開(kāi)源硬件Arduino在創(chuàng)客教育課堂中的課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

盧振坤

【摘要】近年來(lái)，隨著新課程改革標(biāo)準(zhǔn)的不斷落實(shí)，創(chuàng)客教育也開(kāi)始進(jìn)入課堂，開(kāi)啟了新課程改革背景下一種新的教學(xué)模式。開(kāi)源硬件是創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)的技術(shù)基石，而Arduino作為開(kāi)源硬件是很適合在學(xué)校進(jìn)行推廣的。本文探討如何設(shè)計(jì)課程將Arduino這門重要的創(chuàng)客課程上好。

【關(guān)鍵詞】創(chuàng)客教育;Arduino;實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

一、創(chuàng)客教育

李克強(qiáng)總理在2015年政府工作報(bào)告中提到“創(chuàng)客”之后，“創(chuàng)客”越來(lái)越受到大家的關(guān)注?！皠?chuàng)客”這個(gè)名詞來(lái)源于英文詞“Maker”，是指出于興趣與愛(ài)好，努力把各種創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的人。創(chuàng)客活動(dòng)可以用比較少的成本，讓更多的人參與進(jìn)來(lái)進(jìn)行創(chuàng)造、創(chuàng)新和制作，而且能夠點(diǎn)燃大家積極創(chuàng)造創(chuàng)新的激情。而且最近最新的科技和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，也為創(chuàng)客活動(dòng)提供了很好的條件。例如3D打印、物聯(lián)網(wǎng)和Arduino等開(kāi)源硬件等技術(shù)。都讓創(chuàng)客活動(dòng)擁有了更多空間和平臺(tái)共享資源。讓大家能分享成果、創(chuàng)新實(shí)踐、構(gòu)筑夢(mèng)想。

對(duì)教育者來(lái)說(shuō)，創(chuàng)客精神與學(xué)生旺盛的求知欲和“在實(shí)踐中教學(xué)”的教育思想不謀而合。創(chuàng)客教育所涉及的知識(shí)廣泛，為了達(dá)成某個(gè)學(xué)習(xí)目標(biāo)，學(xué)生會(huì)運(yùn)用到信息技術(shù)和數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、英語(yǔ)甚至藝術(shù)等相關(guān)知識(shí)。所謂“牽一發(fā)而動(dòng)全身”，各學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用，能有效提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)，而學(xué)生也不再只是知識(shí)的被動(dòng)接受者。創(chuàng)客教育強(qiáng)調(diào)學(xué)生主動(dòng)思考、設(shè)計(jì)和制作，以實(shí)現(xiàn)基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)?；ヂ?lián)網(wǎng)對(duì)創(chuàng)客教育起到了很好的支持作用。學(xué)生一方面可以充分利用網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行創(chuàng)客學(xué)習(xí)和作品制作，一方面通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交流、分享，激發(fā)創(chuàng)造熱情，獲得創(chuàng)意啟示。創(chuàng)客教育所倡導(dǎo)的提出問(wèn)題并利用自己的創(chuàng)造力解決問(wèn)題的過(guò)程，對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)至關(guān)重要。

二、開(kāi)源硬件Arduino

開(kāi)源硬件是創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)的技術(shù)基石。開(kāi)源硬件不單單是硬件設(shè)計(jì)原理的開(kāi)放，也更多的體現(xiàn)了創(chuàng)新理念的開(kāi)放。這種理念堅(jiān)信從分享中所獲多于自身付出。當(dāng)開(kāi)發(fā)者不再受專利授權(quán)所困，越來(lái)越多地公開(kāi)分享他們的創(chuàng)新時(shí)，他們便能獲得越來(lái)越多的幫助，進(jìn)而改進(jìn)和提升自己的發(fā)明。在2014年，美國(guó)《Make》雜志統(tǒng)計(jì)過(guò)的開(kāi)源硬件等平臺(tái)就有幾十種，我們可以從功能、價(jià)格、硬件支持、等角度評(píng)價(jià)、選擇適合自己開(kāi)展創(chuàng)客教育的平臺(tái)。使用最廣泛的開(kāi)源硬件是Arduino，因其使用簡(jiǎn)便、學(xué)習(xí)資源豐富、價(jià)格低廉，是首選入門硬件。Arduino獨(dú)有的幾種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在下列方面：開(kāi)放性：Arduino的硬件和軟件環(huán)境都是完全開(kāi)源的，任何人都可以在不從事商業(yè)用途的情況下使用和修改它。開(kāi)源能讓我們可以深入了解底層運(yùn)作的全部機(jī)理，能對(duì)軟硬件更好的進(jìn)行把握，同時(shí)Arduino也預(yù)留了第三方庫(kù)開(kāi)發(fā)接口，方便使用者進(jìn)行系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。而按照開(kāi)源社區(qū)一直都有的開(kāi)放和分享性，很多創(chuàng)客愛(ài)好者也樂(lè)于把自己的硬件和軟件代碼拿出來(lái)與大家分享交流。易用性：只要您對(duì)創(chuàng)客有興趣，只需很短的時(shí)間，甚至一個(gè)小時(shí)內(nèi)就能使用Arduino連接出一個(gè)簡(jiǎn)單的電路，并能寫出第一個(gè)簡(jiǎn)單的程序而且能正常運(yùn)行。Arduino軟件的運(yùn)行界面也是非常的友好和簡(jiǎn)潔，即使初學(xué)者也能很快的找到需要的功能和工具欄。

