基于激光雕刻技術(shù)的Micro:bit校本課程開發(fā)與研究

王夢怡

（蘇州工業(yè)園區(qū)星港學(xué)校，江蘇 蘇州）

國務(wù)院《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中要求逐步開展人工智能教育項目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育，建設(shè)人工智能學(xué)科，形成我國人工智能人才高地。然而，對大部分學(xué)校而言，創(chuàng)客教育缺乏系統(tǒng)的課程資源，這就對創(chuàng)客校本課程的設(shè)計和開發(fā)提出了要求。

一、校本課程內(nèi)容選擇

隨著我國建設(shè)創(chuàng)新型國家過程的深入，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才成為亟需解決的問題。教育界為此正在進(jìn)行積極的探索。就目前的狀況來看，創(chuàng)客教育屬于一個新興的理念，對如何落實到實踐中屬于摸著石頭過河的狀態(tài)。

有關(guān)創(chuàng)客課程的設(shè)計和實施，缺乏相應(yīng)的課程標(biāo)準(zhǔn)，也沒有相應(yīng)的配套教材。目前市場上大多數(shù)的創(chuàng)客課程是由一些教育公司進(jìn)行設(shè)計開發(fā)，但由于公司人員缺乏一線教學(xué)經(jīng)驗，開發(fā)出的創(chuàng)客課程并不能很好地落實到創(chuàng)新人才的目標(biāo)培養(yǎng)上。

對于學(xué)校來說，創(chuàng)客教育面臨課程缺乏、經(jīng)費緊張的困境。大部分學(xué)校因為沒有充足的資金購買設(shè)備，往往以社團(tuán)形式規(guī)模開展創(chuàng)客課程，能夠參加創(chuàng)客課程的學(xué)生不足學(xué)生總?cè)藬?shù)的十分之一。部分學(xué)校甚至因為各種原因不開展創(chuàng)客課程。如此一來，大量學(xué)生的創(chuàng)造性思維無法得到開拓和發(fā)展，這對社會和國家而言是巨大的損失和資源浪費。

目前中小學(xué)普遍使用的編程平臺scratch相匹配的主流套件如Arduimo，Rasberry Pi等，一套設(shè)備動輒上千的價格令大多數(shù)勇于嘗試卻資金不足的學(xué)校、一線教師望而卻步。即便花大價錢買來了套件，其中所包含的課程和能制作出的作品卻是寥寥，無法滿足長期發(fā)展的課程需要。

為了滿足需求資金少、可發(fā)展性強這兩個需求，本次研究選用價格低廉的Micro:bit進(jìn)行相應(yīng)課程的開發(fā)，同時使用耗材便宜易買的激光雕刻技術(shù)制作相應(yīng)配套設(shè)備。既滿足了以小經(jīng)費購置開源硬件設(shè)備的需求，又能保證在不同環(huán)境場景下，可根據(jù)學(xué)生的創(chuàng)意設(shè)計，不囿于套件提供的材料設(shè)備，制作出個性化作品，具有很強的發(fā)展性。

希望通過本課程的開發(fā)，使得大多數(shù)中小學(xué)校能使用較少的經(jīng)費開展創(chuàng)客教育或基于物聯(lián)網(wǎng)的程序設(shè)計教學(xué)。并在教學(xué)開展過程中，不囿于現(xiàn)有的課程和配套硬件，而是可以根據(jù)教師和學(xué)生的創(chuàng)意，隨時靈活地調(diào)整課程內(nèi)容，實現(xiàn)創(chuàng)意作品的制作、調(diào)整和展示。我們相信，只有學(xué)生能把自己的創(chuàng)意變成現(xiàn)實，才是真正的創(chuàng)客教育，才能真正提升學(xué)生的學(xué)習(xí)水平和學(xué)習(xí)興趣。

二、校本課程授課對象

基于激光雕刻技術(shù)的Micro:bit校本課程教學(xué)對象主要為小學(xué)四至六年級學(xué)生。這個年齡階段的學(xué)生好奇心強、思維活躍、想象力豐富，有充足的課余活動時間，也喜歡自我表現(xiàn)，敢于嘗試。

四年級的學(xué)生已經(jīng)完成了一年的信息技術(shù)學(xué)習(xí)，有操作電腦的基本能力，能在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行簡單的可視化程序編輯。五年級安排學(xué)生進(jìn)行激光雕刻技術(shù)的學(xué)習(xí)。激光雕刻技術(shù)涉及矢量圖的編輯，過程中需要在兩三個程序中進(jìn)行切換和導(dǎo)出，過程比較復(fù)雜。五年級的學(xué)生相對而言邏輯思維能力比較完善，大部分學(xué)生能在教師的引導(dǎo)下完成圖形的設(shè)計和雕刻。六年級的學(xué)生經(jīng)過兩年的學(xué)習(xí)，不管是動手操作能力還是邏輯思維能力都有顯著的提升，在這個學(xué)年安排學(xué)生進(jìn)行項目化的創(chuàng)客作品設(shè)計，著重提升學(xué)生項目規(guī)劃、圖形設(shè)計、程序編程、激光雕刻、細(xì)節(jié)調(diào)整、運行測試、再調(diào)整、項目反思這一系列能力?；诩す獾窨碳夹g(shù)的Micro:bit校本課程為學(xué)生提供了自我展示的舞臺，并為以后更高層次的創(chuàng)客學(xué)習(xí)和實踐打下了堅實的基礎(chǔ)。

