Arduino開(kāi)源硬件編程在初中校本課程中的教學(xué)探索與反思

◆鐘啟芳 史玲玲 劉家坤

(武漢第三寄宿中學(xué))

2015年9月，教育部發(fā)布《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)(征求意見(jiàn)稿)》，第一次將創(chuàng)客教育寫(xiě)進(jìn)我國(guó)教育五年規(guī)劃中，在教育界掀起一片探索STEAM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式的改革浪潮。為順應(yīng)這種社會(huì)發(fā)展和教育變革的要求，發(fā)揮創(chuàng)客教育在促進(jìn)基礎(chǔ)教育質(zhì)量提升、培養(yǎng)青少年動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維中的作用，筆者結(jié)合學(xué)校的實(shí)際情況，組建了學(xué)校的多學(xué)科創(chuàng)客教育教師團(tuán)隊(duì)，在學(xué)校開(kāi)始創(chuàng)客教育、STEAM教育的課程開(kāi)發(fā)和教學(xué)實(shí)踐探索。

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)。它利用各種各樣的傳感器來(lái)感知環(huán)境，并通過(guò)Arduino的編程語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)程序控制燈光、馬達(dá)、聲音等各種裝置來(lái)反饋、影響環(huán)境，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)完全的智能化控制。通過(guò)筆者的實(shí)踐研究，并結(jié)合初中生的知識(shí)水平層次和身心成長(zhǎng)特點(diǎn)，確定選用DR Robot公司生產(chǎn)的Arduino模塊化開(kāi)源硬件設(shè)備套件和北師大開(kāi)發(fā)的米思齊圖形化編程工具(Mixly For Arduino)作為學(xué)校校本課程應(yīng)用實(shí)踐的基本硬件和軟件設(shè)備。

筆者學(xué)校目前開(kāi)設(shè)的校本課程有選修課和社團(tuán)活動(dòng)兩大模塊，均由學(xué)校教師自主開(kāi)發(fā)。選修課為1學(xué)期制，每學(xué)期12課時(shí)，七八年級(jí)學(xué)生強(qiáng)制參加，時(shí)間固定；社團(tuán)活動(dòng)為1年制，每學(xué)期6課時(shí)，兩周一課時(shí)，感興趣學(xué)生自愿參加。結(jié)合Arduino開(kāi)源硬件編程課程特性，筆者選擇在學(xué)校已開(kāi)設(shè)的科技社團(tuán)進(jìn)行Arduino創(chuàng)客教育課程的實(shí)踐試驗(yàn)。

經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的籌備，筆者在自己開(kāi)設(shè)的社團(tuán)隨機(jī)選擇了20名自愿參加Arduino開(kāi)源硬件編程學(xué)習(xí)的七年級(jí)學(xué)生進(jìn)行了Arduino開(kāi)源硬件創(chuàng)客教育課程教學(xué)試驗(yàn)，且這些學(xué)生均有一定的電路基礎(chǔ)和焊接技能基礎(chǔ)。由于社團(tuán)活動(dòng)時(shí)間的開(kāi)放性和靈活性，筆者將Arduino創(chuàng)客教育課程分為Arduino編程基礎(chǔ)學(xué)習(xí)和項(xiàng)目式學(xué)習(xí)兩個(gè)部分，并分別設(shè)計(jì)有相應(yīng)的考核評(píng)價(jià)體系。

Arduino基礎(chǔ)學(xué)習(xí)采用集中授課任務(wù)式學(xué)習(xí)，共設(shè)計(jì)六課時(shí)，每課時(shí)45分鐘，兩周一次，學(xué)生自帶筆記本電腦和DF Arduino學(xué)習(xí)套件及擴(kuò)展套件，課程設(shè)計(jì)框架如表1所示，其中挑戰(zhàn)任務(wù)為學(xué)生自主選擇學(xué)習(xí)。

