基于Arduino的小學(xué)創(chuàng)客教育探索與實踐

劉文東

摘要：Arduino是一個開放源碼電子原型平臺，擁有靈活、易用的硬件和軟件，專為設(shè)計師、工藝美術(shù)人員、業(yè)余愛好者以及對開發(fā)互動裝置或互動式開發(fā)環(huán)境感興趣的人而設(shè)。Arduino可以獨立運行，也可以與計算機(jī)上運行的軟件通信。本文以“創(chuàng)意電子”課程為例，分析了在創(chuàng)客理念指導(dǎo)下的小學(xué)生創(chuàng)新課程的設(shè)計，以期能夠激發(fā)學(xué)生的積極性與參與熱情，促進(jìn)創(chuàng)新思維、編程思維的培養(yǎng)與創(chuàng)造能力的提高。

關(guān)鍵詞：Arduino； 開源硬件； 創(chuàng)客

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2017）22-0077-04

近年，技術(shù)的不斷進(jìn)步、開源軟硬件的逐漸普及，為創(chuàng)客教育走進(jìn)校園提供了良好的基礎(chǔ)條件，我們發(fā)現(xiàn)Arduino作為一款開源電子原型平臺，有著很強(qiáng)的易用性和擴(kuò)展性，該實驗平臺無需學(xué)生掌握復(fù)雜的編程語言，只需了解其函數(shù)用法即可進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用設(shè)計。這款價格低廉，風(fēng)靡于電子愛好者、設(shè)計師甚至藝術(shù)家們之間的硬件開發(fā)平臺已成為創(chuàng)客們的主要開發(fā)工具。本文以紅棉創(chuàng)客社團(tuán)的“創(chuàng)意電子”課程為例，探索在創(chuàng)客理念指導(dǎo)下的小學(xué)生創(chuàng)新課程設(shè)計。

● 創(chuàng)客教育

“創(chuàng)客”是個舶來詞，源自英文“Maker”，主要指出于個人愛好，借助各種現(xiàn)代信息技術(shù)將自己的創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實的人?，F(xiàn)在的創(chuàng)客已經(jīng)不僅僅局限于科技達(dá)人，本文所提倡的創(chuàng)客是指利用開源軟硬件技術(shù)將創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實的年輕人。這種創(chuàng)客文化進(jìn)入校園，便形成了創(chuàng)客教育。在目前的課程標(biāo)準(zhǔn)體系中，創(chuàng)客教育更多地應(yīng)用在學(xué)生社團(tuán)中，但這并不能充分展現(xiàn)其應(yīng)用價值。創(chuàng)客教育強(qiáng)調(diào)學(xué)生要主動思考，積極動手、設(shè)計，這種理念對促進(jìn)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有重要意義。此外，創(chuàng)客教育對課程設(shè)計的系統(tǒng)性和完整性也有重要作用。

● Arduino簡介

Arduino作為一款開源的電子制作平臺，具有重量輕、體積小的特點，該平臺由包括各種型號的Arduino控制板的硬件部分和包括Arduino集成開發(fā)環(huán)境和編程接口的軟件部分組成。Arduino控制板如圖1所示。

Arduino自帶的I/O接口和擴(kuò)展板能與各種傳感器、步進(jìn)電機(jī)、藍(lán)牙、舵機(jī)等相連，而且Arduino也是獨立于其他軟件溝通的平臺，如Flash、Processing、Max/Msp等。但鑒于純代碼等形式的編程軟件過于復(fù)雜，我們選擇北京師范大學(xué)創(chuàng)客實驗室的Mixly。由于是開源硬件，Arduino的很多案例代碼都能在相關(guān)技術(shù)論壇得到，初學(xué)者只要下載、學(xué)習(xí)、修改、燒錄、調(diào)試，即可得到自己的項目，這也使其很快在不同領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

● Mixly簡介

米思奇（Mixly）是由北京師范大學(xué)教育學(xué)部創(chuàng)客教育實驗室開發(fā)的面向中小學(xué)創(chuàng)客教育（創(chuàng)意電子領(lǐng)域）的開源圖形化編程軟件，它用直觀的圖形化積木塊堆疊方式代替了復(fù)雜的文本編輯，并具有入門簡單、使用方便、功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛、易于拓展的優(yōu)勢。它適用于小學(xué)編程基礎(chǔ)較弱的教學(xué)情況，又可以過渡到純代碼編程環(huán)境，具有良好的生存與拓展性。軟件的界面如圖2所示。

● “創(chuàng)意電子”課程設(shè)計

為了培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新思維，我校從2015年10月開始設(shè)置“創(chuàng)意電子”課程，并購置了相應(yīng)的Arduino開源電子套件等設(shè)備，陸續(xù)購入了3D打印機(jī)、激光切割機(jī)等其他創(chuàng)客實驗設(shè)備。為趣味電子課程的開展打下了基本的物理基礎(chǔ)。

