?shù)仫@示錯(cuò)誤的位置，需要學(xué)生細(xì)心和耐心地檢查。

后續(xù)我們將會(huì)把Arduino與激光雕刻相結(jié)合，設(shè)計(jì)出外殼用木板拼接，核心為Arduino的機(jī)器人項(xiàng)目，讓學(xué)生動(dòng)腦又動(dòng)手。文本化編程課程目前還處于開發(fā)階段，還沒有形成一個(gè)系統(tǒng)的體系，仍需要不斷豐富和完善。

三、遇到的困難和應(yīng)對(duì)策略

在開設(shè)課程的過程中，我們遇到了不少困難。首先，開設(shè)課程之前，我們需要準(zhǔn)備上課的材料，需要購(gòu)買Arduino的元器件。由于Arduino的開源性，全部元器件的設(shè)計(jì)包括電路、材料等都是公開的，所以有很多廠商生產(chǎn)Arduino，以此來獲利，要找到物美價(jià)廉的元器件，實(shí)屬不易。我們通過綜合比對(duì)，購(gòu)買了其中一家的“初學(xué)者套件”，但是使用后發(fā)現(xiàn)有些傳感器的質(zhì)量不過關(guān)，導(dǎo)致學(xué)生在做的時(shí)候達(dá)不到應(yīng)有的效果。

其次，Arduino需要運(yùn)用高階的思維方式，如果學(xué)生對(duì)此沒有興趣的話，很難堅(jiān)持下去，因此課程開設(shè)應(yīng)以興趣為主導(dǎo)，并與機(jī)器人相結(jié)合吸引對(duì)此有興趣的學(xué)生。而且對(duì)做得好的同學(xué)及時(shí)表?yè)P(yáng)稱贊，讓學(xué)生有成就感。

再次，本課程由于是利用課余時(shí)間上課的，所以要求學(xué)生具有較強(qiáng)的自學(xué)能力和耐力。學(xué)生在從圖形化編程到文本化編程的過渡期很容易產(chǎn)生畏難情緒，容易放棄，老師應(yīng)該多觀察、多鼓勵(lì)、多啟發(fā)學(xué)生，相信與激光雕刻結(jié)合后的文本化編程更讓學(xué)生富有成就感，學(xué)生可以設(shè)計(jì)作品的外殼，也可以融入自己喜愛的交互效果，讓作品更加生動(dòng)有趣。

責(zé)任編輯 錢昭君