三、基于激光雕刻技術(shù)的Micro:bit校本課程開發(fā)

（一）課程目標(biāo)

1.開發(fā)基于激光雕刻技術(shù)的Micro:bit校本課程

豐富傳統(tǒng)基于Micro:bit自帶傳感器的程序設(shè)計課程，將程序設(shè)計從PC端擴(kuò)展到手工作品。通過在課程編寫過程中的頭腦風(fēng)暴和實踐、試驗，提升課題組教師的研究水平與實際操作能力，提高學(xué)校的創(chuàng)客師資水平。

2.實施基于激光雕刻技術(shù)的Micro:bit校本課程

程序設(shè)計不再局限于電腦，而可以制作出拿在手上、運用在生活中的實實在在的物品。學(xué)生能了解到編程與邏輯思維的美妙之處，知曉程序與物聯(lián)網(wǎng)連接的方法，創(chuàng)作出可運用于實際生活的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，并親身體驗物聯(lián)網(wǎng)對生活帶來的樂趣和便利。在學(xué)習(xí)和實踐過程中鼓勵學(xué)生學(xué)以致用，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造熱情，培養(yǎng)他們從小養(yǎng)成學(xué)科學(xué)、愛科學(xué)、用科學(xué)的良好習(xí)慣。

3.調(diào)整、優(yōu)化基于激光雕刻技術(shù)的Micro:bit校本課程

通過課堂實踐發(fā)現(xiàn)校本課程設(shè)計中存在的問題，并解決問題，優(yōu)化基于激光雕刻技術(shù)的Micro:bit校本課程，使中小學(xué)信息教室能運用該校本課程正常、有效地開展創(chuàng)客、基于物聯(lián)網(wǎng)的程序設(shè)計教學(xué)活動。

（二）課程結(jié)構(gòu)體系

根據(jù)學(xué)校教學(xué)的實際情況和學(xué)生的知識水平，我們將校本課程安排為六個學(xué)期的課程量，每個學(xué)期15課時，每周1課時。第一學(xué)期和第二學(xué)期基于Micro:bit編程校本課程學(xué)習(xí)，分為編程入門篇、外接傳感器篇和編程進(jìn)階篇三個模塊。第三學(xué)期和第四學(xué)期基于激光雕刻技術(shù)校本課程學(xué)習(xí)，分為簡單雕刻篇、圖形設(shè)計篇、進(jìn)階雕刻篇。第五學(xué)期和第六學(xué)期為綜合項目實踐，根據(jù)每組不同的情況，用兩個學(xué)期的時間完成5～6個項目作品。

1.Micro:bit編程校本課程

（1）編程入門篇。讓學(xué)生了解和熟悉Micro:bit的界面和基本操作，了解Micro:bit的特點和功能，學(xué)生能使用Micro:bit自帶的按鍵傳感器、溫度傳感器、振動傳感器、光線傳感器、LED顯示矩陣點，制作簡單的實用小程序。學(xué)生在這一階段除了了解程序編輯的模塊和一般邏輯外，還要能區(qū)分輸入傳感器和輸出傳感器。

（2）外接傳感器篇。主要介紹外接傳感器，如蜂鳴器、超聲波傳感器、紅外線傳感器、LED燈、外接按鍵傳感器等。學(xué)生在這一階段需要明確知悉信息從輸入傳感器進(jìn)入，經(jīng)過Micro:bit處理后，由輸出傳感器輸出的流程。學(xué)生需要熟練連接傳感器，且在運行發(fā)生問題時，判斷出是由硬件導(dǎo)致的還是由程序?qū)е碌模信懦收辖鉀Q問題的能力。

（3）編程進(jìn)階篇。通過這個階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生需要熟練地運用傳感器編寫較為復(fù)雜的程序，掌握變量、列表、坐標(biāo)、邏輯運算、對象等概念，設(shè)計出有創(chuàng)意、有使用價值的游戲或程序。引導(dǎo)學(xué)生充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，制作有個性的Micro:bit作品，并將作品與大家分享，感受創(chuàng)造的樂趣和成功的喜悅。

