基于STEAM教育的小學無人機校本課程的設計與實踐

摘? 要：廣州市何香凝紀念學校于2020年開展無人機課程實驗。通過對祝智庭、余勝泉、劉清堂、余紅等教授的相關論文、講座資料的深入學習，對多個STEAM教育案例分析，設計了小學無人機校本課程。在課程實踐中，為了適應疫情防控和響應“雙減”政策的要求，培養(yǎng)學生自主探究的學習習慣，把胡小勇教授的“六把金鑰匙”翻轉教學模式融入5E教學模式，形成“f5E教學模式”。通過無人機課程的設計、實踐、交流，發(fā)展學生核心素養(yǎng)，培養(yǎng)全面發(fā)展的人。

關鍵詞：無人機;STEAM;STEM;5E教學模式;校本課程

中圖分類號：V279;G434? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）19-0174-06

Design and Practice of UAV School-based Course in Primary School Based on STEAM Education

RUAN Enrong

（Guangzhou He Xiangning Memorial School， Guangzhou? 510388， China）

Abstract： Guangzhou He Xiangning Memorial School carried out UAV course experiment in 2020. Through the in-depth study of relevant papers and lecture materials of professors Zhu zhiting， Yu Shengquan， Liu Qingtang and Yu Hong， analyzes several STEAM education cases， designs the school-based course of UAV in primary school. In the course practice， in order to meet the requirements of epidemic prevention and control and response to the “double reduction” policy， and cultivate students learning habits of independent inquiry， Professor Hu Xiaoyongs “six Golden Keys” flipped teaching mode is integrated into the 5E teaching mode to form the “f5E teaching mode”. Through the design， practice and communication of UAV course， students core literacy is developed and people with all-round development are cultivated.

Keywords： UAV; STEAM;? STEM; 5E teaching mode; school-based course

0? 引? 言

自國務院發(fā)布《中國制造2025》以來，智能機器人、無人機等應用技術開始受到廣泛的關注[1]。從基礎教育到高等教育領域，融合了智能機器人、無人機的教學活動廣泛開展[2，3]。我校于2020年開展無人機課程實驗。我們在知網(wǎng)查詢相關的論文，以“無人機”和“STEAM”為關鍵字的研究論文有7篇。不過根據(jù)搜索到的相關資料顯示，作者都是高等院?；蚵氈谢蜓芯吭旱慕處?，論文的闡述比較深層次，設置的課程不適合小學生。在小學中能將STEAM（Science、Technology、Engineering、Art、Mathematics）元素結合，特別是加強技術素養(yǎng)和工程素養(yǎng)培養(yǎng)的無人機課程設計尚未開發(fā)。因此我們希望能通過理論學習和行動研究，探索出一套可行的教學理論及方法。通過對祝智庭、余勝泉、劉清堂、余紅等教授的相關論文、講座資料的深入的學習，對多所學校的STEAM教育案例歸類分析，我們形成了本校的教學模式：f5E教學模式，提升STEAM課堂的教學效率與效果。希望通過無人機理論普及、實踐、設計開發(fā)、對外交流等形式，進行國防教育和愛國主義教育，發(fā)展學生核心素養(yǎng)，培養(yǎng)全面發(fā)展的人。

1? STEAM教育的內涵

STEM是科學（ Science）、技術（ Technology）、工程（ Engineering） 和數(shù)學（ Mathematics）四門學科的簡稱，強調多學科的交叉融合。STEM教育并不是科學、技術、工程和數(shù)學教育的簡單疊加，而是要將四門學科內容組合形成有機整體，以更好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神與實踐能力[4]。

也有人提出 STEAM 的概念，強調在STEM中加入“Art”學科。這個“A”狹義上指美術、音樂等，廣義上則包括美術、音樂、社會、語言等人文藝術，實際代表了 STEM 強調的藝術與人文屬性[4]。佛羅里達大學研究認為，在STEM教育中增加藝術教育更有助于學生能力的發(fā)展，尤其是在創(chuàng)造變革能力、批判性思維和問題解決能力、交流合作能力、靈活適應能力、社交和跨文化能力等方面[5]。STEAM教育主要培養(yǎng)四種能力：適應未來的能力、問題解決的能力、自主創(chuàng)新能力和深度學習的能力[6]。

2? 課程構建

2.1? 課程目標

《中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)》以培養(yǎng)“全面發(fā)展的人”為核心，分為文化基礎、自主發(fā)展、社會參與3個方面，綜合表現(xiàn)為人文底蘊、科學精神、學會學習、健康生活、責任擔當、實踐創(chuàng)新六大素養(yǎng)[7]。我校基于STEAM教育的理念，制定了相應的課程目標[8]。

