基于micro：bit開發(fā)板的STEAM創(chuàng)客教具設計研究

嚴陳凱，張鐵成，何文杰，伍智泓，張真瑋，傅 濠

（大連大學，遼寧 大連 116622）

0 引 言

STEAM教育是含科學、技術、工程、藝術、數(shù)學等多學科的綜合教育，國外的STEAM教育起步較早，而我國相關教育起步較晚，資源嚴重缺乏。隨著創(chuàng)客教育的逐步推廣，編程教育成為STEAM教育的一個重要發(fā)展方向[1]。

從創(chuàng)客教具產(chǎn)品方面來看，市場上的可編程創(chuàng)客教育產(chǎn)品以樂高為主導，種類較少，雖然也有部分公司推出了不同形式的可編程教具，可滿足不同年齡段對編程的入門操作需求，但也存在可編程控制中心過于集成化，在造型及拼接方式上受傳統(tǒng)產(chǎn)品影響較大，功能不夠豐富，操作不方便等缺點[2-3]。

1 在STEAM中加入編程能力培養(yǎng)的可行性

1.1 國家對編程能力培養(yǎng)的重視

2015年“十三五”規(guī)劃提出注重少兒編程能力培養(yǎng)后，國內(nèi)少兒編程迎來了一個發(fā)展小高峰。政策推動之下，資本也紛紛涌入少兒編程行業(yè)。從最近的融資數(shù)據(jù)來看，資本并未全部加碼相對頭部的企業(yè)，還在市場上繼續(xù)尋覓著新創(chuàng)企業(yè)?？梢?，目前少兒編程市場仍存在較大缺口。中國少兒編程市場在資本、政策、用戶的相互作用下，將迎來爆發(fā)期。

1.2 編程能力與STEAM結(jié)合的方向

少兒編程，尤其是少兒機器人編程對促進兒童STEAM能力的發(fā)展具有重要作用，它強調(diào)知識跨界、場景多元、問題生成、批判建構、創(chuàng)新驅(qū)動，既體現(xiàn)課程綜合化、實踐化、活動化的諸多特征，又反應了課程回歸生活、回歸社會、回歸自然的本質(zhì)訴求[4-5]。

1.3 易于使用的micro：bit開發(fā)板已成為少兒編程首選的工具之一

micro：bit是一款由英國廣播電視公司（BBC）聯(lián)合若干家公司和機構，如三星、微軟等，專為青少年編程教育而設計的微型電腦開發(fā)板，BBC希望通過micro：bit驅(qū)動青少年參與創(chuàng)造性的硬件制作和軟件編程中，而非每天沉浸在各式娛樂和消費活動中。該開發(fā)板為基于ARM體系的嵌入式系統(tǒng)，電路板尺寸為4 cm×5 cm，擁有ARM Cortex-M0處理器、加速度傳感器、磁力傳感器，具備藍牙通信和USB連接能力，含有由25個LED組成的顯示屏和2個可編程按鈕，可以通過USB連接電源或者外部電池供電。

作為一個小型的可編程計算機，旨在使學習與教學變得輕松有趣。用戶可使用微軟提供的MakeCode編輯器輕松用圖形化模塊和JavaScript編寫micro：bit，也可使用Python編輯器為想要繼續(xù)深入學習編程的人群提供代碼段、預制圖像和音樂，以便進一步編程。因該產(chǎn)品功能強大、易于上手，受到了越來越多編程愛好者的關注，被作為學習編程的首選工具之一[6-7]。

2 可編程教具的設計基本準則

2.1 應選擇易于使用的編程系統(tǒng)

考慮到低齡客戶的接受程度，不建議使用純英文版本的軟件，以及通篇操作需要進行手動代碼編寫的軟件。為了能夠迅速抓取兒童以及青少年的注意力，應選用中文版且以彩色方塊構成的圖形化編程軟件。這類軟件具有操作簡便、畫面精美等特點，可通過不同色塊的拼接組合成不同的指令，激發(fā)兒童的繪圖意識，促使他們更好地投入到編程學習當中。

