基于科創(chuàng)教育Arduino校本選修課的實(shí)踐探究

黃國(guó)財(cái)

【摘要】科創(chuàng)教育融合了STEM教育和創(chuàng)客教育，面向未來(lái)，以培養(yǎng)技術(shù)進(jìn)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(dòng)項(xiàng)目為載體進(jìn)行探究，通過構(gòu)圖設(shè)計(jì)、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(shí)聯(lián)系實(shí)踐，變創(chuàng)意為現(xiàn)實(shí)，培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科解決問題能力、團(tuán)隊(duì)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(shí)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(shí)踐能力。我校開展Arduino校本選修課，搭建創(chuàng)客活動(dòng)項(xiàng)目研究平臺(tái)，不斷創(chuàng)造條件讓善于動(dòng)腦、樂于動(dòng)手的學(xué)生有機(jī)會(huì)真正接觸多學(xué)科實(shí)驗(yàn)，動(dòng)手把興趣愛好、奇思妙想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。科創(chuàng)教育的持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展，對(duì)學(xué)校教育的發(fā)展有著重要的實(shí)踐意義。

一、Arduino校本選修課

隨著教育信息化2.0的推進(jìn)，我校信息技術(shù)科憑借著多年對(duì)機(jī)器人項(xiàng)目培訓(xùn)所積累的各方面資源、科技勞動(dòng)教育實(shí)踐活動(dòng)比賽的一些經(jīng)驗(yàn)，開拓面向未來(lái)的人工智能Arduino校本選修課程。本課程采用項(xiàng)目任務(wù)探究式教學(xué)與創(chuàng)客活動(dòng)相結(jié)合形式進(jìn)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(jì)劃的、內(nèi)容豐富且與生活相關(guān)的真實(shí)性問題的無(wú)畏探索和天馬行空設(shè)計(jì)。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(shí)踐活動(dòng)的項(xiàng)目培訓(xùn)與比賽，讓學(xué)生在活動(dòng)中嘗試探索、發(fā)散思維、融合多學(xué)科知識(shí)應(yīng)用、團(tuán)隊(duì)協(xié)作形成研究成果，從而獲得較為完整的科創(chuàng)知識(shí)和技能。

二、Arduino校本選修課目標(biāo)

Arduino校本選修課以項(xiàng)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(dòng)比賽項(xiàng)目的研究，增強(qiáng)學(xué)生的求知欲望，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新想法、實(shí)踐探索的興趣。學(xué)生通過學(xué)習(xí)觀察、實(shí)驗(yàn)嘗試、學(xué)習(xí)動(dòng)手設(shè)計(jì)和制作及現(xiàn)場(chǎng)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(lái)實(shí)際問題的新能力。在合作研究學(xué)習(xí)和活動(dòng)比賽摸索過程中，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

三、Arduino校本選修課課堂實(shí)踐

Arduino校本選修課課堂教學(xué)實(shí)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(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)。本次以制作LED燈宣傳廣告牌項(xiàng)目為例。

（一）創(chuàng)設(shè)情境

學(xué)校對(duì)面新開了一間文具店，店主很想做個(gè)LED燈的宣傳廣告牌，以更吸引學(xué)生的光顧。現(xiàn)請(qǐng)學(xué)生們思考如何制作一個(gè)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(shí)的生活場(chǎng)景，拋出項(xiàng)目探究任務(wù)，引發(fā)學(xué)生搜索自己的知識(shí)儲(chǔ)備、尋找可行的方式實(shí)現(xiàn)生活需求。教師引導(dǎo)學(xué)生分析LED廣告燈的設(shè)計(jì)原理，進(jìn)而讓學(xué)生思考如何設(shè)計(jì)出有特色的作品。

（二）構(gòu)建創(chuàng)意

教師先對(duì)選修課成員進(jìn)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(shí)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(jì)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(lì)學(xué)生天馬行空，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)想動(dòng)機(jī)，并且以此來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

（三）創(chuàng)意變現(xiàn)

小組根據(jù)商定的設(shè)計(jì)構(gòu)想，分步搭建、線路連接、程序編寫及下載測(cè)試、作品改進(jìn)調(diào)試及封裝，將創(chuàng)意由思路設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)作品。教師巡視指導(dǎo)，對(duì)線路連接、程序編寫、作品系統(tǒng)調(diào)試進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)變思維和動(dòng)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(jìn)行點(diǎn)撥和鼓勵(lì)。

（五）拓展提升

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

（六）總結(jié)評(píng)價(jià)

教師提煉、總結(jié)課堂教學(xué)中所出現(xiàn)的創(chuàng)新點(diǎn)，組織學(xué)生進(jìn)行個(gè)體評(píng)價(jià)、組內(nèi)評(píng)價(jià)、組間互評(píng)。

