中學(xué)Arduino創(chuàng)客課堂環(huán)境新生態(tài)探微

張冬冬 蔣曉敏

摘 要：為解決以開源硬件Arduino為載體的創(chuàng)客課堂施教過程中出現(xiàn)的一系列問題，文章采用行動法和文獻(xiàn)研究法，從硬件管理混亂、使用效率低、教師專業(yè)素養(yǎng)對接不準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)空間支持下自主學(xué)習(xí)欠缺、課堂教授方式固化、課堂評價方式單一等問題出發(fā)，探討了構(gòu)建Arduino創(chuàng)客課堂環(huán)境新生態(tài)，為中學(xué)Arduino創(chuàng)客教育的普及與發(fā)展積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，使創(chuàng)客教育在課堂教學(xué)中得到可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：Arduino;創(chuàng)客;課堂環(huán)境新生態(tài)

中圖分類號：G434 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B ? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2020）12-0039-05

課堂環(huán)境新生態(tài)是指在教學(xué)中，與教學(xué)活動有關(guān)的自然環(huán)境、社會文化環(huán)境、人際關(guān)系環(huán)境、心理環(huán)境等相互作用產(chǎn)生的生態(tài)關(guān)系，形成一個有機(jī)整體。在課堂環(huán)境新生態(tài)中，只有參與者、教學(xué)設(shè)施、課程載體、課程內(nèi)容、學(xué)習(xí)方式等因素達(dá)到教育生態(tài)平衡，才能有效促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的完成和教育理念的普及與延續(xù)。

一、Arduino開源硬件的創(chuàng)客課堂環(huán)境建設(shè)

1.硬件準(zhǔn)備與分類

我校在信息技術(shù)創(chuàng)客課堂中使用的是定制的“Arduino開源硬件創(chuàng)客教育套裝”，這個套裝的硬件配備比較齊全，其中包括擴(kuò)展板、Arduino Nano3.0、Dh11溫濕度傳感器模塊、震動模塊、光敏電阻模塊、蜂鳴器、聲音傳感模塊、130馬達(dá)、RGB模塊等傳感模塊和相應(yīng)配件（見圖1）。套件中配件和模塊的數(shù)量較多，在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)的功能也比較分散，如果以整套配件應(yīng)用到課堂教學(xué)中會影響課堂管理，而且當(dāng)前中山市中學(xué)生接觸Arduino開源硬件的比較少，學(xué)生對設(shè)備不了解，可能損壞、丟失設(shè)備，對新事物的興趣會造成學(xué)生可能不會按照課堂管理的程序進(jìn)行學(xué)習(xí)等因素，從而影響教學(xué)的正常開展[1]。

為了解決創(chuàng)客套件準(zhǔn)備的問題，需把所有創(chuàng)客套件進(jìn)行分類整合：第一類，以小組順序編排的套件盒子，里面是根據(jù)近期課程的進(jìn)度放置好對應(yīng)的模塊。第二類，以模塊種類進(jìn)行分類，以模塊名稱為標(biāo)簽，重新裝盒。這樣就方便后期模塊的補(bǔ)充和配件的更換。創(chuàng)客套件的分類整合不僅滿足了創(chuàng)客課堂的需要，也為創(chuàng)客設(shè)備的管理找到了捷徑（見圖2）。

2.軟件介紹與應(yīng)用

Arduino是通過模塊，像溫濕度、人體紅外、超聲波等傳感器來感知世界的，而通過LCD、LED、舵機(jī)等裝置的反應(yīng)來影響外部環(huán)境。這些感知和反饋都要通過Arduino程序語言控制這些模塊之間功能的協(xié)調(diào)來實(shí)現(xiàn)，之后把設(shè)計(jì)好的程序燒錄到Nano控制板，所以程序是硬件的靈魂，它決定了硬件以何種方式工作。

Arduino IDE是開源硬件Arduino的編程軟件，可以用它編寫程序，其語言基礎(chǔ)是C/C++，不用太多單片機(jī)的知識。但對于沒有接觸過C/C++的學(xué)生來說，還有一款圖像化編程軟件名為Mixly，是由北京師范大學(xué)教育學(xué)部創(chuàng)客教育實(shí)驗(yàn)室的師生共同開發(fā)的，它是基于圖形化的語言，通過各種圖形的搭建實(shí)現(xiàn)程序的編寫，為學(xué)生的程序編寫帶來了很大的便利，又能培養(yǎng)學(xué)生的編程思維，實(shí)現(xiàn)了人人都能寫程序，程序人人都能懂的目的。目前該軟件支持大部分Arduino的硬件型號。

