Arduino開源硬件編程在初中校本課程中的教學(xué)探索與反思

◆鐘啟芳 史玲玲 劉家坤

(武漢第三寄宿中學(xué))

2015年9月，教育部發(fā)布《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導(dǎo)意見(征求意見稿)》，第一次將創(chuàng)客教育寫進我國教育五年規(guī)劃中，在教育界掀起一片探索STEAM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式的改革浪潮。為順應(yīng)這種社會發(fā)展和教育變革的要求，發(fā)揮創(chuàng)客教育在促進基礎(chǔ)教育質(zhì)量提升、培養(yǎng)青少年動手能力和創(chuàng)新思維中的作用，筆者結(jié)合學(xué)校的實際情況，組建了學(xué)校的多學(xué)科創(chuàng)客教育教師團隊，在學(xué)校開始創(chuàng)客教育、STEAM教育的課程開發(fā)和教學(xué)實踐探索。

Arduino 是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，包含硬件(各種型號的Arduino板)和軟件(Arduino IDE)。它利用各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，并通過Arduino的編程語言來編寫程序控制燈光、馬達、聲音等各種裝置來反饋、影響環(huán)境，進而實現(xiàn)完全的智能化控制。通過筆者的實踐研究，并結(jié)合初中生的知識水平層次和身心成長特點，確定選用DR Robot公司生產(chǎn)的Arduino模塊化開源硬件設(shè)備套件和北師大開發(fā)的米思齊圖形化編程工具(Mixly For Arduino)作為學(xué)校校本課程應(yīng)用實踐的基本硬件和軟件設(shè)備。

筆者學(xué)校目前開設(shè)的校本課程有選修課和社團活動兩大模塊，均由學(xué)校教師自主開發(fā)。選修課為1學(xué)期制，每學(xué)期12課時，七八年級學(xué)生強制參加，時間固定；社團活動為1年制，每學(xué)期6課時，兩周一課時，感興趣學(xué)生自愿參加。結(jié)合Arduino開源硬件編程課程特性，筆者選擇在學(xué)校已開設(shè)的科技社團進行Arduino創(chuàng)客教育課程的實踐試驗。

經(jīng)過一定時間的籌備，筆者在自己開設(shè)的社團隨機選擇了20名自愿參加Arduino開源硬件編程學(xué)習(xí)的七年級學(xué)生進行了Arduino開源硬件創(chuàng)客教育課程教學(xué)試驗，且這些學(xué)生均有一定的電路基礎(chǔ)和焊接技能基礎(chǔ)。由于社團活動時間的開放性和靈活性，筆者將Arduino創(chuàng)客教育課程分為Arduino編程基礎(chǔ)學(xué)習(xí)和項目式學(xué)習(xí)兩個部分，并分別設(shè)計有相應(yīng)的考核評價體系。

Arduino基礎(chǔ)學(xué)習(xí)采用集中授課任務(wù)式學(xué)習(xí)，共設(shè)計六課時，每課時45分鐘，兩周一次，學(xué)生自帶筆記本電腦和DF Arduino學(xué)習(xí)套件及擴展套件，課程設(shè)計框架如表1所示，其中挑戰(zhàn)任務(wù)為學(xué)生自主選擇學(xué)習(xí)。

通過Arduino編程基礎(chǔ)學(xué)習(xí)課程的學(xué)習(xí)后，學(xué)生需要聯(lián)系實際生活進行與Arduino開源硬件相關(guān)創(chuàng)客教育類的創(chuàng)意作品設(shè)計，并有一定時間嘗試編程調(diào)試自己的作品，然后完成《學(xué)生Arduino作品考核記錄單》和現(xiàn)場作品演講交流展示，被考核學(xué)生會對自我設(shè)計的Arduino作品進行自我評價，小組成員也會對作品進行小組評價，教師最后也會對作品提出考核意見，并從所有作品中遴選一部分優(yōu)秀作品進行項目式學(xué)習(xí)，以進一步提升學(xué)生Arduino開源硬件編程的綜合運用能力和創(chuàng)新能力。

筆者所采用的項目式學(xué)習(xí)是學(xué)生自愿自主參加的綜合提高學(xué)習(xí)，學(xué)生自主選擇創(chuàng)客教育相關(guān)的課題研究項目，然后利用午休、周末等課余時間進行深入研究學(xué)習(xí)，并完成相應(yīng)的項目研究小論文或項目展示作品作為學(xué)習(xí)效果考核。

學(xué)生通過六個課時的Arduino基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)，不僅熟悉了常見Arduino的開源硬件和傳感器設(shè)備，而且也能掌握基于Mixly的Arduino編程設(shè)計基本技能，完成課程要求的基本學(xué)習(xí)任務(wù)，部分學(xué)習(xí)能力強的學(xué)生不僅完成了挑戰(zhàn)任務(wù)的學(xué)習(xí)，有的還能掌握基于Arduino IDE的代碼編程設(shè)計，同時還能遷移學(xué)習(xí)其它開源硬件控制器和傳感器。

在學(xué)期末，每位學(xué)生都完成了《學(xué)生Arduino作品考核記錄單》，詳細(xì)描述了自己的創(chuàng)意作品設(shè)計思路，然后在現(xiàn)場作品演講交流展示中，小組會對作品設(shè)計進行評價，在這種相互交流評價中，學(xué)生們向筆者反饋：都感到自己的想法被不斷完善，聽他人的創(chuàng)意作品設(shè)計，自己的創(chuàng)意想法也會越來越多，創(chuàng)新思維也在這種碰撞交流中被不斷打開，想把自己的創(chuàng)意作品“造”出來的想法也越來越強烈。而筆者認(rèn)為這些體驗不僅會激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)作興趣和熱情，而且也將為學(xué)生下一步進行創(chuàng)意制作的項目式學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

在參與了Arduino編程基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)的學(xué)生中，部分學(xué)生自愿參與了項目式學(xué)習(xí)，其中部分項目就是來自學(xué)生基礎(chǔ)課程設(shè)計的創(chuàng)意作品。學(xué)生從自主選題到設(shè)計完成一個智能控制系統(tǒng)調(diào)試，綜合能力和創(chuàng)新能力都得到了很大的提升，他們都表示這樣的完全自主學(xué)習(xí)、自主研究、自己創(chuàng)作的過程將讓他們終身受益。

通過實踐發(fā)現(xiàn)，在初中這個對學(xué)生影響關(guān)鍵的時期，嘗試進行創(chuàng)客教育和STEAM教育的課程教學(xué)實踐探索是很有意義的，尤其是后期的項目式自主學(xué)習(xí)方式，能有效地提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和探究精神，為學(xué)生將來的終身學(xué)習(xí)和探究打下堅實的基礎(chǔ)。但由于筆者受到課時限制的影響，所設(shè)計的課程并沒有涉及到基于Arduino的智能機器人設(shè)計與控制，后期在課時允許的情況下，將做進一步探索，并會繼續(xù)跟進學(xué)生的項目式自主學(xué)習(xí)。

參考文獻：

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[2]劉景福，鐘志賢.基于項目的學(xué)習(xí)(PBL)模式研究[J].外國教育研究，2002，(11).