基于科創(chuàng)教育Arduino校本選修課的實踐探究

黃國財

【摘要】科創(chuàng)教育融合了STEM教育和創(chuàng)客教育，面向未來，以培養(yǎng)技術(shù)進步、科技創(chuàng)新為目標(biāo)。本文Arduino校本選修課圍繞STEM課堂教學(xué)、以創(chuàng)客活動項目為載體進行探究，通過構(gòu)圖設(shè)計、積木搭建、AI應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生探索興趣、引導(dǎo)學(xué)生跨學(xué)科知識聯(lián)系實踐，變創(chuàng)意為現(xiàn)實，培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科解決問題能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力，全面提升學(xué)生的科創(chuàng)素養(yǎng)和能力。

【關(guān)鍵詞】Arduino;校本選修課;科創(chuàng)教育;實踐探究

科創(chuàng)教育既面向?qū)W生跨學(xué)科素養(yǎng)的生成，也著力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。我校開展Arduino校本選修課，搭建創(chuàng)客活動項目研究平臺，不斷創(chuàng)造條件讓善于動腦、樂于動手的學(xué)生有機會真正接觸多學(xué)科實驗，動手把興趣愛好、奇思妙想變?yōu)楝F(xiàn)實?？苿?chuàng)教育的持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展，對學(xué)校教育的發(fā)展有著重要的實踐意義。

一、Arduino校本選修課

隨著教育信息化2.0的推進，我校信息技術(shù)科憑借著多年對機器人項目培訓(xùn)所積累的各方面資源、科技勞動教育實踐活動比賽的一些經(jīng)驗，開拓面向未來的人工智能Arduino校本選修課程。本課程采用項目任務(wù)探究式教學(xué)與創(chuàng)客活動相結(jié)合形式進行，一方面，教師引導(dǎo)學(xué)生在選修課堂中完成一系列有計劃的、內(nèi)容豐富且與生活相關(guān)的真實性問題的無畏探索和天馬行空設(shè)計。另一方面，組織學(xué)生多層次、多維度參與線上、線下人工智能創(chuàng)客實踐活動的項目培訓(xùn)與比賽，讓學(xué)生在活動中嘗試探索、發(fā)散思維、融合多學(xué)科知識應(yīng)用、團隊協(xié)作形成研究成果，從而獲得較為完整的科創(chuàng)知識和技能。

二、Arduino校本選修課目標(biāo)

Arduino校本選修課以項目任務(wù)探究為載體，引導(dǎo)學(xué)生通過系列專題案例的摸索學(xué)習(xí)和創(chuàng)客活動比賽項目的研究，增強學(xué)生的求知欲望，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新想法、實踐探索的興趣。學(xué)生通過學(xué)習(xí)觀察、實驗嘗試、學(xué)習(xí)動手設(shè)計和制作及現(xiàn)場調(diào)試展示，培養(yǎng)學(xué)生思維創(chuàng)造、分析問題和學(xué)習(xí)應(yīng)用AI解決面向未來實際問題的新能力。在合作研究學(xué)習(xí)和活動比賽摸索過程中，培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作精神。

三、Arduino校本選修課課堂實踐

Arduino校本選修課課堂教學(xué)實施流程包括創(chuàng)設(shè)情境、構(gòu)建創(chuàng)意、創(chuàng)意變現(xiàn)、分享交流、拓展提升、總結(jié)評價等環(huán)節(jié)。本次以制作LED燈宣傳廣告牌項目為例。

（一）創(chuàng)設(shè)情境

學(xué)校對面新開了一間文具店，店主很想做個LED燈的宣傳廣告牌，以更吸引學(xué)生的光顧?，F(xiàn)請學(xué)生們思考如何制作一個頗具特色的LED燈宣傳廣告牌。教師在選修課教學(xué)中引入真實的生活場景，拋出項目探究任務(wù)，引發(fā)學(xué)生搜索自己的知識儲備、尋找可行的方式實現(xiàn)生活需求。教師引導(dǎo)學(xué)生分析LED廣告燈的設(shè)計原理，進而讓學(xué)生思考如何設(shè)計出有特色的作品。