在創(chuàng)客課堂的普及上，我們選擇用Mixly軟件編寫程序，窗口中用圖形編寫程序的同時還自動生成Arduino代碼，可以對照著圖形學(xué)習(xí)Arduino程序，界面如圖3所示。

3.創(chuàng)客課堂的設(shè)施設(shè)備

信息技術(shù)創(chuàng)客課堂要配備的設(shè)施設(shè)備，除了電腦桌椅、網(wǎng)絡(luò)多媒體計(jì)算機(jī)、投影儀、功放音響、電子教鞭、課堂管理軟件等之外，還要根據(jù)創(chuàng)客理念、創(chuàng)客課堂的特點(diǎn)等因素，對課堂的設(shè)施設(shè)備進(jìn)行科學(xué)合理的需求評估，對影響課堂管理效果的設(shè)施設(shè)備進(jìn)行增加或調(diào)整，對新加入的設(shè)備深入研究，使其功能在創(chuàng)客課堂教學(xué)中發(fā)揮到極致，具體設(shè)施如表1所示。

開源硬件創(chuàng)客課堂部分增加設(shè)施設(shè)備介紹以及在創(chuàng)客課堂管理中的功能體現(xiàn)具體如下：

（1）創(chuàng)客配套工具

創(chuàng)客課堂中所用到的輔助類工具，主要分為機(jī)械類、儀表類和粘合類，常用的有螺絲刀、小鉗子、扳子、尺子、電路測量儀器、熱熔槍、卡紙等工具。這些工具的應(yīng)用可以增加課堂創(chuàng)作的效率。

（2）課堂直播教學(xué)設(shè)備

能進(jìn)行視頻直播的設(shè)備很多，效果和功能也不盡相同。在課堂教學(xué)實(shí)踐中，我們應(yīng)用了一款移動直播設(shè)備——微軟的“無線顯示視頻適配器V2”（如圖4所示），該設(shè)備不但體積小巧，而且只有HDMI和USB兩個接口，HDMI實(shí)現(xiàn)同屏屏幕的視頻接入，USB口進(jìn)行供電，它使用的是Wi-Fi無線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)屏幕與屏幕之間的傳輸，因此不受某些應(yīng)用的限制。這個設(shè)備可以接到投影儀、一體機(jī)、電視機(jī)、顯示器等用來演示的大屏幕上，要同屏的設(shè)備可以是筆記本電腦、平板電腦或者是智能手機(jī)。

在創(chuàng)客課堂上使用的是智能手機(jī)或者平板電腦，連接同屏設(shè)備和移動端同屏，用移動端的攝像頭進(jìn)行創(chuàng)客課堂直播，利用可移動設(shè)備靈活方便的特點(diǎn)，進(jìn)行教師Arduino技術(shù)操作的直播、學(xué)生創(chuàng)客過程精彩瞬間的直播、學(xué)生操作不規(guī)范的直播、學(xué)生創(chuàng)客作品的分享直播等。直播的應(yīng)用為Arduino創(chuàng)客課堂管理增色不少。

（3）自動課堂錄制系統(tǒng)

根據(jù)本校創(chuàng)客課堂設(shè)備的配備需求，在原有信息技術(shù)課堂中加裝了 “4K教學(xué)錄播系統(tǒng)”，這套系統(tǒng)是由1個教師攝像機(jī)、1個雙目學(xué)生攝像機(jī)、1臺錄播主機(jī)、1個教師主控端、2個拾音器和配套軟件構(gòu)成，能實(shí)現(xiàn)教師全景、教師特寫、學(xué)生特寫、教室全景、電腦畫面的錄制，而且這些鏡頭能自動跟蹤，按照課堂角色執(zhí)行任務(wù)的先后進(jìn)行鏡頭的切換，最終自動合成課堂活動的整個過程。

該系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)課堂錄制的特點(diǎn)是，全程不用輔助人員進(jìn)行協(xié)助，既避免了前期的錄像，也省去了后期的編輯，授課教師通過主控端的一鍵錄制按鈕就可開啟錄制，不僅能滿足創(chuàng)客課堂教師進(jìn)行常態(tài)性課堂視頻錄制，而且平時的課堂管理也培養(yǎng)了在場的學(xué)生、提高了自己的教授能力，同時也為以后要進(jìn)行創(chuàng)客課堂教學(xué)的教師提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，為創(chuàng)客課堂管理模式的推廣打下了基礎(chǔ)，如圖5所示。