2.1.1? 促進知識整合

通過項目學習，了解無人機飛行原理、無人駕駛技術、無線電圖形傳輸技術、藍牙收發(fā)原理、傳感器的工作原理、3D打印機的工作原理、檢測空氣質量的方法等一系列知識原理，通過觀察、閱讀、探究學習方式，融合相關知識，并在一系列活動中掌握學習的方法。

2.1.2? 學會使用工具

通過項目學習，學會使用蘿卜圈虛擬仿真軟件、FPV眼鏡、遙控無人機、編程無人機、3D打印機、Mind+等編程軟件、Audino等軟硬件工具。

2.1.3? 發(fā)展創(chuàng)新思維

發(fā)展創(chuàng)新思維需要多種知識融會貫通，需要大量的實踐，還需要科學精神，學會思考質疑批判，更需要從微創(chuàng)新到創(chuàng)新積累的過程。而課程在各個方面都構建有效的途徑、空間讓學生發(fā)展高階思維的深度學習，從知識的表面到內涵深入發(fā)展，從而有效培養(yǎng)創(chuàng)新思維的形成發(fā)展。

2.1.4? 培育心理品質

通過STEAM課程的學習，培養(yǎng)學生愛國主義精神、正確的價值觀、人生觀，以及熱愛學習、勇敢、友善、謙虛、自律、協(xié)作等優(yōu)秀的品格，成為生活健康、有責任擔當?shù)娜恕?/p>

2.2? 學習方式

STEAM教育課程的學習方式有多種，如項目學習法、創(chuàng)客教育、體驗教育，把開發(fā)、實踐、技術、創(chuàng)新等融合在一起。而STEAM教學活動的核心是項目學習。設計課程遵循的特點有：真實情景、學習項目、階段成果、小組合作、成果分享。

2.3? 主題選擇

在選擇課程主題時，首先針對不同年齡層的學生，設計具有針對性的課程，如適合中低年級的《多旋翼無人機飛行原理》，在認識各種各樣無人機同時，還可以使用模擬飛行軟件練習駕駛，使用虛擬仿真軟件設計飛機，充分激發(fā)學生學習興趣。

其次是通過漸進式的學習，讓學生能夠在每個階段都學習掌握不同的技能或進階的技能。如中低年級學習遙控無人機，中高年級學習編程無人機、興趣社團學習航拍無人機、單片機學習。

另外，要選擇與各學科核心內容密切相關的內容，如《基于單片機的無人機空氣質量監(jiān)測與分析》，融合多學科內容。雖然從主題看難度較高，但它的任務是生活中實際存在的，是可以分解的、是可行的，它的研究結果具有開放性，非常適合學生進行項目式學習。

2.4? 系列課程

無人機校本課程具體設置，如表1所示。

3? 教學案例

3.1? 教學項目

案例：基于單片機的無人機空氣質量監(jiān)測與分析

年級：五、六年級

項目：制作空氣質量PM2.5監(jiān)測器、無人機載重飛行、收集數(shù)據(jù)、分析空氣質量PM2.5情況

3.2? 教學目標

3.2.1? 認知目標

了解空氣質量相關知識、主控板及傳感器工作原理、藍牙收發(fā)原理。

3.2.2? 技能目標

深究空氣質量測量技術、編程技術、無人機載重技術，制作基于單片機的無人機空氣質量監(jiān)測裝置，使用折線統(tǒng)計圖、統(tǒng)計表分析空氣質量情況。

3.2.3? 情感目標

體會自主探究、動手實踐的價值，養(yǎng)成嚴謹?shù)膶嶒灧治瞿芰涂茖W探究能力。學會溝通分享、增強環(huán)境意識，培養(yǎng)以學會的知識反饋社會的優(yōu)良品德。

3.3? f5E教學模式

5E教學模式是一種基于建構主義的探究式教學模式。該模式由美國的生物學課程研究會（Biological Sciences Curriculum Study， BSCS）在 Atkin-Karplus 學習環(huán)的基礎上提出，包含參與（Engage）、探究（Explore）、解釋（Explan）、遷移（Elaborate）和評價（Evaluate）五個環(huán)節(jié)[9]。

為了適應疫情防控的要求和響應“雙減”政策的號召，做好減量提質增效工作，充分發(fā)揮智慧教育的作用。我校嘗試把胡小勇教授的“六把金鑰匙”翻轉教學模式包含的“課程平臺、導學問題、學習任務單、微視頻、小組合作、學習評價”六個要素[10]，融入5E教學模式。翻轉課堂，英譯Flipped Classroom，故將此模式命名為“f5E教學模式”，如圖1所示。

