淺談基于STEM理念的Arduino教學(xué)實(shí)施策略

王曉媛

摘要：信息技術(shù)教師在項(xiàng)目驅(qū)動的Arduino教學(xué)中，融入STEM教育理念，能培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力。本文首先對STEM教育和Arduino教學(xué)進(jìn)行了簡單介紹，然后結(jié)合作者的教學(xué)實(shí)踐和思考提出了基于STEM理念的Arduino教學(xué)實(shí)施策略，最后羅列了在實(shí)際教學(xué)中還可以進(jìn)一步完善之處。

關(guān)鍵詞：STEM；Arduino；教學(xué)實(shí)施策略

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2018）15/16-0135-05

當(dāng)今科技發(fā)展日新月異，創(chuàng)客文化席卷全球，中學(xué)信息技術(shù)教育也緊跟時代發(fā)展潮流，新一輪課程改革倡導(dǎo)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、計算思維和實(shí)踐能力。傳統(tǒng)的教學(xué)科目一直存在著較為嚴(yán)重的“知識本位或技術(shù)本位傾向”，而現(xiàn)在所提倡的STEM教育，尤其是基于STEM理念的Arduino教學(xué)能夠培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、實(shí)踐動手能力和設(shè)計創(chuàng)造能力，這恰恰是當(dāng)前學(xué)校教育有待加強(qiáng)的部分。

STEM教育與Arduino教學(xué)

Arduino是一款開源軟硬件平臺，具有操作簡單、價格低廉、可拓展性強(qiáng)等特點(diǎn)。其教學(xué)旨在以Arduino控制板、傳感器和各種執(zhí)行器等硬件為載體，在創(chuàng)客空間的平臺下，融合STEM教育理念，培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力、想象力、創(chuàng)造力以及解決問題的能力。Mixly（米思齊）是一款為Arduino測控板編程的軟件，其編程界面與Scratch編程軟件、App Inventor軟件等有相似之處，其所具有的“能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、開發(fā)過程簡單、組件模塊豐富、支持即時調(diào)試”的特點(diǎn)，使得這款軟件可以適用于初中信息技術(shù)拓展類課程課堂教學(xué)。

Arduino的課程目標(biāo)定位為培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用各種知識和技能，來解決各領(lǐng)域、各方面、各類型實(shí)際問題的能力。STEM教育理念則提供了重新審視傳感器等硬件使用方法教學(xué)和程序設(shè)計教學(xué)的視角。把STEM理念融入Arduino教學(xué)，強(qiáng)調(diào)將過程和方法置于復(fù)合的真實(shí)問題情境中，倡導(dǎo)將各個領(lǐng)域的知識通過綜合的Arduino課程結(jié)合起來，加強(qiáng)學(xué)科間的相互融合，發(fā)揮綜合育人功能，讓學(xué)生在真實(shí)情境下學(xué)習(xí)，在項(xiàng)目活動中應(yīng)用多學(xué)科知識和技能解決問題或進(jìn)行“創(chuàng)意智造”，從而有助于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

基于STEM理念的Arduino教學(xué)實(shí)施策略

Arduino教學(xué)總體來說是教師引導(dǎo)學(xué)生在面向真實(shí)問題解決的項(xiàng)目探究學(xué)習(xí)（Problem Based Learning and Project Based Learning）過程中，綜合運(yùn)用各學(xué)科知識、相關(guān)技術(shù)、工程設(shè)計思想和科學(xué)研究方法來進(jìn)行問題解決、創(chuàng)新設(shè)計與個性化制造，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生STEM素養(yǎng)、創(chuàng)新意識、計算思維和實(shí)踐能力的目的。在Arduino教學(xué)實(shí)施過程中，要以STEM理念為指導(dǎo)，巧妙運(yùn)用各種策略來促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成和促進(jìn)學(xué)生的綜合發(fā)展。

1.問題引導(dǎo)或項(xiàng)目驅(qū)動

教師在進(jìn)行課堂教學(xué)時，應(yīng)圍繞學(xué)生熟悉的問題開展教學(xué)。引導(dǎo)學(xué)生在完成具體項(xiàng)目的過程中學(xué)得知識、習(xí)得技能、發(fā)展思維或提高能力。不論是信息技術(shù)拓展課還是學(xué)生社團(tuán)活動，以項(xiàng)目的方式開展教學(xué)，問題情境的生活化能夠使得知識與學(xué)生已有認(rèn)知的距離感減弱，學(xué)生能夠置身于真實(shí)的生活情境中學(xué)習(xí)知識、解決問題、設(shè)計智造。