三、課程特點(diǎn)

Arduino離不開(kāi)編程，更離不開(kāi)周圍硬件環(huán)境的支持。如果單純的以信息技術(shù)教學(xué)的角度去進(jìn)行Arduino教學(xué)，簡(jiǎn)單套用以任務(wù)式驅(qū)動(dòng)為主的教學(xué)方法。那就偏離了創(chuàng)客教育的方向，也無(wú)法貫徹創(chuàng)客教育的理念和初衷。

1.創(chuàng)客教育中Arduino只是其中一種工具。我們不能為了學(xué)習(xí)使用這個(gè)工具而學(xué)習(xí)，而是在掌握了這個(gè)工具的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，創(chuàng)造出有自己特色的作品，最后分享制作成功帶來(lái)的喜悅。相對(duì)其它課程來(lái)說(shuō)，學(xué)習(xí)目的達(dá)到了就任務(wù)完成了，而這對(duì)創(chuàng)客教育來(lái)說(shuō)還僅僅是個(gè)開(kāi)始。如何體現(xiàn)創(chuàng)新，如何給予學(xué)生創(chuàng)新的機(jī)會(huì)和分享，才是我們需要關(guān)注的。

2.學(xué)生經(jīng)過(guò)多年的課堂學(xué)習(xí)，早已習(xí)慣了任務(wù)驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)方式，往往目的達(dá)到就可以了。如何轉(zhuǎn)變學(xué)生的思維方式，將課堂知識(shí)延伸到生活中，將生活與學(xué)習(xí)中的靈感與創(chuàng)作欲望及時(shí)激發(fā)出來(lái)。這種嶄新的思維方式也有待訓(xùn)練與提高。

3.Arduino軟硬件結(jié)合的學(xué)習(xí)也增加了教師授課和學(xué)生制作與編程的難度。每一步都不能出錯(cuò)，否則試驗(yàn)失敗是肯定的。這也給老師如何掌控課堂提出了新的挑戰(zhàn)。

因此，針對(duì)上述課程特點(diǎn)，我們有必要對(duì)Arduino的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行斟酌。確保教學(xué)的可行性和有效性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，給予學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)作的機(jī)會(huì)和作品分享的平臺(tái)，達(dá)到創(chuàng)客教育的目的。

四、Arduino實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

作為主講與參與教師，筆者積極與學(xué)校教務(wù)處溝通，探討出一套符合我校特色的Arduino創(chuàng)客教育的道路。由于學(xué)時(shí)數(shù)有限，經(jīng)過(guò)反饋和調(diào)整，將Arduino教學(xué)分成幾個(gè)大塊進(jìn)行。我們可以將Arduino簡(jiǎn)單的劃分為三部分：一部分是傳感器輸入，一部分是計(jì)算與控制，最后部分是執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中后兩部分是不可劃缺的。所以，我們Arduino教學(xué)分塊的做法，就是先學(xué)習(xí)Arduino編程和一部分傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，然后用這一部分的知識(shí)進(jìn)行探究和創(chuàng)新、分享。然后第二塊教學(xué)就是另外新的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，再進(jìn)行知識(shí)的探究和創(chuàng)新、分享。教學(xué)計(jì)劃上將各零件模塊由易到難地進(jìn)行教學(xué)，而在創(chuàng)新課程上也有針對(duì)性地進(jìn)行指導(dǎo)。下面針對(duì)Arduino教學(xué)的第一大塊進(jìn)行說(shuō)明。

課程1：Arduino入門，點(diǎn)亮第一盞LED（發(fā)光二極管）燈。介紹Arduino的歷史和起源，我們將來(lái)要掌握和控制機(jī)器人，從Arduino開(kāi)始學(xué)習(xí)是最好的。認(rèn)識(shí)Arduino主板上一些必須的零件和接線插座，介紹LED的管腳和接線、面包板和飛線的使用。圖形化編程界面米思齊軟件的基本認(rèn)識(shí)。完成零件連接、圖形化編程和程序的寫入。最后讓LED 一閃一閃達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

課程2：模擬消防車出警時(shí)的聲光提示。新增知識(shí)點(diǎn)：Arduino中蜂鳴器的使用。讓學(xué)生更直觀的感受Arduino所擁有的豐富外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過(guò)聲、光等提示增強(qiáng)學(xué)生的感官體驗(yàn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。蜂鳴器的接線相比LED要簡(jiǎn)單些，但程序方面必須提醒聲音是如何發(fā)出的，是Arduino通過(guò)有規(guī)律的高低電壓輸出控制峰鳴器中發(fā)聲部件的振動(dòng)頻率造成的，我們可以通過(guò)修改程序里的頻率來(lái)更改蜂鳴器的音調(diào)。還有控制發(fā)聲的時(shí)間。

