基于steam理念下arduino+激光雕刻的校本課程實(shí)踐

摘要：近年來(lái)，STEAM教育理念及其課程資源得到了國(guó)內(nèi)教育界的普遍關(guān)注，Arduino教學(xué)具有較強(qiáng)的綜合性、實(shí)踐性，激光雕刻可以幫助學(xué)生提高空間想象能力和創(chuàng)新思維能力。它們都滿(mǎn)足 STEAM 理念各要素的有效整合。本文基于STEAM教育理念分析探討了如何利用Arduino和激光雕刻+Arduino結(jié)合起來(lái)，培養(yǎng)青少年的創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

關(guān)鍵詞：STEAM;校本課程;激光雕刻;Arduino

STEAM教育是一個(gè)集科學(xué)教育、技術(shù)教育、工程教育、數(shù)學(xué)教育、藝術(shù)教育等學(xué)科為一體的研究與實(shí)踐領(lǐng)域，我國(guó)蒸汽動(dòng)力教育的主流是機(jī)器人教育、程序設(shè)計(jì)教育、計(jì)算機(jī)科學(xué)教育、計(jì)算機(jī)科學(xué)教育、計(jì)算機(jī)科學(xué)教育、計(jì)算機(jī)科學(xué)教育、計(jì)算機(jī)科學(xué)教育、計(jì)算機(jī)科學(xué)教育。3D打印及激光切割雕刻技術(shù)。

《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進(jìn)教育信息化工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》指出：“有條件的地區(qū)要積極探索新技術(shù)手段在教學(xué)過(guò)程中的日常應(yīng)用，探索STEAM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式”。STEAM以科學(xué)教育為核心，是科學(xué)教育、技術(shù)教育、工程教育、數(shù)學(xué)教育、藝術(shù)教育等多學(xué)科交融的研究實(shí)踐領(lǐng)域。中國(guó)的STEAM教育的主流在于機(jī)器人教育、編程教育、3D打印以及激光切割與雕刻技術(shù)。幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)學(xué)科間內(nèi)在聯(lián)系的教育，注重培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科能力。

一、激光切割和雕刻技術(shù)

激光雕刻機(jī)的使用范圍非常廣，不僅雕刻速度快，而且精度更高，雕刻效果更加細(xì)膩，因此，激光雕刻機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)逐漸成為非常重要的雕刻設(shè)備。激光雕刻機(jī)可以完成各類(lèi)模型的制作、原型的雕刻、拼接構(gòu)件的制作，由于其速度快以及可批量制作，已成為STEAM教育必備的一項(xiàng)協(xié)助工具。

我國(guó)青少年各類(lèi)社團(tuán)活動(dòng)及競(jìng)賽中已經(jīng)大量用到激光切割與雕刻技術(shù)，它正在成為各種活動(dòng)中的支撐工具，極大地幫助鍛煉學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。激光切割與雕刻技術(shù)讓青少年的各種創(chuàng)意在短時(shí)間和低成本下變得觸手可及。

二、Arduino開(kāi)源硬件技術(shù)

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開(kāi)源電子原型平臺(tái)。包含硬件（各種型號(hào)的Arduino板）和軟件（Arduino IDE）。硬件部分是可以用來(lái)做電路連接的Arduino電路板;軟件部分則是Arduino IDE，目前國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)多出款圖形化編程軟件比較適合中小學(xué)生使用。比如北師大的MIXLY，DF的Mind+，makeblock的mblock，都可以對(duì)arudino編程。Aduino的制作編程過(guò)程通常包含物理、數(shù)學(xué)、多媒體、計(jì)算等，非常符合STEAM的教育理念。

1.arduino作用

Arduino的硬件原理圖、電路圖、IDE軟件及核心庫(kù)文件都是開(kāi)源的，在開(kāi)源協(xié)議范圍內(nèi)里可以任意修改原始設(shè)計(jì)及相應(yīng)代碼。Arduino不僅僅是全球最流行的開(kāi)源硬件，也是一個(gè)優(yōu)秀的硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，更是硬件開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)。簡(jiǎn)單的開(kāi)發(fā)方式使得開(kāi)發(fā)者更關(guān)注創(chuàng)意與實(shí)現(xiàn)，更快的完成自己的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，大大節(jié)約了學(xué)習(xí)的成本，縮短了開(kāi)發(fā)的周期。還可以使用現(xiàn)有的電子元件例如開(kāi)關(guān)、傳感器、LED、WIFI、步進(jìn)馬達(dá)或其他輸出裝置。