在Arduino教學(xué)入門課上，教師可以引導(dǎo)學(xué)生完成“交通信號燈制作”項(xiàng)目。此項(xiàng)目涉及到物理學(xué)中LED的特點(diǎn)及使用方法、程序設(shè)計中最基本的順序結(jié)構(gòu)程序設(shè)計、對Arduino UNO板數(shù)字輸出端口進(jìn)行高低電平設(shè)置和延時時間控制方法（如圖1）。這些知識屬于物理學(xué)和信息技術(shù)學(xué)科中較為基礎(chǔ)的知識，完成這一項(xiàng)目既能使學(xué)生獲得成就感，也能促使學(xué)生掌握最基本的硬件知識和編程技巧。

在實(shí)際教學(xué)中，應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生做生活中的有心人，發(fā)現(xiàn)生活中的問題，尋找項(xiàng)目創(chuàng)作靈感。例如，結(jié)合學(xué)校消防演習(xí)活動，可以完成“火災(zāi)報警器”的制作。此項(xiàng)目用到的硬件為火焰?zhèn)鞲衅骱头澍Q器，涉及到程序設(shè)計中的選擇結(jié)構(gòu)（分支結(jié)構(gòu)），用到了Mixly軟件中的模擬輸入和串口監(jiān)視器的使用（如圖2）。這一項(xiàng)目主題來源于實(shí)際生活，并服務(wù)于生活，是一個很有意義的練習(xí)項(xiàng)目。

2.協(xié)同教學(xué)和協(xié)作學(xué)習(xí)

STEM理念倡導(dǎo)跨學(xué)科融合，現(xiàn)實(shí)問題的解決也常常要用到多個不同領(lǐng)域的知識，但學(xué)校開設(shè)Arduino課程的教師一般是信息技術(shù)教師。信息技術(shù)教師雖然具有程序設(shè)計和軟件使用方面的專業(yè)知識，但對物理、音樂等其他學(xué)科的知識并不精通。因此，在實(shí)際教學(xué)中，如果需要向?qū)W生傳授其他學(xué)科的專業(yè)知識，可邀請相關(guān)學(xué)科任課教師來給學(xué)生講授，這就是所謂的“協(xié)同教學(xué)”。不同的學(xué)生有自己所擅長的學(xué)科，Arduino課上的任務(wù)基本都是由小組協(xié)作完成的，教師在分組時應(yīng)盡量做到使各學(xué)習(xí)小組“組內(nèi)異質(zhì)、組間同質(zhì)”，一起研究，協(xié)作完成每個項(xiàng)目。

例如，“創(chuàng)意門鈴”（按下門鈴按鈕可以播放“兩只老虎”音樂）項(xiàng)目制作時雖然用到的電子元器件只有蜂鳴器和按鈕，但涉及到音樂（樂譜、音調(diào)、節(jié)拍）、物理（聲音的傳播、振動頻率與音調(diào)的關(guān)系）、信息技術(shù)（數(shù)組、函數(shù)的定義與調(diào)用）等多學(xué)科知識。在引導(dǎo)學(xué)生完成這一項(xiàng)目時，教師可邀請音樂教師等來給學(xué)生講授專業(yè)知識，也可以讓學(xué)生以完成課前任務(wù)的形式，以小組為單位主動去請教相關(guān)學(xué)科教師（如圖3）。

有時看似很簡單的一個項(xiàng)目，也要用到多門學(xué)科的知識。例如，“自動變速風(fēng)扇”項(xiàng)目要求風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速根據(jù)人與其距離的變化而發(fā)生改變，這個項(xiàng)目用到了物理學(xué)中的摩擦力和紅外測距原理，也用到了數(shù)學(xué)中的映射，并且整個項(xiàng)目的難點(diǎn)在于映射的運(yùn)用（如圖4）。