課程3：模擬遙控定時(shí)炸彈的倒計(jì)時(shí)。在聲、光提示知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，增加按鍵對(duì)Arduino的控制與使用。硬件電路方面學(xué)習(xí)按鍵的接法，講解為什么按鍵必須使用下拉（或上拉）電阻，以此來(lái)消除外界干擾可能帶來(lái)的誤觸發(fā)。

課程4：如何將這些所學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)？生活中哪些方面是需要聲光提示或者可以用按鍵來(lái)控制？同學(xué)們探討進(jìn)行可行性分析，然后用所學(xué)的知識(shí)和零件在Arduino板上創(chuàng)作出來(lái)。

五、組織形式設(shè)計(jì)

以上的實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容需要合適的組織形式，才能確保教學(xué)順利和有效地進(jìn)行。學(xué)校提倡小班教學(xué)，班級(jí)人數(shù)一般在40人以內(nèi)。因而，在教學(xué)過(guò)程中，也為了加強(qiáng)學(xué)生的互動(dòng)性，實(shí)驗(yàn)課程采取了以下的組織形式。

1.針對(duì)學(xué)生可能懼怕編程的特點(diǎn)，適當(dāng)降低對(duì)程序編寫的要求。使用圖形化編程軟件米思齊。對(duì)一些關(guān)鍵程序我們公開(kāi)源代碼，和對(duì)程序進(jìn)行必要的講解。讓學(xué)生覺(jué)得編程其實(shí)并不是件非常困難的事情。提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，和保持學(xué)生旺盛的求知欲。

2.充分考慮學(xué)生的差異性，進(jìn)行分組合作，2個(gè)學(xué)生為一組使用一套設(shè)備。培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。在小組內(nèi)進(jìn)行合理分工，表?yè)P(yáng)和鼓勵(lì)部分編程基礎(chǔ)好和學(xué)有余力的學(xué)生在完成基本學(xué)習(xí)和制作的基礎(chǔ)上，自主進(jìn)行創(chuàng)意改進(jìn)，并和與同桌進(jìn)行分享。

3.按要求通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。每小組填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，對(duì)實(shí)驗(yàn)體會(huì)進(jìn)行總結(jié)，包括創(chuàng)作時(shí)遇到的困難、最想得到什么樣的幫助。本制作可以運(yùn)用在什么地方、作品進(jìn)一步改進(jìn)等等。

六、教學(xué)效果及反饋

通過(guò)實(shí)際授課和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)使用以上的實(shí)驗(yàn)課程和組織形式，可以很好地完成教學(xué)內(nèi)容、達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。具體表現(xiàn)在：1.大部分小組都能完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和提交試驗(yàn)報(bào)告。由于已經(jīng)針對(duì)課程和學(xué)生的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，難度適中，也保證了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果和質(zhì)量。同時(shí)學(xué)生的創(chuàng)意想法還是挺多的;2.學(xué)生對(duì)Arduino的學(xué)習(xí)興趣沒(méi)有降低。Arduino的課程不同于其他課程，它不僅有著豐富的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也有按程序設(shè)計(jì)出來(lái)的聰明大腦。能給予學(xué)生強(qiáng)烈的感官刺激和廣闊的想象空間;3.創(chuàng)客教育的精神能從課程教學(xué)中反饋出來(lái)，學(xué)生的創(chuàng)意想法是越來(lái)越多。即使一個(gè)簡(jiǎn)單的點(diǎn)燈程序，都能被學(xué)生聯(lián)想起許多的事物。在后面的聲光報(bào)警中，每一小組都有不同音調(diào)的聲音提示。甚至燈光如何閃爍才更漂亮也成了學(xué)生討論的話題之-;4.課后已有學(xué)生愿意將自己的創(chuàng)意想法制作出來(lái)給大家分享和參加學(xué)校甚至市、區(qū)級(jí)別的創(chuàng)客比賽。

七、結(jié)語(yǔ)

創(chuàng)客教育中Arduino的學(xué)習(xí)是一門重要的課程。這門課程不但能提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力、也能提供學(xué)生自我提升的機(jī)會(huì)。在學(xué)時(shí)數(shù)較少、學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)相對(duì)薄弱的情況下，如何針對(duì)學(xué)生的特點(diǎn)合理地安排Arduino教學(xué)和有效地進(jìn)行組織課堂教學(xué)，也是一項(xiàng)重要任務(wù)。在接下來(lái)的教學(xué)中，在提升實(shí)驗(yàn)趣味性和可操作性的基礎(chǔ)上，合理安排教學(xué)內(nèi)容，從而提高教學(xué)的質(zhì)量和效果，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維。

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