3.4? 教學策略

3.4.1? 建立課程平臺實施翻轉課堂

使用UMU互動平臺作為課程平臺，學生可以通過學習微視頻等資料更方便地進行自主探究，對學習內容進行閱讀思考[11]。先學后教，以學定教，能更有效實施f5E教學模式。

3.4.2? 學生自主探究教師引導幫助

從建構主義理論看，f5E教學模式以創(chuàng)設問題情境、激發(fā)認知沖突為引入，以學生自主探究，教師指導和幫助為核心，圍繞著新概念的建構而開展的一系列活動，體現(xiàn)了以學生活動為中心，強調學生自主構建的探究理念[6]。

3.4.3? 創(chuàng)設問題情境新舊概念轉變

從概念轉變理論看，當學習者在新的問題情境中發(fā)現(xiàn)自己擁有的概念難以解釋當前現(xiàn)象，也難以解決目前的問題，就會對自己已有的概念（前概念）有不滿的情緒，從而激發(fā)頭腦內部矛盾沖突，這種不滿促使個體主動去探究概念的正確解釋，從而形成新舊概念的轉變[6]。

3.4.4? 探究貫徹全程評價貫穿始終

在f5E教學模式中，探究和評價貫穿于教學的整個過程，充分培養(yǎng)學生自主探究的學習習慣和方式，而評價則是有效引導學生健康發(fā)展的依據(jù)，使學生在正確的學習道路上前進。

3.4.5? 設計導學問題發(fā)揮提問效用

學生的學習是否更有效、高效離不開導學問題設計的合理性、目標性、嚴謹性和可解決性。不合適的問題往往會錯誤引導學習方向，浪費寶貴的學習時間。

3.4.6? 設置小組活動甄選協(xié)作方式

社會建構主義者非常強調個體之間交互作用同個體獨自活動相比的優(yōu)越性。將個體加入到社會交互活動中后，會產(chǎn)生適應社會活動的更高個體發(fā)展狀態(tài)[6]。知識不僅是在個體與物理環(huán)境的相互作用中建構的，社會性的相互作用更加重要，人的高級心理機能的發(fā)展是社會性相互作用內化的結果[6]。因此，學生在小組學習會得到更大的發(fā)展，而活動也會在小組協(xié)作中得到更好的成果。不同的學習內容應該采用相應的協(xié)作方式才會更有效。

3.5? 教學過程

3.5.1? Engagement：創(chuàng)設情境激發(fā)興趣

本環(huán)節(jié)的作用是課程的引入，激發(fā)學生的興趣，吸引學生的注意力，初次體驗情境。 教師課前通過UMU互動平臺問卷調查了解學生對空氣質量、可吸入顆粒物（PM10）、細顆粒物（PM2.5）的概念的認識以及PM2.5我國標準、國際標準等的掌握情況。通過學生反饋的數(shù)據(jù)分析已掌握概念與即將學習形成的概念之間存在的差異及其形成差異的原因。然后設置導學問題，如“空氣污染只源于肉眼可見的大顆粒物嗎？”，讓學生閱讀UMU平臺上預設的與大氣質量相關知識。學生完成閱讀后在UMU討論區(qū)發(fā)表自己的見解。教師通過微視頻等手段創(chuàng)設情景，讓學生明白“直徑小于等于 2.5微米的顆粒物的濃度也會對空氣質量產(chǎn)生重大影響”，這個結論與學生已知的“空氣污染只源于肉眼可見的大顆粒物”概念產(chǎn)生認知沖突，由此激發(fā)學生的好奇心，產(chǎn)生探究的意愿。

教師指導學生繼續(xù)研究問題“為什么要監(jiān)測PM2.5？有沒有相關標準？怎樣監(jiān)測？”，學生圍繞這個主題進行討論，組長負責把組員們的主要觀點寫在討論區(qū)。教師進行巡視，觀察指導每個小組討論的情況。小組結束討論后教師組織全班交流，每個小組請1～2名學生發(fā)言，向全班學生介紹本組觀點。在學生充分討論的基礎上，教師相繼解鎖UMU平臺上的一些資料，學生了解PM2.5生成來源和指數(shù)標準、危害影響。讓學生知道我國的PM2.5與國際的差距，充分認識到監(jiān)測PM2.5的重要性，進一步提高環(huán)境意識。引導學生提出制作PM2.5監(jiān)測器，老師播放制作PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)的教學微視頻，激發(fā)學生對工程設計的興趣。

