Arduino開源硬件編程在初中校本課程中的教學探索與反思

鐘啟芳 史玲玲 劉家坤

【摘要】在教育界掀起一片探索STEAM教育、創客教育等新教育模式的改革浪潮中，結合初中生的身心成長特點及所在學校的實際情況，設計了基于Mixly圖形化編程軟件的Arduino開源硬件創客教育課程，并利用學校校本課程進行了教學實踐探索試驗，取得了不錯的教學成果。

【關鍵詞】Arduino開源硬件校本課程教學探索2015年9月，教育部發布《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見（征求意見稿）》，第一次將創客教育寫進我國教育五年規劃中，在教育界掀起一片探索STEAM教育、創客教育等新教育模式的改革浪潮。為順應這種社會發展和教育變革的要求，發揮創客教育在促進基礎教育質量提升、培養青少年動手能力和創新思維中的作用，筆者結合學校的實際情況，組建了學校的多學科創客教育教師團隊，在學校開始創客教育、STEAM教育的課程開發和教學實踐探索。

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，包含硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（Arduino IDE）。它利用各種各樣的傳感器來感知環境，并通過Arduino的編程語言來編寫程序控制燈光、馬達、聲音等各種裝置來反饋、影響環境，進而實現完全的智能化控制。通過筆者的實踐研究，并結合初中生的知識水平層次和身心成長特點，確定選用DR Robot公司生產的Arduino模塊化開源硬件設備套件和北師大開發的米思齊圖形化編程工具（Mixly For Arduino）作為學校校本課程應用實踐的基本硬件和軟件設備。

筆者學校目前開設的校本課程有選修課和社團活動兩大模塊，均由學校教師自主開發。選修課為1學期制，每學期12課時，七八年級學生強制參加，時間固定；社團活動為1年制，每學期6課時，兩周一課時，感興趣學生自愿參加。結合Arduino開源硬件編程課程特性，筆者選擇在學校已開設的科技社團進行Arduino創客教育課程的實踐試驗。

經過一定時間的籌備，筆者在自己開設的社團隨機選擇了20名自愿參加Arduino開源硬件編程學習的七年級學生進行了Arduino開源硬件創客教育課程教學試驗，且這些學生均有一定的電路基礎和焊接技能基礎。由于社團活動時間的開放性和靈活性，筆者將Arduino創客教育課程分為Arduino編程基礎學習和項目式學習兩個部分，并分別設計有相應的考核評價體系。

Arduino基礎學習采用集中授課任務式學習，共設計六課時，每課時45分鐘，兩周一次，學生自帶筆記本電腦和DF Arduino學習套件及擴展套件，課程設計框架如表1所示，其中挑戰任務為學生自主選擇學習。

通過Arduino編程基礎學習課程的學習后，學生需要聯系實際生活進行與Arduino開源硬件相關創客教育類的創意作品設計，并有一定時間嘗試編程調試自己的作品，然后完成《學生Arduino作品考核記錄單》和現場作品演講交流展示，被考核學生會對自我設計的Arduino作品進行自我評價，小組成員也會對作品進行小組評價，教師最后也會對作品提出考核意見，并從所有作品中遴選一部分優秀作品進行項目式學習，以進一步提升學生Arduino開源硬件編程的綜合運用能力和創新能力。

筆者所采用的項目式學習是學生自愿自主參加的綜合提高學習，學生自主選擇創客教育相關的課題研究項目，然后利用午休、周末等課余時間進行深入研究學習，并完成相應的項目研究小論文或項目展示作品作為學習效果考核。

學生通過六個課時的Arduino基礎課程學習，不僅熟悉了常見Arduino的開源硬件和傳感器設備，而且也能掌握基于Mixly的Arduino編程設計基本技能，完成課程要求的基本學習任務，部分學習能力強的學生不僅完成了挑戰任務的學習，有的還能掌握基于Arduino IDE的代碼編程設計，同時還能遷移學習其它開源硬件控制器和傳感器。

在學期末，每位學生都完成了《學生Arduino作品考核記錄單》，詳細描述了自己的創意作品設計思路，然后在現場作品演講交流展示中，小組會對作品設計進行評價，在這種相互交流評價中，學生們向筆者反饋：都感到自己的想法被不斷完善，聽他人的創意作品設計，自己的創意想法也會越來越多，創新思維也在這種碰撞交流中被不斷打開，想把自己的創意作品“造”出來的想法也越來越強烈。而筆者認為這些體驗不僅會激發學生的創作興趣和熱情，而且也將為學生下一步進行創意制作的項目式學習打下基礎。

在參與了Arduino編程基礎課程學習的學生中，部分學生自愿參與了項目式學習，其中部分項目就是來自學生基礎課程設計的創意作品。學生從自主選題到設計完成一個智能控制系統調試，綜合能力和創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習、自主研究、自己創作的過程將讓他們終身受益。

通過實踐發現，在初中這個對學生影響關鍵的時期，嘗試進行創客教育和STEAM教育的課程教學實踐探索是很有意義的，尤其是后期的項目式自主學習方式，能有效地提高學生的創新能力和探究精神，為學生將來的終身學習和探究打下堅實的基礎。但由于筆者受到課時限制的影響，所設計的課程并沒有涉及到基于Arduino的智能機器人設計與控制，后期在課時允許的情況下，將做進一步探索，并會繼續跟進學生的項目式自主學習。

參考文獻：

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[2]劉景福，鐘志賢.基于項目的學習（PBL）模式研究[J].外國教育研究，2002，（11）.