3.實(shí)踐應(yīng)用與創(chuàng)意智造

總體來說，Arduino課程教學(xué)的開展就是基于問題解決，服務(wù)于實(shí)際生活。所以在教學(xué)實(shí)施時要注重實(shí)踐應(yīng)用，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)意智造。通過研究性學(xué)習(xí)活動，給學(xué)生體驗(yàn)知識、運(yùn)用技能、設(shè)計作品、拓展思維、收獲能力的樂趣，傳遞反復(fù)迭代、精益求精的設(shè)計態(tài)度，讓學(xué)生愛上設(shè)計，愛上創(chuàng)造，愛上生活。

日常生活中，部分商店門口掛著迎賓娃娃，當(dāng)顧客進(jìn)入時就會說“歡迎光臨”。我們可以利用可調(diào)紅外傳感器開關(guān)設(shè)計一款個性化簡易迎賓儀（如圖5），當(dāng)設(shè)備檢測到有人經(jīng)過時，指示燈亮起并演奏迎賓曲。這就是一個比較基礎(chǔ)的實(shí)踐應(yīng)用，在這一項(xiàng)目基礎(chǔ)上，還可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行拓展延伸——制作一款倉庫入侵檢測裝置，當(dāng)設(shè)備檢測到有人進(jìn)入倉庫時提醒倉庫管理員及時查看倉庫監(jiān)控。

初中生對新鮮事物有較強(qiáng)的好奇心，也有著豐富的想象力和一定的創(chuàng)作欲望。例如，“空氣電子琴”是一個創(chuàng)意智造項(xiàng)目，其原理是用超聲波測距儀檢測手與傳感器之間的距離，通過數(shù)學(xué)運(yùn)算將其轉(zhuǎn)化為1～7之間的一個音符，再通過蜂鳴器發(fā)出相應(yīng)的聲音（如下頁圖6）。這一項(xiàng)目難度不算大，但很有趣味性，學(xué)生制作完成后也很有成就感。當(dāng)然，創(chuàng)意智造項(xiàng)目應(yīng)在學(xué)生學(xué)習(xí)過基礎(chǔ)硬件知識和編程技巧后，根據(jù)來源于生活的創(chuàng)作靈感，自己嘗試設(shè)計制作創(chuàng)意作品。

4.學(xué)科整合與綜合發(fā)展

近年來，各國開始重新審視全球化背景下的創(chuàng)新人才培養(yǎng)。有研究表明，將不同學(xué)科知識以割裂的方式進(jìn)行教學(xué)，是教育界的常見弊端，STEM教育從誕生開始就擔(dān)負(fù)著克服這一弊端的重要使命，并促使STEM逐步進(jìn)入教育各階段。Arduino教學(xué)應(yīng)在STEM理念指導(dǎo)下，以現(xiàn)實(shí)問題為基點(diǎn)，將多學(xué)科、多個應(yīng)用領(lǐng)域的知識和技能巧妙地融合在一起，設(shè)計好項(xiàng)目或課題來引導(dǎo)學(xué)生動腦思考、動手實(shí)踐，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生思維品質(zhì)、創(chuàng)造能力的綜合發(fā)展。

例如，冬天的晚上，睡覺前想把燈關(guān)掉，而燈的開關(guān)卻在幾米外的門口，如果能用遙控器來控制燈的開關(guān)，會變得方便很多，基于此，可以設(shè)計制作一款“遙控?zé)簟?。要想完成這一項(xiàng)目，首先要了解常用紅外遙控系統(tǒng)中發(fā)射器和接收器的基本工作原理，還要綜合運(yùn)用編程技巧（如圖7）。

5.在項(xiàng)目真實(shí)性與教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)性之間找到平衡

現(xiàn)實(shí)生活中，我們會遇到很多問題，然而，大部分真實(shí)項(xiàng)目會受到很多因素的制約，有些甚至要用科技前沿知識才能解決。而在Arduino教學(xué)實(shí)施時，教師要考慮學(xué)生的年齡特點(diǎn)、身心發(fā)展特點(diǎn)和他們已有的知識儲備，教學(xué)項(xiàng)目難度要落在學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)內(nèi)，太難或太復(fù)雜的研究項(xiàng)目不適合作為教學(xué)內(nèi)容?？茖W(xué)知識、數(shù)學(xué)知識和程序設(shè)計知識都有一定的難度階梯，學(xué)生不能跨越較大的梯度來學(xué)習(xí)這些知識，因此，在實(shí)際教學(xué)中應(yīng)在項(xiàng)目真實(shí)性和教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)性之間找到平衡。