3.5.2? Exploration：探索實踐提出問題

本環(huán)節(jié)教師是課堂活動的主導，在平臺上設置一系列導學問題。學生是學習的主體，通過平臺自主探究、小組討論交流、動手實踐等活動完成教師布置的任務，并提出本次任務相關的問題。教師巡堂進行個性化的指導，指導思考的方向。

活動伊始，教師提出根據(jù)制作PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)的微視頻設計方案，提示學生把要準備的材料和做哪些工作列出來。學生可能列不全，也可能不合理，這都沒有關系，重在培養(yǎng)學生的計劃意識，不合理的地方會在接下來的探索活動中修改。

活動1：學生通過觀看微視頻，學會使用電腦的Mind+軟件，打開擴展，選擇主控板，然后小組討論眾多傳感器里面應該選哪個？本活動目的不只是學會閱讀分析，根據(jù)功能找到監(jiān)測PM2.5的傳感器，還要讓學生知道還有很多不同功能的傳感器，以后可以運用更多的傳感器功能去解決生活中的問題。

活動2：是連接主控板、擴展板、傳感器、電池和顯示屏。教師提示熟讀說明書和示意圖。各個小組討論接法，最后確定接法。教師出示Linkboy圖形化編程系統(tǒng)，教學使用方法，讓學生在虛擬的環(huán)境下驗證接法是否正確。最后教師公布答案，并分析原因。學生動手操作實物，直至熟練掌握。

活動3：學生碰到最難掌握的編程。教師根據(jù)學習金字塔學習理論，讓學生自主探究、動手實踐、展示講解、教授別人，使學生的學習效果更明顯。首先引導學生思考：怎樣讓主控板和傳感器工作？使用什么軟件？學生在老師的引導下明白是編程，使用Mind+圖形化編程、Arduino語句等軟件均有優(yōu)缺點，采取圖形化和語句結合，更靈活。在教師的指導下，完成監(jiān)測的語句和讀取顯示的語句。學生在讀懂程序的基礎上為每一句編程語句添加注釋，并在自己的筆記本畫出編程流程圖幫助理解。教師請學生在UMU的AI作業(yè)上展示并講解自己的程序。之后已經(jīng)學會的學生主動教還沒懂的同學。學生運行監(jiān)測器檢測是否有數(shù)據(jù)顯示，從而驗證程序正確性。最后，教師安排在操場監(jiān)測PM2.5濃度。

活動4：教師收集全體同學的監(jiān)測數(shù)據(jù)并展示，請學生根據(jù)數(shù)據(jù)提出問題。有學生發(fā)現(xiàn)監(jiān)測的PM2.5數(shù)據(jù)有些不同，紛紛產(chǎn)生疑問。教師引導學生提問，PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理是什么？高空中的PM2.5濃度會是多少？

3.5.3? Explanation：辨析問題解釋原理

本環(huán)節(jié)會對之前提出的問題進行辨析并解釋原理，形成新的概念。學生在教師的引導下對問題進行小組探究、辯論，展示小組研究的結果，形成初步的解釋。教師接著通過微視頻的演示，對PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理進行補充解釋時，整合多學科的知識。然后，引導學生思考應該如何監(jiān)測高空中的PM2.5濃度。學生思考討論：PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)用什么作為載體？要監(jiān)測的高度是多少？經(jīng)過學生討論，載體最好是能夠移動的，能達到一定的高度的載體只能是飛行器了，最好是能遙控的，所以就是無人機。接著學生動手操作，尋找能夠搭載主控板和傳感器的無人機，把手頭上的比賽用的FPV無人機、編程無人機、大疆a(chǎn)ir2進行了吊礦泉水測試，最后確定要使用動力較大的大疆a(chǎn)ir2。

3.5.4? Elaboration：遷移應用引發(fā)思考

本環(huán)節(jié)學生會對新概念和新知識進行遷移運用，拓展提高，獲得更多的信息和技能。

活動1：教師預設問題：怎樣固定主控板和傳感器以及電池盒？采取怎樣的措施，避免螺旋槳打到電線、綁繩？學生通過動手操作，進行嘗試，用了多種線繩去固定都失敗，老師及時引導，為什么會松？能不能鎖定？提示百度搜索。學生通過搜索找到自鎖式尼龍扎帶。