（二）構(gòu)建創(chuàng)意

教師先對選修課成員進行分組，以小組為研究單位，討論如何利用Arduino主板、LED元器件等材料構(gòu)建任務(wù)，以實現(xiàn)廣告宣傳燈的效果，商定本小組的創(chuàng)意并電腦設(shè)計草圖。教師參與部分小組的討論，引導(dǎo)學(xué)生合理分工，鼓勵學(xué)生天馬行空，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)想動機，并且以此來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

（三）創(chuàng)意變現(xiàn)

小組根據(jù)商定的設(shè)計構(gòu)想，分步搭建、線路連接、程序編寫及下載測試、作品改進調(diào)試及封裝，將創(chuàng)意由思路設(shè)想變成現(xiàn)實作品。教師巡視指導(dǎo)，對線路連接、程序編寫、作品系統(tǒng)調(diào)試進行適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)變思維和動手能力。

（四）分享交流

各小組派代表面向全體成員展示作品，分享作品創(chuàng)作思路和創(chuàng)作過程所遇到的問題及解決方式、途徑，教師偶爾進行點撥和鼓勵。

（五）拓展提升

LED廣告燈在通電的情況下可以反復(fù)運行，而不是運行一次。教師展示程序，引導(dǎo)學(xué)生分析、改進，如，增加延時功能、添加多組LED小燈、添加變量等。學(xué)生在原來基礎(chǔ)上繼續(xù)完善作品或者進行新的創(chuàng)意探究。

（六）總結(jié)評價

教師提煉、總結(jié)課堂教學(xué)中所出現(xiàn)的創(chuàng)新點，組織學(xué)生進行個體評價、組內(nèi)評價、組間互評。

四、Arduino校本選修課創(chuàng)客活動實踐

科創(chuàng)教育一方面要打破學(xué)科限制，另一方面要打通校內(nèi)與校外的互聯(lián)，為學(xué)生提供多樣豐富的項目實踐體驗。因此，我們在開展Arduino校本選修課教學(xué)的同時，也引導(dǎo)、鼓勵學(xué)生和教師參加鎮(zhèn)、區(qū)組織的創(chuàng)客相關(guān)項目的比賽，以賽促教、以賽促創(chuàng)，孕育科創(chuàng)人才、創(chuàng)新成果。

（一）分析創(chuàng)客比賽項目

根據(jù)上級部門的創(chuàng)客節(jié)活動方案，我們結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)Arduino校本選修課的進度及學(xué)生掌握的水平和能力，再有針對性地組織學(xué)生參加Arduino選修課內(nèi)容相關(guān)的創(chuàng)客比賽項目研究培訓(xùn)，進一步拓寬學(xué)生的視野，提升學(xué)生的思維和認知能力。

（二）開展項目研究實踐

教師有目的地對選修課成員按比賽項目要求分組組隊，以隊伍為實踐研究單位，討論、構(gòu)建創(chuàng)客比賽項目主題所需要的器材和要掌握的學(xué)科知識和能力，利用Arduino主板、傳感器、舵機，配合使用3D設(shè)計、打印、切割等初步制作比賽作品。教師參與創(chuàng)客比賽項目研究，引導(dǎo)學(xué)生合理分工、如何更有效設(shè)計、制作以更好實現(xiàn)比賽的主題要求。

（三）編程測試改進實踐

各個參賽隊伍通過編程調(diào)試，初步實現(xiàn)所制作作品的各項功能和目的。當(dāng)然，在測試過程中，成員要做好出錯和完成情況的記錄，及時調(diào)整作品結(jié)構(gòu)，更有效、更好地完成創(chuàng)客項目的比賽要求。如小車循線創(chuàng)客項目，就是要利用Arduino掌控板、馬達和紅外傳感器完成小車的制作與控制程序的編寫以實現(xiàn)在一個模擬街道實景地圖中快速、安全前進到達終點的任務(wù)。此創(chuàng)客項目活動，學(xué)生需學(xué)習(xí)掌握切割機軟件制圖設(shè)計小車的結(jié)構(gòu)件，還需研究組裝符合比賽要求的小車，再不斷地對小車進行場地測試，以達到最好的解決方案與作品。