2.激光雕刻技術(shù)校本課程

（1）簡單雕刻篇。學(xué)生能掌握激光雕刻的基本操作和基本原理，能熟練使用激光雕刻機制作簡單的立體作品，如手機支架、木盒等。在制作過程中體會動手的樂趣，并能對平面圖形轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw圖形有感性的認(rèn)識。

（2）圖形設(shè)計篇。學(xué)生能自行設(shè)計圖案，通過網(wǎng)絡(luò)尋找資源并熟練運用多個圖形設(shè)計軟件導(dǎo)出矢量設(shè)計圖，并選擇適合的材料進(jìn)行雕刻。在雕刻時，學(xué)生能了解不同材料需要的功率和頻率，并選擇適合的功率和頻率進(jìn)行雕刻。

（3）進(jìn)階雕刻篇。學(xué)生能根據(jù)需要設(shè)計出適合Micro:bit、傳感器的大小和使用功能的木制或亞力克外框架，使裝置能使用的同時不顯露內(nèi)部結(jié)構(gòu)和線路，有一定的美觀性，并能對外形做簡單的裝飾和設(shè)計。

3.綜合項目實踐

以需求為導(dǎo)向，教師提出某一使用需求，如制作一個小型樂器，學(xué)生以小組為單位，根據(jù)需求進(jìn)行項目規(guī)劃、圖形設(shè)計、程序編程、激光雕刻、細(xì)節(jié)調(diào)整、運行測試、再調(diào)整、項目反思，最后得到項目成果，并在小組間進(jìn)行分享和評價，通過交流，體驗成就感和成功的喜悅，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的動力。

（三）教材編寫案例

在編寫每一課時，盡量以項目化的形式進(jìn)行。四、五年級以教師引導(dǎo)為主，讓學(xué)生形成項目的概念，了解完成項目的一般流程。六年級教師直接拋出問題，引導(dǎo)學(xué)生用不同的方法解決問題。學(xué)生以小組為單位，對教師提出的問題討論、思考，得到初步方案。根據(jù)小組得出的方案，小組成員分工進(jìn)行傳感器連接、程序編輯、外結(jié)構(gòu)設(shè)計和雕刻。運行程序，觀察存在的問題并嘗試解決；組合元器件和外結(jié)構(gòu)，觀察存在的問題并嘗試解決。小組再次進(jìn)行討論，提出改進(jìn)的意見，根據(jù)改進(jìn)意見分工調(diào)整，重復(fù)上述步驟。最后在小組間分享成果，相互探討經(jīng)驗和不足。

通過項目式學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生分析、想象、創(chuàng)新和解決問題的能力，促進(jìn)學(xué)生獨立思考、自主創(chuàng)新與合作交流。

案例：“感應(yīng)道閘”是基于激光雕刻技術(shù)的Micro:bit校本課程“綜合項目實踐”中的一課，需要花費4個課時。

教學(xué)目標(biāo)是通過感應(yīng)道閘的設(shè)計，讓學(xué)生了解感應(yīng)道閘的基本工作原理，了解舵機的原理和基本工作方式，能通過程序控制舵機旋轉(zhuǎn)。

1.創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

在小區(qū)門口、商場門口，為了識別來車是否進(jìn)入，我們一般會采取怎樣的方法呢？播放視頻展示。這個裝置的名字叫作道閘，今天，我們要模仿這個道閘，制作一個簡易模型。

2.開闊視野，分析探究

提問：在開始制作之前，我們先來分析一下，這個設(shè)備是如何運作的呢？要求學(xué)生以小組為單位展開討論，得出結(jié)論：超聲波傳感器測出距離，交給處理器處理，處理器讓桿子抬起來。

除了我們都認(rèn)識的部分之外，這個設(shè)備還使用了一個新的設(shè)備：舵機。提問：舵機是什么呢？播放舵機介紹視頻。得出結(jié)論：舵機是能夠在平面內(nèi)改變角度的驅(qū)動器，相當(dāng)于機器人的關(guān)節(jié)。舵機就是控制桿子抬起來的重要設(shè)備。

通過前面的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)知道，超聲波傳感器是用來采集“距離”信息的設(shè)備，信息被輸入設(shè)備采集到，傳到處理器，經(jīng)過處理后再由輸出設(shè)備導(dǎo)出。

首先，我們要完成兩個任務(wù)：連接設(shè)備，并能夠使用程序控制舵機運轉(zhuǎn)。

（四）自主設(shè)計，搭建程序

1.連接舵機

舵機介紹——舵機是能夠在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度的驅(qū)動器。

任務(wù)一：連接各個傳感器

學(xué)生根據(jù)過去的學(xué)習(xí)經(jīng)驗嘗試連接超聲波傳感器、電源和舵機，連接完成后，小組間相互檢查和評價連接是否正確。

2.控制舵機運轉(zhuǎn)

