基于Arduino的高中創(chuàng)客教育實(shí)踐分析

摘 要：隨著“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”時(shí)代的到來，創(chuàng)客教育成了教育領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，各地校本課程如雨后春筍，探索不斷。文章以七鍵電子琴的設(shè)計(jì)與制作為例，基于Arduino的高中階段的創(chuàng)客教育進(jìn)行實(shí)踐探索，以期促進(jìn)學(xué)生信息素養(yǎng)的提升。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)客教育;Arduino;電子琴;信息素養(yǎng)

一、 引言

2016年6月，教育部印發(fā)的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》通知中明確提出，“有條件的地區(qū)要積極探索信息技術(shù)在‘眾創(chuàng)空間、跨學(xué)科學(xué)習(xí)（STEAM教育）、創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應(yīng)用”。創(chuàng)客教育作為一種有效提升學(xué)生的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的教育模式，掀起了一股全球性的教育變革浪潮。

我國祝智庭等學(xué)者認(rèn)為，創(chuàng)客教育強(qiáng)調(diào)體驗(yàn)教育中的深度參與和在實(shí)踐中學(xué)習(xí)的思想，以特定的學(xué)習(xí)任務(wù)為中心，使學(xué)生在分組協(xié)作完成任務(wù)的過程中完成學(xué)習(xí)、解決問題，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力為目標(biāo)。

創(chuàng)客教育活動中，如何聯(lián)系現(xiàn)實(shí)生活創(chuàng)設(shè)富有挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生在完成任務(wù)的過程中自主學(xué)習(xí)、小組協(xié)作，鼓勵學(xué)生分享經(jīng)驗(yàn)與成果等，對教師提出了新的挑戰(zhàn)。

二、 高中創(chuàng)客教育的課堂實(shí)踐

Arduino是一款基于軟件和硬件開發(fā)的開源電子原型平臺，指令少、編程易、擴(kuò)展性強(qiáng)，適合在高中創(chuàng)客教育活動中使用。在課堂中，筆者聯(lián)系現(xiàn)實(shí)生活中常見的樂器——電子琴，引導(dǎo)學(xué)生對電子琴的基本工作原理及其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過自主學(xué)習(xí)，小組分工收集資料，合作探究，完成七鍵電子琴作品的設(shè)計(jì)與制作，實(shí)現(xiàn)Arduino開源硬件和Mixly圖形化編程知識的有機(jī)建構(gòu)，將信息意識和計(jì)算思維能力培養(yǎng)融入運(yùn)用數(shù)字化工具解決實(shí)際問題的過程中，促進(jìn)學(xué)生信息素養(yǎng)的提升。

（一）情境導(dǎo)入，明確項(xiàng)目

課堂上，教師通過播放一段《海上鋼琴師》電影中的斗琴片段，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提出制作七鍵電子琴的項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生分析項(xiàng)目內(nèi)容、細(xì)化目標(biāo)：

1. 分析電子琴的基本工作原理及其結(jié)構(gòu)。

2. 完成七鍵電子琴作品的設(shè)計(jì)。

3. 了解相關(guān)開源硬件模塊，完成作品的搭建。

4. 編寫程序?qū)崿F(xiàn)電子琴作品的功能。

5. 測試、運(yùn)行，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

6. 作品展示與分享。

（二）資料收集，制訂方案

學(xué)生通過Moodle平臺上提供的學(xué)習(xí)資源查找關(guān)于電子琴的基本工作原理及其結(jié)構(gòu)，理解電子琴的發(fā)聲原理及其組成，明確作品開發(fā)中的各個(gè)功能需求與調(diào)用關(guān)系，形成七鍵電子琴作品的開發(fā)方案。

（三）小組協(xié)作，具體實(shí)施

課堂上，學(xué)生分組（3人小組）完成兩部分內(nèi)容：

1. 七鍵電子琴作品的硬件搭建

（1）找出相對應(yīng)的開源硬件，如開發(fā)板Arduino nano、擴(kuò)展板、按鍵開關(guān)模塊（7個(gè)）、蜂鳴器模塊等。

（2）自主學(xué)習(xí)關(guān)于按鍵開關(guān)和蜂鳴器等模塊的使用說明，詳細(xì)了解它們的功能及其安全使用規(guī)則，并分工進(jìn)行測試。

（3）連接各個(gè)模塊，完成作品的搭建。

2. 編寫計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)電子琴的功能

（1）根據(jù)設(shè)計(jì)方案，描述七鍵電子琴的工作流程，提煉關(guān)鍵信息，設(shè)計(jì)7個(gè)按鍵開關(guān)模塊與相應(yīng)音階的調(diào)用關(guān)系、蜂鳴器觸發(fā)條件，畫流程圖，如圖2。

（2）查找資源，列出基本音階的發(fā)聲頻率（單位：赫茲）：1046.5、1174.7、1318.5、1396.9、1568、1760、1975.5。

（3）自主學(xué)習(xí)Moodle平臺中關(guān)于Mixly模塊的介紹，理解并掌握數(shù)組模塊、變量模塊、for循環(huán)模塊、if/else條件選擇模塊、布爾判斷模塊和播放聲音模塊等的使用。

（4）根據(jù)流程圖，編程實(shí)現(xiàn)七鍵電子琴作品的功能，如圖3。

這一教學(xué)環(huán)節(jié)是課堂活動的重點(diǎn)，旨在提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)、小組協(xié)作的能力，培養(yǎng)學(xué)生信息意識、計(jì)算思維和數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力。