活動2：扎帶不能阻擋無人機自檢高度的鏡頭，有沒有其他的扎法？這個活動也非常重要，否則無人機將不能起飛。學生通過不同角度、不同方法多次實踐，最終找到最佳方案。

活動3：放飛與自動監(jiān)測分析。學生遙控無人機飛上10米空中，監(jiān)測完后降落，顯示屏上顯示讀數(shù)。對于一次只測量一個數(shù)據(jù)，而且高度都是10米，學生已經(jīng)不耐煩了，教師馬上問學生有什么想法。學生躍躍欲試想測量不同高度，而且想飛行一次測量多個數(shù)值。

活動4：教師提示，無人機10米的高度是用測量到的氣壓轉換成高度的，其他的高度也是一樣設置，只要增加程序塊就可以了。學生打開程序源代碼尋找相關的語句作出修改。但試飛后發(fā)現(xiàn)只得到最后一個數(shù)據(jù)。小組思考討論，得出的結論是顯示屏數(shù)據(jù)不斷刷新的結果。

活動5：由于涉及較高的難度，在網(wǎng)絡上查找不到相關解決方案有學生氣餒了。教師及時鼓舞激勵學生不要怕失敗，并建議電話請教專業(yè)的技術開發(fā)工程師。工程師提出取消顯示屏顯示改用手機讀取數(shù)據(jù)。并建議在監(jiān)測系統(tǒng)增加藍牙模塊，使用藍牙技術讀取測量的數(shù)據(jù)，并教授了如何修改現(xiàn)有的程序。教師布置小組競賽，看哪個小組首先完成改良后的系統(tǒng)。

活動6：初步完成后，就進行測試，成功后正式投入使用，研究PM2.5濃度的變化情況。教師布置學生調查學校同一地點同一時段PM2.5濃度情況，分10次進行，每次監(jiān)測檢測10米、20米、30米、40米，4個數(shù)據(jù)，形成曲線圖，并寫出校園PM2.5濃度的變化情況。學生經(jīng)過多次調試調整，得出測試數(shù)據(jù)，制作出折線統(tǒng)計圖，并撰寫實驗報告，如圖1所示。

3.5.5? Evaluation：設問總結與評價反饋

本環(huán)節(jié)教師通過提出開放性的問題來評價學生對新知識或方法的認識和應用情況。問題（1）：如何增加要測量的高度？問題（2）：監(jiān)測系統(tǒng)的連線太多，如何設計一個合適美觀的盒子收納裝置？問題（3）：使用藍牙接收和使用顯示屏顯示，差別在哪里？

評價是貫穿于教學的整個過程的，包括過程性評價、總結性評價、發(fā)展性評價、學習分析、自評互評和教師評價。由于使用了UMU互動平臺，大量的多元化的評價數(shù)據(jù)都能即時生成。學生在評價中認識了自我能力，認識了他人的水平，認識了團隊合作的重要性，認識了學習方法，認識了自然規(guī)律。

4? STEAM分析

本案例聚焦于現(xiàn)實世界中的問題即基于單片機的無人機空氣質量監(jiān)測與分析，以工程設計PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)過程為導向，將學生的自主探究和動手實踐融合，以有效的小組活動作為支撐，充分應用所學的各科知識，實驗結果多元化、也允許失敗，符合STEM課程的六大特征。

案例實驗過程中，探究得出的空氣質量相關知識原理、主控板及傳感器工作原理、藍牙收發(fā)原理屬于科學（S）;空氣質量測量技術、編程技術屬于技術（T）;制作基于單片機的無人機空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)屬于工程（E）;制作監(jiān)測系統(tǒng)盒子屬于藝術（A）;使用統(tǒng)計圖、統(tǒng)計表分析、速度和高度計算屬于數(shù)學（M）。這個STEM項目案例中，凸現(xiàn)科學權重100分，工程和技術約80分，數(shù)學和藝術60分。說明比較強調了科學性，其次是工程和技術，數(shù)學和藝術性方面略有欠缺。使用雷達圖分析如圖2所示。

5? 結? 論

我校根據(jù)STEAM教育理念的內涵，在無人機教學實踐中將STEAM元素結合，并加強了技術素養(yǎng)和工程素養(yǎng)培養(yǎng)，設計出基于STEAM教育的小學無人機校本課程。通過理論學習和行動研究，探索出“f5E教學模式”及教學方法。在國防教育和愛國主義教育，發(fā)展學生核心素養(yǎng)，培養(yǎng)全面發(fā)展的人等方面取得良好的效果。今后將繼續(xù)加強技術素養(yǎng)和工程素養(yǎng)的培養(yǎng)，關注工程產(chǎn)品的一體化設計思路，設計出融合度更高的無人機STEAM課程。

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作者簡介：阮恩榮（1977—），男，漢族，廣東臺山人，中小學一級教師，理學學士，研究方向：教育技術。