例如，“樓道節(jié)能燈”的設(shè)計與制作（如圖8）就是一個兼顧項(xiàng)目真實(shí)性與教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)性的研究項(xiàng)目，用聲音傳感器檢測周圍環(huán)境聲音的響度，用光線傳感器檢測周圍環(huán)境的亮度，然后判斷是否響度較大且亮度較低，滿足條件時燈亮起，否則燈處于滅掉的狀態(tài)。

6.在課時有限性與探究耗時性之間找到平衡

不可否認(rèn)，“中考”這根指揮棒在初中階段具有強(qiáng)大的導(dǎo)向作用，教育行政部門、各級各類學(xué)校都很重視初中學(xué)校中考升學(xué)率。信息技術(shù)、綜合實(shí)踐等非中考學(xué)科課時量較少，而一個真實(shí)的綜合項(xiàng)目的完成往往需要花費(fèi)學(xué)生較長的時間，在Arduino教學(xué)實(shí)施中，處理好課時有限性與探究耗時性這一矛盾是很有必要的。

解決這一矛盾的途徑之一是設(shè)計復(fù)雜度適中的項(xiàng)目作為課堂練習(xí)任務(wù)。例如，“趣味抽獎轉(zhuǎn)盤”是用按鈕控制舵機(jī)隨機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度的電動抽獎器（如圖9）。這一項(xiàng)目只涉及到三個知識點(diǎn)：隨機(jī)數(shù)、舵機(jī)控制、中斷。

解決這一矛盾的另一個途徑，就是引導(dǎo)學(xué)生充分利用課內(nèi)和課外時間。例如，“打地鼠游戲”是學(xué)生熟悉并喜愛的一款小游戲，以此作為探究制作項(xiàng)目，需要花費(fèi)學(xué)生較多的時間。學(xué)生可以在課堂上完成“項(xiàng)目功能說明和解決方案的撰寫”，在課余時間小組合作完成項(xiàng)目，遇到問題時可向老師或同學(xué)求助。

Arduino教學(xué)中可以進(jìn)一步完善之處

1.硬件配備與更新問題

Arduino UNO控制板和各種傳感器等設(shè)備的購買需要花費(fèi)一定的資金，在支持開設(shè)拓展性課程的學(xué)校申請資金相對容易些，但在大部分學(xué)校申請經(jīng)費(fèi)可能會比較麻煩。教師可以通過申請課題和各種級別的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目來獲得科研經(jīng)費(fèi)。Arduino作為新生事物，發(fā)展速度非常快，各種具有新功能的傳感器相繼問世，此外，為了支持學(xué)生創(chuàng)新研究項(xiàng)目的開展，也常常需要購買新的傳感器。教師如何通過各種渠道獲得研究經(jīng)費(fèi)也是一個值得思考的問題。

2.課時問題

基于STEM理念的Arduino教學(xué)比較注重項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)過程中的問題解決和設(shè)計實(shí)現(xiàn)過程中的方法習(xí)得，這種探究性學(xué)習(xí)比較耗時，在總課時數(shù)不變的情況下，應(yīng)盡可能申請兩節(jié)課連排。教師可以開通以分享Arduino作品為主的微信公眾號，利用各種網(wǎng)絡(luò)資源，支持學(xué)生課后的拓展性學(xué)習(xí)。

3.功利主義和錦標(biāo)主義問題

Arduino課程的開展應(yīng)以促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展為目標(biāo)，應(yīng)在一定程度上具有“普適性”。各種青少年科技創(chuàng)新大賽在某種程度上促使部分拓展課異化了發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的目標(biāo)定位，部分比賽結(jié)果與中考加分相關(guān)，教師應(yīng)避免功利主義和錦標(biāo)主義在課程實(shí)施中出現(xiàn)。

小結(jié)

基于STEM理念的Arduino教學(xué)是教育改革和時代發(fā)展的產(chǎn)物，其所具有的整合性、實(shí)踐性、趣味性等切合了初中生的學(xué)習(xí)需求。通過改進(jìn)教學(xué)策略，研發(fā)教學(xué)資源，Arduino教學(xué)能夠促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。

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