又如馬拉松項目，使用活動方提供的Arduino掌控板、攝像頭等器材與工具，通過電腦編程、建模，硬件搭建、造型設(shè)計等創(chuàng)作實物作品，如，趣味電子裝置、AI人臉識別、智能機器等。鼓勵學(xué)生在智能校園、智能家居、智能穿戴、智能醫(yī)療等方向?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)意創(chuàng)新。學(xué)生需要在規(guī)定時間內(nèi)完成作品后并分享演示和講解設(shè)計想法與所實現(xiàn)的功能。

（四）模擬比賽交流

在各隊伍的創(chuàng)客項目實踐研究并生成作品后，教師有目的、有方向地組織模擬比賽的內(nèi)部活動，一方面，讓學(xué)生初步全方位感受自己所設(shè)計的Arduino創(chuàng)客作品的成果。另一方面，讓參賽隊伍通過模擬比賽更多地發(fā)現(xiàn)問題，待后續(xù)改進。同時，訓(xùn)練學(xué)生現(xiàn)場創(chuàng)客比賽心理承受能力和團隊配合能力。

（五）賽后分享提升

歷經(jīng)Arduino創(chuàng)客項目現(xiàn)場比賽活動后，在選修課課堂上，教師讓每個參賽隊伍分享自己隊伍的比賽復(fù)盤，及時總結(jié)分享比賽心得。教師再組織交流與討論，帶領(lǐng)學(xué)生重溫現(xiàn)實賽場，進一步分析每個隊伍在比賽過程中出的異常和所發(fā)現(xiàn)的缺陷，為后續(xù)研究出更合理、更優(yōu)的方案和作品成果。

五、課堂教學(xué)與創(chuàng)客活動實踐思考

Arduino校本選修課教學(xué)內(nèi)容源于生活真實案例，激發(fā)學(xué)生綜合應(yīng)用Arduino主控板、傳感器、LED、舵機、電機、顯示管、攝像頭等電子元器件，在課堂教學(xué)中整合科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)零碎知識解決面向未來的真實問題，更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

項目式任務(wù)實踐探究，可以讓學(xué)生深刻體驗一次次的失敗與成功，更有效地激發(fā)學(xué)生去主動摸索多種可能的解決途徑。讓學(xué)生在項目中學(xué)習(xí)了解、體驗、掌握PWM、Arduino電子元器件的針腳位置、基本電路連接等知識，逐步熟悉變量、循環(huán)語句等編程語言的規(guī)律，并且進行反思和領(lǐng)悟Arduino人工智能創(chuàng)客，培養(yǎng)學(xué)生問題解決能力和合作探究能力。

創(chuàng)客活動比賽是對Arduino校本選修課程教學(xué)內(nèi)容的拓展與升華實踐，但由于個體差異，學(xué)生小組在比賽過程中所完成的任務(wù)有明顯的差距。教師應(yīng)在教學(xué)與比賽中設(shè)置多種目標(biāo)，分層教學(xué)和指導(dǎo)，讓學(xué)生更有信心和能力不斷完善作品和完成比賽任務(wù)，促進學(xué)生個性化和能力快速成長。

六、結(jié)束語

基于科創(chuàng)教育Arduino校本選修課的實踐探究，我們無論在課堂上，還是在課外的創(chuàng)客活動中，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和能力方面都取得顯著成果。目前，還需要進一步探索校本課程教學(xué)、活動培訓(xùn)、現(xiàn)場實踐、校內(nèi)外結(jié)合等方式，以全面提升學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)，著力培養(yǎng)科創(chuàng)英才，做好人工智能時代跨學(xué)科知識多維度、多層次、立體化的科創(chuàng)教育課程體系建構(gòu)，走科創(chuàng)教育的品牌化發(fā)展之路。

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