4.小組劃分與座位編排

開源硬件的創(chuàng)客課堂是以微項(xiàng)目式的教學(xué)貫穿整個教學(xué)過程，學(xué)生的座位編排以小組為單位，本校的電腦桌和黑板是垂直式排列的，按照這種排列方式對學(xué)生進(jìn)行編組入座，每組以3人為限，根據(jù)“同組異質(zhì)、異組同質(zhì)”的原則，安排男女生間隔一條龍座位表，每排座位結(jié)束處不足3人的獨(dú)立成小組，正常以每小組中間座位的組員為小組長，負(fù)責(zé)創(chuàng)客套件的收發(fā)等管理工作。

小組成員分工根據(jù)成員的特長自主選定，在Moodle平臺中填寫“創(chuàng)客課堂項(xiàng)目小組任務(wù)方案”，任務(wù)明確后，不得隨意更改個人任務(wù)。小組的分組方法是在Excel中進(jìn)行的，拿到班級名單后按性別排序，添加一個輔助列，在輔助列中分別對“男”“女”性別進(jìn)行奇數(shù)和偶數(shù)填充，如1、3、5……和2、4、6……再按輔助列進(jìn)行升序排列，這樣就實(shí)現(xiàn)了男女間隔，最后呈現(xiàn)給課堂中學(xué)生的為男女生間隔，且紅色標(biāo)記的為小組長，課堂座位的編排一目了然，實(shí)現(xiàn)了課堂紀(jì)律管理的以大化小，學(xué)生特點(diǎn)的相互補(bǔ)充，具體如表2、3所示。

5.創(chuàng)客課堂準(zhǔn)則

具體準(zhǔn)則如下：①按小組編排對號入座，沒有特殊原因不得調(diào)換座位。②小組組長有分配項(xiàng)目任務(wù)的權(quán)利，且要負(fù)責(zé)小組秩序和設(shè)備的分發(fā)和回收。③每位學(xué)生都要愛護(hù)課堂設(shè)施設(shè)備，故意損壞者要加價賠償，搭建Arduino套件時要在斷電狀態(tài)下進(jìn)行。④課堂中禁止任何和網(wǎng)絡(luò)游戲有關(guān)的活動。⑤離開課堂前自覺擺放好鍵盤和凳子。⑥下課前請自覺退出Moodle登錄賬號和網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證賬號。

二、教師自我能力的提升

一門新課程的開設(shè)，不僅包含著新知識、新教法、新經(jīng)驗(yàn)、新應(yīng)用、新目標(biāo)，而且還包括新理念和新管理。教師不僅僅要鉆研學(xué)習(xí)、深入實(shí)踐，更要走出去、請進(jìn)來，去創(chuàng)客示范學(xué)校多交流、多見識，請專家教師講授Arduino專業(yè)知識、課堂管理的經(jīng)驗(yàn)和常見問題，不斷開拓自己的視野，提高自己的專業(yè)素養(yǎng)。并帶動其他教師一起了解Arduino開源硬件創(chuàng)客課堂，一起研究開源硬件的專業(yè)知識，一起探討創(chuàng)客課堂管理經(jīng)驗(yàn)，逐步形成開源硬件創(chuàng)客課堂研究的“共同體”，利用集體智慧提升團(tuán)體的專業(yè)能力。

除此之外，還要進(jìn)行課外興趣班的組建和培養(yǎng)，以參加創(chuàng)新創(chuàng)客大賽為支點(diǎn)，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力為目的，以影響創(chuàng)客課堂文化為前提，讓在創(chuàng)客方面有興趣、有特長的學(xué)生得到充分發(fā)展。這樣就形成了創(chuàng)客課堂課上普及、課外突破的好局面。教師自己也在課堂管理和教學(xué)實(shí)踐中得到提升。

三、Arduino創(chuàng)客課堂環(huán)境新生態(tài)初步形成

1.教師專業(yè)素養(yǎng)要先行

在創(chuàng)客課堂管理過程中，教師是參與者、引導(dǎo)者、鼓勵者，教師的專業(yè)素養(yǎng)直接影響著課堂管理的效果。創(chuàng)客課堂把自主權(quán)交給了學(xué)生，但中學(xué)階段的學(xué)生各種行為觀念還處在形成變化的不穩(wěn)定階段，而且信息技術(shù)課程的性質(zhì)、課程內(nèi)容的興趣度、相對自由的互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境等都增加了課堂管理的難度，所以教師的專業(yè)素養(yǎng)顯得至關(guān)重要。