2.對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)作用

強(qiáng)化學(xué)生邏輯思考力，寫(xiě)程序最重要的就是如何把大問(wèn)題不斷分割成小問(wèn)題的過(guò)程，其中，學(xué)生必須去思考如何把代碼合理的安排在整個(gè)程序中，才能讓程序流暢的處理輸入、演算、直到輸出，這對(duì)學(xué)生對(duì)事物的邏輯分析能力會(huì)有極大的提升;增加學(xué)生抽象思考能力，其實(shí)學(xué)寫(xiě)編程，就像學(xué)習(xí)第二外語(yǔ)一樣。如果說(shuō)學(xué)外文是為了跟外國(guó)人溝通，學(xué)寫(xiě)編程就是學(xué)習(xí)怎么跟電腦溝通。有趣的是，你碰到老外不會(huì)說(shuō)英文還可以比手畫(huà)腳，跟電腦可不行。這表示孩子在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，更需要一種把抽象化為具體的能力，好讓不懂得思考的電腦，也能了解與表達(dá)抽象的事物;幫助學(xué)生整理信息，吸收融合能力，寫(xiě)程序說(shuō)穿了，就是一堆電腦指令的排列組合。好比小學(xué)的時(shí)候我們查字典學(xué)漢字、學(xué)成語(yǔ)，之后學(xué)習(xí)如何利用習(xí)得的漢字、成語(yǔ)組成句子，進(jìn)而撰寫(xiě)文章一樣。學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)合作，學(xué)會(huì)共同學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神。

三、Arduino和激光雕刻機(jī)結(jié)合案例

我們以防疫隔離報(bào)警器為例來(lái)說(shuō)明arduino和激光雕刻機(jī)的結(jié)合，可以為開(kāi)源硬件制作漂亮的外觀和精密的結(jié)構(gòu)。主要用到的硬件有arduino和擴(kuò)展板，obloq物聯(lián)網(wǎng)模塊。軟件有mind+，物聯(lián)網(wǎng)onenet。以“隔離報(bào)警系統(tǒng)”為主題，主要是讓學(xué)生了解MQTT、 學(xué)會(huì)中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)onenet的注冊(cè)和使用方法、學(xué)習(xí)Mind+中MQTT模塊的添加和使用。

1.情景引入。3月15日北京朝陽(yáng)區(qū)一澳大利亞籍女子，由首都機(jī)場(chǎng)入境進(jìn)京，本應(yīng)在租住地居家觀察的梁某妍，未戴口罩在小區(qū)內(nèi)跑步。提出問(wèn)題：我們?nèi)绾斡眉夹g(shù)的手段，檢測(cè)到隔離后私自外出。

2.onenet的注冊(cè)和使用，教師演示。

OneNET就是MQTT的一種，是由中國(guó)移動(dòng)打造的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)。平臺(tái)能夠幫助開(kāi)發(fā)者輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)備接入與設(shè)備連接，快速完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)部署，為智能硬件、智能家居產(chǎn)品提供完善的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

3.硬件準(zhǔn)備兩塊arduino板，兩塊擴(kuò)展板。

實(shí)現(xiàn)過(guò)程：發(fā)射端和接受端需連接wifi和onenet，發(fā)射端開(kāi)門(mén)后發(fā)送信息到onenet，onenet接收信息后發(fā)送到接收端，接收端發(fā)出警報(bào)播報(bào)語(yǔ)音。

4.程序?qū)崿F(xiàn)

我們把設(shè)備聯(lián)網(wǎng)后與云平臺(tái)的設(shè)備連接上。使用兩個(gè)掌控板，一個(gè)用來(lái)發(fā)送消息給topic0，一個(gè)用來(lái)接收topic0的消息。

5.外觀設(shè)計(jì)

學(xué)生分小組使用CAD設(shè)計(jì)圖紙，使用激光雕刻機(jī)在木板或者卡紙上刻出來(lái)，并拼裝出外殼，和arduino硬件結(jié)合起來(lái)。既實(shí)現(xiàn)了應(yīng)有的功能，而且有了漂亮的外殼。

6.項(xiàng)目評(píng)價(jià)：在項(xiàng)目完成后，進(jìn)行分組展示和分享，體驗(yàn)成功的喜悅，教師最后進(jìn)行點(diǎn)評(píng)總結(jié)。在此過(guò)程中，提升了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，也促進(jìn)了學(xué)生的個(gè)性發(fā)展。

四、結(jié)語(yǔ)

一個(gè)成功的STEAM教育方案或課程體系，通常需要經(jīng)過(guò)方案策劃、課程設(shè)計(jì)、教學(xué)實(shí)施、教學(xué)評(píng)估和教學(xué)反饋等5個(gè)階段，本文僅就基于STEAM教育理念的3D打印+Arduino課程設(shè)計(jì)進(jìn)行了淺顯的理論分析和實(shí)踐探索，還需結(jié)合當(dāng)前教育改革和素質(zhì)教育的大背景，與時(shí)俱進(jìn)，不斷迭代更新課程資源，探索具有科技館特色的STEAM教育課程體系。

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作者簡(jiǎn)介：王維國(guó)（1980.9.25） 男，一級(jí)教師，本科，單位：蘭州市外國(guó)語(yǔ)學(xué)校，中小學(xué)信息技術(shù)教育