1.基礎(chǔ)實驗項目

鑒于小學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平，配合Arduino開源硬件和Mixly開源軟件，我校教師開設(shè)了比較基礎(chǔ)的通識性基礎(chǔ)項目課程，如表1所示。用最簡單的發(fā)光二極管配合其他較基礎(chǔ)的數(shù)字傳感器就可以做出很多基礎(chǔ)的課程實驗，學(xué)生由淺入深、由易到難，逐步掌握Arduino設(shè)備的使用和常用傳感器的原理。這種積木式的組合與拼接，極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和入門難度，而傳感器拓展板的引入使學(xué)生只要簡單的操作就可以與主板鏈接，告別了復(fù)雜的接線過程，這種簡潔直觀的體驗大大提高了制作作品的效率，同時進(jìn)一步降低了Arduino入門學(xué)習(xí)的難度，大大激發(fā)了學(xué)生的求知欲望和創(chuàng)造力。

2.綜合競賽項目

進(jìn)階提高課程主要是依托各類創(chuàng)客比賽，按照大賽參賽手冊要求或者學(xué)生實際開發(fā)的綜合性較強(qiáng)的實驗項目（如表2）。競賽項目對綜合能力要求較高，因此其幾乎都是高年級的社團(tuán)成員學(xué)習(xí)的課程，包括整個創(chuàng)客作品的制作流程。前期以學(xué)生自主探究為主，包括功能設(shè)計、需求分析、所用的電子元件等相關(guān)的項目設(shè)計環(huán)節(jié)，相關(guān)概念、相關(guān)原理等資料的搜集與整理環(huán)節(jié)，項目實踐以及外部組成等。

● 開展“創(chuàng)意電子”課程所面臨的問題與思考

1.知識體系龐雜，涉及內(nèi)容廣泛

“創(chuàng)意電子”課程涉及到的知識體系龐雜，包括電子電路、藝術(shù)設(shè)計、編程思維、創(chuàng)新思維，所包含的知識體系復(fù)雜、多樣，而小學(xué)生知識儲備與相關(guān)認(rèn)知水平很難做到融會貫通，在實際的項目實踐過程中會發(fā)現(xiàn)很多“模仿”現(xiàn)象，但這也是“知其然，不知其所以然”。怎樣將復(fù)雜的知識體系簡易化、兒童化，使其通俗易懂，是我們需要思考的重要問題，我們將在接下來的實踐中，嘗試引入更多真實生活中的情境，加深學(xué)生對相關(guān)知識內(nèi)容的理解。

2.學(xué)生認(rèn)知差異大

學(xué)生認(rèn)知水平差異是公認(rèn)的事實，怎樣在這樣龐雜的知識體系和項目實踐中，照顧不同認(rèn)知水平的學(xué)生成為更大的挑戰(zhàn)。鑒于這種現(xiàn)狀，我們當(dāng)前的做法是借助網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺，將教學(xué)內(nèi)容數(shù)字化、電子化，借助網(wǎng)絡(luò)平臺構(gòu)建差異化學(xué)習(xí)環(huán)境，教師根據(jù)課程目標(biāo)設(shè)定差異化的學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生根據(jù)自身實際情況選擇相應(yīng)的學(xué)習(xí)目標(biāo)進(jìn)行自定步調(diào)的探究式學(xué)習(xí)，對于學(xué)習(xí)的結(jié)果也進(jìn)行差異化的評價。通過這種基于技術(shù)的虛擬“一對一”盡可能地關(guān)注學(xué)生的個體差異，同時還能夠極大解放教師的課堂時間，教師可以將更多的精力運用在解決核心問題上。

3.實驗設(shè)備管理與維護(hù)難度大

Arduino相關(guān)的實驗設(shè)備復(fù)雜多樣，開展小班實驗尚可應(yīng)付，如果開展大班常規(guī)教學(xué)，設(shè)備的常規(guī)管理與維護(hù)將占用相當(dāng)多的時間與精力，而且實驗設(shè)備幾乎都是無保護(hù)裸露狀態(tài)，設(shè)備本身極易損壞也容易刺傷學(xué)生手指。因此，怎樣合理有效地管理實驗設(shè)備同樣是一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，目前比較常規(guī)的做法是實行小組長負(fù)責(zé)制，小組長負(fù)責(zé)小組的設(shè)備管理與維護(hù)。

● 結(jié)語

“創(chuàng)意電子”課程是我校針對學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一個探索，創(chuàng)客教育正如火如荼，但是缺乏完整的課程體系和標(biāo)準(zhǔn)，在完善和探索的過程中，需要教師和學(xué)生共同參與，學(xué)生通過學(xué)習(xí)創(chuàng)意電子課程，搭建相應(yīng)的電子結(jié)構(gòu)，通過編程控制開源硬件Arduino來實現(xiàn)相應(yīng)的功能。我們還發(fā)現(xiàn)這種軟硬結(jié)合的方式，能夠極大激發(fā)學(xué)生的積極性與參與熱情，促進(jìn)創(chuàng)新思維、編程思維的培養(yǎng)，以及創(chuàng)造能力的提高。希望這種形式的創(chuàng)客類課程能夠為課程的深化改革奠定內(nèi)容基礎(chǔ)。

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基金項目：本文為廣東教育學(xué)會中小學(xué)信息技術(shù)教育專業(yè)委員會“十三五”規(guī)劃及年度信息技術(shù)教育課題“面向核心素養(yǎng)的小學(xué)創(chuàng)客教學(xué)資源開發(fā)與應(yīng)用研究”的研究成果。endprint