首先，教師要有眼界，要站在把握創(chuàng)客課堂全局的高度，引領(lǐng)課堂管理的理念、瞄準(zhǔn)課堂管理的方向、明確課堂管理的目標(biāo);其次，教師要具備專業(yè)的信息技術(shù)實(shí)戰(zhàn)能力，要對開源硬件Arduino創(chuàng)客課程有足夠的了解，才能把握好課程知識體系和重難點(diǎn)。這些重難點(diǎn)往往就是課堂學(xué)習(xí)的“十字路口”，教師的指引猶如黑夜中為學(xué)生點(diǎn)亮了一盞明燈;最后，教師要有對課堂的把控能力、生動有趣的語言親和力、隨機(jī)應(yīng)變的協(xié)調(diào)能力、科學(xué)合理的組織能力等，都能影響到課堂管理的效果。

開源硬件Arduino才剛剛走入中學(xué)課堂，要對創(chuàng)客課堂管理的教師制定專業(yè)的發(fā)展計(jì)劃，多交流、常研學(xué)、深實(shí)踐，讓教師的專業(yè)素養(yǎng)提升走在課堂管理的前面。

2.合理的項(xiàng)目式教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

開源硬件Arduino創(chuàng)客是信息技術(shù)課堂中的新課程，《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的課程結(jié)構(gòu)中第一次把“開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)”寫入了選擇性必修模塊，但是相應(yīng)配套教材還沒出版，這樣對項(xiàng)目式教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)增加了難度。我們在走訪開源硬件實(shí)驗(yàn)學(xué)校、參加開源硬件的專題培訓(xùn)、購入開源硬件Arduino創(chuàng)客套件進(jìn)行深入研究基礎(chǔ)上，根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，認(rèn)真考慮本校學(xué)生層級、教學(xué)環(huán)境等情況，研發(fā)了基于Moodle平臺的Arduino創(chuàng)客校本課程，課程開發(fā)的思路遵循程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)的一般規(guī)律，以微項(xiàng)目為主要課程內(nèi)容承載方式，注重課程知識體系之間的聯(lián)系、注重微項(xiàng)目的興趣性和完成度。例如，從創(chuàng)客的源淵說起，順序結(jié)構(gòu)—會跳舞的LED燈，選擇結(jié)果—制作一個“暗號”門鈴，循環(huán)結(jié)構(gòu)—想起美妙的曲子，認(rèn)識傳感器完成自主項(xiàng)目，開發(fā)有創(chuàng)新點(diǎn)的智能家居等課程內(nèi)容設(shè)計(jì)。

3.期待更好用的Arduino電子硬件的誕生

在本校的課堂實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)Arduino開源硬件還存在以下一些不足之處：

首先，拿在手中的擴(kuò)展板和各種模塊都是裸露的電路，開課初期出現(xiàn)了大量擴(kuò)展板微處理器被燒壞的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)可能是操作不當(dāng)、短路、電子設(shè)備質(zhì)量問題、電路板設(shè)計(jì)缺陷（沒有電路保護(hù)開關(guān)）等問題，后來在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)大多是因?yàn)閹щ姴灏文K造成的。

其次，Arduino開源硬件的引腳插線問題，數(shù)字和模擬引腳分別由G（底線）、V（電壓）、S（控制）三根針構(gòu)成，而且之間距離很小，這樣就給插線帶來了難度，在考驗(yàn)學(xué)生耐力的同時也浪費(fèi)了時間。如果設(shè)計(jì)成熱插拔的標(biāo)準(zhǔn)接口，就可以把連線的精力放到創(chuàng)意和程序設(shè)計(jì)方面，這種更人性化的電路板設(shè)計(jì)相信很快就會有。

4.培養(yǎng)良好的課堂秩序

課堂秩序也是影響課堂管理效果的重要因素，課堂是學(xué)生和教師的雙邊活動，好的課堂秩序能為教師的課堂發(fā)揮提供有力的條件，也能培養(yǎng)學(xué)生自律的習(xí)慣。課堂紀(jì)律、學(xué)生合理的座位編排、師生積極的課堂交流、生生深入的協(xié)助分享等，都是影響課堂秩序的因素。