通過(guò)Arduino編程基礎(chǔ)學(xué)習(xí)課程的學(xué)習(xí)后，學(xué)生需要聯(lián)系實(shí)際生活進(jìn)行與Arduino開(kāi)源硬件相關(guān)創(chuàng)客教育類(lèi)的創(chuàng)意作品設(shè)計(jì)，并有一定時(shí)間嘗試編程調(diào)試自己的作品，然后完成《學(xué)生Arduino作品考核記錄單》和現(xiàn)場(chǎng)作品演講交流展示，被考核學(xué)生會(huì)對(duì)自我設(shè)計(jì)的Arduino作品進(jìn)行自我評(píng)價(jià)，小組成員也會(huì)對(duì)作品進(jìn)行小組評(píng)價(jià)，教師最后也會(huì)對(duì)作品提出考核意見(jiàn)，并從所有作品中遴選一部分優(yōu)秀作品進(jìn)行項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，以進(jìn)一步提升學(xué)生Arduino開(kāi)源硬件編程的綜合運(yùn)用能力和創(chuàng)新能力。

筆者所采用的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是學(xué)生自愿自主參加的綜合提高學(xué)習(xí)，學(xué)生自主選擇創(chuàng)客教育相關(guān)的課題研究項(xiàng)目，然后利用午休、周末等課余時(shí)間進(jìn)行深入研究學(xué)習(xí)，并完成相應(yīng)的項(xiàng)目研究小論文或項(xiàng)目展示作品作為學(xué)習(xí)效果考核。

學(xué)生通過(guò)六個(gè)課時(shí)的Arduino基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)，不僅熟悉了常見(jiàn)Arduino的開(kāi)源硬件和傳感器設(shè)備，而且也能掌握基于Mixly的Arduino編程設(shè)計(jì)基本技能，完成課程要求的基本學(xué)習(xí)任務(wù)，部分學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的學(xué)生不僅完成了挑戰(zhàn)任務(wù)的學(xué)習(xí)，有的還能掌握基于Arduino IDE的代碼編程設(shè)計(jì)，同時(shí)還能遷移學(xué)習(xí)其它開(kāi)源硬件控制器和傳感器。

在學(xué)期末，每位學(xué)生都完成了《學(xué)生Arduino作品考核記錄單》，詳細(xì)描述了自己的創(chuàng)意作品設(shè)計(jì)思路，然后在現(xiàn)場(chǎng)作品演講交流展示中，小組會(huì)對(duì)作品設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，在這種相互交流評(píng)價(jià)中，學(xué)生們向筆者反饋：都感到自己的想法被不斷完善，聽(tīng)他人的創(chuàng)意作品設(shè)計(jì)，自己的創(chuàng)意想法也會(huì)越來(lái)越多，創(chuàng)新思維也在這種碰撞交流中被不斷打開(kāi)，想把自己的創(chuàng)意作品“造”出來(lái)的想法也越來(lái)越強(qiáng)烈。而筆者認(rèn)為這些體驗(yàn)不僅會(huì)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)作興趣和熱情，而且也將為學(xué)生下一步進(jìn)行創(chuàng)意制作的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

在參與了Arduino編程基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)的學(xué)生中，部分學(xué)生自愿參與了項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，其中部分項(xiàng)目就是來(lái)自學(xué)生基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)的創(chuàng)意作品。學(xué)生從自主選題到設(shè)計(jì)完成一個(gè)智能控制系統(tǒng)調(diào)試，綜合能力和創(chuàng)新能力都得到了很大的提升，他們都表示這樣的完全自主學(xué)習(xí)、自主研究、自己創(chuàng)作的過(guò)程將讓他們終身受益。

通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在初中這個(gè)對(duì)學(xué)生影響關(guān)鍵的時(shí)期，嘗試進(jìn)行創(chuàng)客教育和STEAM教育的課程教學(xué)實(shí)踐探索是很有意義的，尤其是后期的項(xiàng)目式自主學(xué)習(xí)方式，能有效地提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和探究精神，為學(xué)生將來(lái)的終身學(xué)習(xí)和探究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但由于筆者受到課時(shí)限制的影響，所設(shè)計(jì)的課程并沒(méi)有涉及到基于Arduino的智能機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制，后期在課時(shí)允許的情況下，將做進(jìn)一步探索，并會(huì)繼續(xù)跟進(jìn)學(xué)生的項(xiàng)目式自主學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉旭東.校本課程與課程資源開(kāi)發(fā)[M].北京：中國(guó)人事出版社，2003.

[2]劉景福，鐘志賢.基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)(PBL)模式研究[J].外國(guó)教育研究，2002，(11).