一般，我們通過控制脈沖的方式控制舵機的運轉(zhuǎn)角度?？刂泼}沖的積木塊是紅色的，在紅色的引腳木塊中。脈沖和舵機運轉(zhuǎn)角度的對應(yīng)關(guān)系。

任務(wù)二：通過不同的脈沖控制舵機旋轉(zhuǎn)

學(xué)生嘗試設(shè)置不同的脈沖，觀察舵機的旋轉(zhuǎn)角度。調(diào)整脈沖，使舵機可以從平行位置旋轉(zhuǎn)到垂直位置。小組成員討論最適合的程序編寫方式，并在小組間相互評價。

3.讀取超聲波傳感器數(shù)值

通過之前的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)知道如何讀取超聲波傳感器的“距離”信息。如果“距離”＜10，舵機旋轉(zhuǎn)到90°，否則舵機旋轉(zhuǎn)到0°。

任務(wù)三：通過讀取超聲波傳感器數(shù)值，控制舵機旋轉(zhuǎn)

學(xué)生嘗試通過讀取超聲波傳感器數(shù)值控制舵機旋轉(zhuǎn)。在不斷的測試過程中，學(xué)生反復(fù)嘗試最適合的感應(yīng)距離，實現(xiàn)當(dāng)“汽車”開到道閘前時，道閘感應(yīng)打開，停留一段時間后，道閘自動關(guān)閉。

4.調(diào)整數(shù)值，優(yōu)化程序

提問：觀察這個感應(yīng)道閘的運動狀態(tài)，有什么可以改進(jìn)的地方嗎？會不會落下得太快了？應(yīng)該怎么辦呢？

學(xué)生根據(jù)教師提出的問題，組內(nèi)進(jìn)行討論，得出解決辦法：停留幾秒后再落下道閘，或者感應(yīng)到道閘附近沒有“汽車”后，道閘再落下，等等。每個小組根據(jù)自己的水平和預(yù)估的效果，選擇適合自己小組的改進(jìn)方法，在不斷地調(diào)試中改進(jìn)程序。

“讀取超聲波傳感器數(shù)值”和“調(diào)整數(shù)值，優(yōu)化程序”兩個階段因為需要學(xué)生反復(fù)測試和調(diào)整，所以會花費比較多的時間。完成這個環(huán)節(jié)后，安排班內(nèi)分享，欣賞每個小組完成的作品，相互提出改進(jìn)意見。

（五）設(shè)計結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新活動

1.測量尺寸，繪制雕刻圖形

學(xué)生測量在前面環(huán)節(jié)中搭建的設(shè)備的尺寸，為設(shè)備設(shè)計適合大小的容器。教師需要提醒學(xué)生為各個傳感器和充電口預(yù)留位置，防止遮擋超聲波傳感器讀取數(shù)值或舵機的旋轉(zhuǎn)。

任務(wù)四：設(shè)計感應(yīng)道閘的外部結(jié)構(gòu)

圖紙和現(xiàn)實往往有很大差距，為了避免耗材損耗，教師可以引導(dǎo)學(xué)生多考慮容易遺漏的傳感器位置、充電口位置、各個面拼接時需要的接口。在小組完成設(shè)計后，教師可以請小組其他成員檢查圖紙是否有明顯的錯誤。

2.切割圖形，嘗試拼接

學(xué)生導(dǎo)出設(shè)計好的文件，導(dǎo)入激光雕刻機，設(shè)置適合的激光雕刻參數(shù)，開始切割圖形。完成切割后，嘗試組合感應(yīng)道閘和外部結(jié)構(gòu)，尋找其中的問題，并尋求解決方法。

3.反復(fù)調(diào)整，尋找最佳方案

在上一步的拼接過程中，學(xué)生往往會發(fā)現(xiàn)許多問題，如給傳感器、充電口預(yù)留的位置和大小不夠準(zhǔn)確，設(shè)計出的外部結(jié)構(gòu)無法容納感應(yīng)道閘所有元器件等。學(xué)生需要在本環(huán)節(jié)中多次反復(fù)設(shè)計，多次雕刻作品并嘗試拼接，以求達(dá)到最佳的效果。

（六）作品展示，活動評價

小組完成作品后，輪流上臺展示本小組的作品。教師需要引導(dǎo)學(xué)生從“效果展示”“作品亮點”“反思與發(fā)展”等幾點出發(fā)，全面地介紹本小組作品的亮點以及在完成作品過程中付出的努力。其他小組需要認(rèn)真傾聽，并提出有效的評價和改進(jìn)意見。

基于Micro:bit設(shè)計面向小學(xué)四至六年級的創(chuàng)客課程，在一定程度上豐富了基礎(chǔ)教育中關(guān)于創(chuàng)客教育方面的研究，為今后創(chuàng)客教育的發(fā)展研究提供了可靠的實踐基礎(chǔ)。