2.2 編程教具應具有良好的可操作性、易操作性

教具應便于操作，考慮將教具設計成不同的零件，通過插接以及少量螺絲進行固定。每一塊組成板上都有明確的拼插指示，同時，為了避免兒童誤吞螺絲，建議使用平底大號螺絲，可以用手進行操作，免去了使用螺絲刀的危險。安裝開發(fā)板的固件上也有明確的位置指示，使得兒童可以更容易地動手拼接。通過動手組裝模塊，可以開發(fā)兒童思維，鍛煉他們的動手能力以及培養(yǎng)他們的耐心[8-9]。

2.3 積極培養(yǎng)孩子的創(chuàng)造性

建議將教具設計成可組裝的形式，在動手組裝的過程中，便于兒童領悟空間的概念，在拼接不同造型的同時，能夠更好地發(fā)揮他們的創(chuàng)造力。配合編程板的使用，可以實現(xiàn)一種玩具多種玩法的目標，讓兒童從不同的拼接組合與不同的編程指令中不斷探索，發(fā)現(xiàn)更多樂趣。

2.4 編程教具的可拓展性

可編程教具可采用激光切割椴木層板、3D打印等方式生產(chǎn)，也可采用注射成型制造的零件。直接成型的教具大部分用于編程的進階學習，通過更復雜的編程指令實現(xiàn)一機多操技術?？蓮闹鞔蚓幊獭⒅鞔蚱唇雍碗p向進行三個大方面進行擴展。

2.5 多年齡段適用性

針對不同年齡階段的客戶推出不同的風格主題，既不會讓年齡偏大的兒童覺得幼稚無味，也不會讓年齡偏小的兒童失去樂趣。針對不同年齡段進行不同的教程編寫，推出不同風格主題的教科書[10-11]。

2.6 編程教學課程的趣味性

為適應兒童的接受能力，選擇通過卡通插圖畫的形式教學，使用不同的卡通圖案取代晦澀難懂的復雜編程語言。不同的卡通圖案代表不同的程序指令，不同顏色卡通圖案的組合將構成不同的程序。每一個完整的編程語言都由不同的卡通圖案構成，不同的圖案不僅能夠抓取兒童的注意力，也更便于兒童理解教程。

3 基于micro：bit開發(fā)板創(chuàng)客教具設計方案探討

3.1 基于micro：bit開發(fā)板設計的智能小車

（1）兼容樂高模塊，以micro：bit開發(fā)板為控制中心，用micro：bit擴展板驅(qū)動電機等元件，可通過手機APP、遙控手柄等控制智能小車。

（2）設計教具的不同功能結(jié)構件及傳感器，使其實現(xiàn)可組裝、可運動的效果，固定micro：bit開發(fā)板、擴展板及其他常用電子元件。

（3）根據(jù)不同階段的學習情況，逐步擴展可編程小車的功能。

（4）開發(fā)配套課程資源，制作可編程教具使用過程、組裝過程、接線過程的圖文與視頻教程。

3.2 基于micro：bit開發(fā)板的機器人

（1）通過由簡單到復雜的方式，將micro：bit開發(fā)板作為機器人的控制中心，完成電機、舵機、語音、顯示屏等模塊的控制，讓機器人實現(xiàn)不同的功能。

（2）通過采用不同數(shù)量的結(jié)構件及連接件，實現(xiàn)模塊不同的組裝狀態(tài)，如設計以驅(qū)動電機或舵機作為動力源的可編程機器人。

（3）配套課程資源開發(fā)，制作可編程教具使用過程、組裝過程、接線過程的圖文與視頻教程。

4 結(jié) 語

在STEAM教育中融入編程能力的培養(yǎng)更加符合當前國內(nèi)兒童的教育發(fā)展趨勢，具有綜合編程等功能的STEAM教具的開發(fā)具有廣闊的市場發(fā)展空間。根據(jù)兒童的學習能力特點，在可編程創(chuàng)客教具中采用易于使用的圖形化編程軟件，使教具具有良好的可操作性與易用性，通過組裝等方式提升兒童的創(chuàng)造力[12]。