夸美紐斯在《創(chuàng)建紀(jì)律嚴(yán)明的學(xué)校的準(zhǔn)則》一文中提到：準(zhǔn)則制定出來不是供人欣賞，而是要被切實(shí)地執(zhí)行才能起到作用。[2]影響課堂紀(jì)律的因素很多，但課堂紀(jì)律準(zhǔn)則的嚴(yán)格執(zhí)行能最有效地維持課堂紀(jì)律。根據(jù)男生易動、實(shí)踐操作能力強(qiáng)和女生易靜、思維縝密的特點(diǎn)，把男女生隔開編排座位，并分小組且指定小組長，小組長負(fù)責(zé)本組Arduino開源硬件的管理和小組組員職責(zé)的分工。鼓勵學(xué)生大膽地提出問題，創(chuàng)造和諧的課堂氣氛。良好課堂秩序的養(yǎng)成重在遵循課堂管理準(zhǔn)則的前提下，多鼓勵、多引導(dǎo)，提高學(xué)生從“他律”到“自律”的轉(zhuǎn)變。

5.用直播的方式點(diǎn)評，增強(qiáng)課堂的互動性和趣味性

美國學(xué)者沃勒在研究教學(xué)過程中的師生關(guān)系時，強(qiáng)調(diào)師生關(guān)系是一種制度化的“支配—從屬”關(guān)系，彼此之間含有潛在的對立情感，不斷進(jìn)行著權(quán)力斗爭。[3]課堂中有趣真實(shí)的互動可以烘托課堂氣氛，拉近師生關(guān)系，提升學(xué)生的自信，改善這種潛在的對立關(guān)系。

Arduino創(chuàng)客課堂中存在很多有趣的創(chuàng)作瞬間，把這些瞬間用移動終端進(jìn)行實(shí)時直播，比如：某個小組有了新奇的模型搭建，某個學(xué)生編出了高效的程序，某個小組完成了項(xiàng)目制作，某個學(xué)生犯了嚴(yán)重的錯誤等等問題，都可以用直播的方式展現(xiàn)到課堂中，直觀、高效、生動地總結(jié)了課堂中學(xué)生作品的優(yōu)缺點(diǎn)，讓課堂的評價更靈活、更能被大家接受。

6.多元的課堂評價方式，促進(jìn)每個學(xué)生的發(fā)展

及時客觀的課堂評價，能給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來很大的幫助，對學(xué)生的創(chuàng)客課堂進(jìn)行多角度的評價，不僅有教師的評價，也讓學(xué)生參與其中。不僅有實(shí)踐作品的評價，同時也有Moodle平臺下理論知識點(diǎn)的測評，作品評價和知識性評測按照一定的比例構(gòu)成了本項(xiàng)目的評價。總結(jié)性評價也不僅僅是由學(xué)期末最后一次課堂中的項(xiàng)目評價而定，而是在課堂教學(xué)中每次項(xiàng)目評價的平均分。最終形成以教師評價、學(xué)生自評、學(xué)生互評、Moodle在線評測相互結(jié)合的評價方式。這樣在整個課堂活動中，讓學(xué)生參與到自評和互評中，充分發(fā)揮學(xué)生在課堂中的主觀能動性，在互評的過程中也培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，同時可以互動交流、增進(jìn)友情。

7.鼓勵學(xué)生用課堂作品參加科技創(chuàng)新創(chuàng)客大賽

鼓勵學(xué)生參加科技創(chuàng)新創(chuàng)客大賽，參加大賽的過程就是學(xué)生綜合素質(zhì)提升的過程，不僅有利于創(chuàng)客課堂中學(xué)生對自己的嚴(yán)格要求，課堂學(xué)習(xí)氛圍的提升，而且能讓學(xué)生和課堂產(chǎn)生更大的默契，用榜樣的力量激勵學(xué)生，產(chǎn)生學(xué)生影響學(xué)生的現(xiàn)象。獲獎的學(xué)生增加了實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，也為創(chuàng)客課堂的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)了力量。

參考文獻(xiàn)：

[1]張冬冬.Moodle平臺支持下的高中Arduino創(chuàng)客教學(xué)模式探索及實(shí)踐[J].中國教育信息化，2020（4）：39-42.

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[3]李國強(qiáng)，周月朗.關(guān)于教師權(quán)威功能的主要理論取向之審視[J].湖南人文科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2004（5）：129-132.

（編輯：李曉萍）