四、Arduino校本選修課創(chuàng)客活動(dòng)實(shí)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(xiàng)目實(shí)踐體驗(yàn)。因此，我們?cè)陂_展Arduino校本選修課教學(xué)的同時(shí)，也引導(dǎo)、鼓勵(lì)學(xué)生和教師參加鎮(zhèn)、區(qū)組織的創(chuàng)客相關(guān)項(xiàng)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(xiàng)目

根據(jù)上級(jí)部門的創(chuàng)客節(jié)活動(dòng)方案，我們結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)Arduino校本選修課的進(jìn)度及學(xué)生掌握的水平和能力，再有針對(duì)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(xiàng)目研究培訓(xùn)，進(jìn)一步拓寬學(xué)生的視野，提升學(xué)生的思維和認(rèn)知能力。

（二）開展項(xiàng)目研究實(shí)踐

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

（三）編程測(cè)試改進(jìn)實(shí)踐

各個(gè)參賽隊(duì)伍通過編程調(diào)試，初步實(shí)現(xiàn)所制作作品的各項(xiàng)功能和目的。當(dāng)然，在測(cè)試過程中，成員要做好出錯(cuò)和完成情況的記錄，及時(shí)調(diào)整作品結(jié)構(gòu)，更有效、更好地完成創(chuàng)客項(xiàng)目的比賽要求。如小車循線創(chuàng)客項(xiàng)目，就是要利用Arduino掌控板、馬達(dá)和紅外傳感器完成小車的制作與控制程序的編寫以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)模擬街道實(shí)景地圖中快速、安全前進(jìn)到達(dá)終點(diǎn)的任務(wù)。此創(chuàng)客項(xiàng)目活動(dòng)，學(xué)生需學(xué)習(xí)掌握切割機(jī)軟件制圖設(shè)計(jì)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(duì)小車進(jìn)行場(chǎng)地測(cè)試，以達(dá)到最好的解決方案與作品。

又如馬拉松項(xiàng)目，使用活動(dòng)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(jì)等創(chuàng)作實(shí)物作品，如，趣味電子裝置、AI人臉識(shí)別、智能機(jī)器等。鼓勵(lì)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(shí)間內(nèi)完成作品后并分享演示和講解設(shè)計(jì)想法與所實(shí)現(xiàn)的功能。

（四）模擬比賽交流

在各隊(duì)伍的創(chuàng)客項(xiàng)目實(shí)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(dòng)，一方面，讓學(xué)生初步全方位感受自己所設(shè)計(jì)的Arduino創(chuàng)客作品的成果。另一方面，讓參賽隊(duì)伍通過模擬比賽更多地發(fā)現(xiàn)問題，待后續(xù)改進(jìn)。同時(shí)，訓(xùn)練學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)創(chuàng)客比賽心理承受能力和團(tuán)隊(duì)配合能力。

（五）賽后分享提升

歷經(jīng)Arduino創(chuàng)客項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)比賽活動(dòng)后，在選修課課堂上，教師讓每個(gè)參賽隊(duì)伍分享自己隊(duì)伍的比賽復(fù)盤，及時(shí)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(shí)賽場(chǎng)，進(jìn)一步分析每個(gè)隊(duì)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(dòng)實(shí)踐思考

Arduino校本選修課教學(xué)內(nèi)容源于生活真實(shí)案例，激發(fā)學(xué)生綜合應(yīng)用Arduino主控板、傳感器、LED、舵機(jī)、電機(jī)、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(shí)解決面向未來(lái)的真實(shí)問題，更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

項(xiàng)目式任務(wù)實(shí)踐探究，可以讓學(xué)生深刻體驗(yàn)一次次的失敗與成功，更有效地激發(fā)學(xué)生去主動(dòng)摸索多種可能的解決途徑。讓學(xué)生在項(xiàng)目中學(xué)習(xí)了解、體驗(yàn)、掌握PWM、Arduino電子元器件的針腳位置、基本電路連接等知識(shí)，逐步熟悉變量、循環(huán)語(yǔ)句等編程語(yǔ)言的規(guī)律，并且進(jìn)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(dòng)比賽是對(duì)Arduino校本選修課程教學(xué)內(nèi)容的拓展與升華實(shí)踐，但由于個(gè)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(jìn)學(xué)生個(gè)性化和能力快速成長(zhǎng)。

六、結(jié)束語(yǔ)

基于科創(chuàng)教育Arduino校本選修課的實(shí)踐探究，我們無(wú)論在課堂上，還是在課外的創(chuàng)客活動(dòng)中，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和能力方面都取得顯著成果。目前，還需要進(jìn)一步探索校本課程教學(xué)、活動(dòng)培訓(xùn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(shí)代跨學(xué)科知識(shí)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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