（四）課堂引導(dǎo)，階段評價(jià)

在項(xiàng)目具體實(shí)施過程中，雖然學(xué)生對利用數(shù)字化工具解決實(shí)際問題的興趣較為濃厚，但由于對計(jì)算機(jī)編程知識的掌握參差不齊，對各種開源硬件模塊也不熟悉，在學(xué)生自主學(xué)習(xí)的過程中難免會產(chǎn)生畏難心理，個(gè)別小組或組員甚至停步不前。這時(shí)候，需要教師針對細(xì)化的項(xiàng)目目標(biāo)，分階段對學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)。在項(xiàng)目實(shí)施的具體過程中，如作品設(shè)計(jì)方案階段、開源硬件搭建階段、工作流程圖階段、編程階段，教師巡堂進(jìn)行針對性的輔導(dǎo)，有目的地邀請完成度高的小組一起分享，引導(dǎo)學(xué)生查閱資料，一起解決項(xiàng)目實(shí)施過程中所遇到的問題。通過這一教學(xué)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生利用數(shù)字化工具分析問題、解決問題的能力，確保項(xiàng)目順利進(jìn)行。

（五）展示分享，評價(jià)反思

1. 成果展示與經(jīng)驗(yàn)分享

各小組分別展示階段性及最終成果，如流程圖、功能演示、技術(shù)創(chuàng)新、作品改進(jìn)等，分享作品設(shè)計(jì)與制作過程中所遇到的問題及其解決方法。通過這種方式，不僅能提高學(xué)生的語言表達(dá)能力，鞏固知識點(diǎn)，還能讓學(xué)生體驗(yàn)成功的喜悅，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的激情與信心。

2. 小組自評與組間互評

展示分享的同時(shí)，學(xué)生對照Moodle資源區(qū)的量規(guī)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過討論區(qū)、投票，對項(xiàng)目的實(shí)施、知識掌握程度、作品功能、創(chuàng)新性等方面進(jìn)行小組自評與組間互評，學(xué)生多角度對自己做出評價(jià)、總結(jié)反思，實(shí)現(xiàn)自身綜合能力的提升。

3. 反思與完善

作品涉及的硬件模塊較多，電路連接是否準(zhǔn)確，程序的結(jié)構(gòu)能否優(yōu)化，蜂鳴器延時(shí)設(shè)置是否合理，功能能否增加或美化等，通過各小組的展示、自評與互評后，學(xué)生查漏補(bǔ)缺、取長補(bǔ)短，優(yōu)化作品，完善自身的知識結(jié)構(gòu)。

（六）教師點(diǎn)評，拓展升華

教師對優(yōu)秀的范例進(jìn)行點(diǎn)評，深化學(xué)生對需要反復(fù)執(zhí)行某個(gè)或某些操作時(shí)使用循環(huán)結(jié)構(gòu)的知識的理解，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，鞏固知識點(diǎn)，提升學(xué)生利用數(shù)字化工具靈活解決實(shí)際問題的水平。

最后，引導(dǎo)學(xué)生思考：如需模擬鋼琴的88個(gè)鍵位，該如何設(shè)計(jì)電子琴硬件與程序？相鄰音階的頻率可能存在什么關(guān)系？除了利用按鍵開關(guān)模塊進(jìn)行感應(yīng)控制，還能通過什么傳感器控制聲音？這一環(huán)節(jié)，既拓展學(xué)生靈活運(yùn)用新知識解決實(shí)際問題的能力，也激發(fā)學(xué)生繼續(xù)探究學(xué)習(xí)的欲望，為新項(xiàng)目的開展做好鋪墊。

三、 總結(jié)

高中創(chuàng)客教育中，學(xué)生對于能夠解決真實(shí)問題的項(xiàng)目學(xué)習(xí)有著非常濃厚的興趣，在教師的引導(dǎo)下，能夠積極有效地開展項(xiàng)目實(shí)踐活動。基于軟件和硬件開發(fā)的Arduino平臺，便攜易上手，圖形化的編程簡單易懂，能夠通過各種傳感器感知環(huán)境，并通過控制燈光、聲音等裝置影響環(huán)境，擴(kuò)展性強(qiáng)，學(xué)生在經(jīng)過自主探索、小組協(xié)作后，能夠較快地完成作品，大大提高了學(xué)生創(chuàng)作的自信心。同時(shí)，學(xué)生向他人分享自己的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)與成果，既加深了自身對知識的掌握，又滿足了被認(rèn)可的深層心理需求。

為保證創(chuàng)客教育活動的有效實(shí)施，教師需要更多地關(guān)注學(xué)生每一階段具體情況。學(xué)生的發(fā)展不再僅限于知識的獲取，更多的還有學(xué)生的實(shí)際操作能力、協(xié)作能力、人際交往能力和語言表達(dá)能力等。

隨著新一輪的課程改革方案的落地，一線信息技術(shù)教師教育理念的更新、教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變有了更加明確的方向，創(chuàng)客教育正當(dāng)時(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]教技[2016]2號.教育部關(guān)于印發(fā)《教育信息化“十三五”規(guī)劃》的通知[Z].

[2]祝智庭，孫妍妍.創(chuàng)客教育：信息技術(shù)使能的創(chuàng)新教育實(shí)踐場[J].中國電化教育，2015（1）：14-21.

作者簡介：

張偉營，廣東省中山市，中山市實(shí)驗(yàn)中學(xué)。