中學Arduino創客課堂環境新生態探微

張冬冬 蔣曉敏

摘 要：為解決以開源硬件Arduino為載體的創客課堂施教過程中出現的一系列問題，文章采用行動法和文獻研究法，從硬件管理混亂、使用效率低、教師專業素養對接不準、網絡空間支持下自主學習欠缺、課堂教授方式固化、課堂評價方式單一等問題出發，探討了構建Arduino創客課堂環境新生態，為中學Arduino創客教育的普及與發展積累了豐富的經驗，使創客教育在課堂教學中得到可持續發展。

關鍵詞：Arduino;創客;課堂環境新生態

中圖分類號：G434 ? ? ? ?文獻標志碼：B ? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2020）12-0039-05

課堂環境新生態是指在教學中，與教學活動有關的自然環境、社會文化環境、人際關系環境、心理環境等相互作用產生的生態關系，形成一個有機整體。在課堂環境新生態中，只有參與者、教學設施、課程載體、課程內容、學習方式等因素達到教育生態平衡，才能有效促進教學目標的完成和教育理念的普及與延續。

一、Arduino開源硬件的創客課堂環境建設

1.硬件準備與分類

我校在信息技術創客課堂中使用的是定制的“Arduino開源硬件創客教育套裝”，這個套裝的硬件配備比較齊全，其中包括擴展板、Arduino Nano3.0、Dh11溫濕度傳感器模塊、震動模塊、光敏電阻模塊、蜂鳴器、聲音傳感模塊、130馬達、RGB模塊等傳感模塊和相應配件（見圖1）。套件中配件和模塊的數量較多，在現實中實現的功能也比較分散，如果以整套配件應用到課堂教學中會影響課堂管理，而且當前中山市中學生接觸Arduino開源硬件的比較少，學生對設備不了解，可能損壞、丟失設備，對新事物的興趣會造成學生可能不會按照課堂管理的程序進行學習等因素，從而影響教學的正常開展[1]。

為了解決創客套件準備的問題，需把所有創客套件進行分類整合：第一類，以小組順序編排的套件盒子，里面是根據近期課程的進度放置好對應的模塊。第二類，以模塊種類進行分類，以模塊名稱為標簽，重新裝盒。這樣就方便后期模塊的補充和配件的更換。創客套件的分類整合不僅滿足了創客課堂的需要，也為創客設備的管理找到了捷徑（見圖2）。

2.軟件介紹與應用

Arduino是通過模塊，像溫濕度、人體紅外、超聲波等傳感器來感知世界的，而通過LCD、LED、舵機等裝置的反應來影響外部環境。這些感知和反饋都要通過Arduino程序語言控制這些模塊之間功能的協調來實現，之后把設計好的程序燒錄到Nano控制板，所以程序是硬件的靈魂，它決定了硬件以何種方式工作。

Arduino IDE是開源硬件Arduino的編程軟件，可以用它編寫程序，其語言基礎是C/C++，不用太多單片機的知識。但對于沒有接觸過C/C++的學生來說，還有一款圖像化編程軟件名為Mixly，是由北京師范大學教育學部創客教育實驗室的師生共同開發的，它是基于圖形化的語言，通過各種圖形的搭建實現程序的編寫，為學生的程序編寫帶來了很大的便利，又能培養學生的編程思維，實現了人人都能寫程序，程序人人都能懂的目的。目前該軟件支持大部分Arduino的硬件型號。

在創客課堂的普及上，我們選擇用Mixly軟件編寫程序，窗口中用圖形編寫程序的同時還自動生成Arduino代碼，可以對照著圖形學習Arduino程序，界面如圖3所示。

3.創客課堂的設施設備

信息技術創客課堂要配備的設施設備，除了電腦桌椅、網絡多媒體計算機、投影儀、功放音響、電子教鞭、課堂管理軟件等之外，還要根據創客理念、創客課堂的特點等因素，對課堂的設施設備進行科學合理的需求評估，對影響課堂管理效果的設施設備進行增加或調整，對新加入的設備深入研究，使其功能在創客課堂教學中發揮到極致，具體設施如表1所示。

開源硬件創客課堂部分增加設施設備介紹以及在創客課堂管理中的功能體現具體如下：

（1）創客配套工具

創客課堂中所用到的輔助類工具，主要分為機械類、儀表類和粘合類，常用的有螺絲刀、小鉗子、扳子、尺子、電路測量儀器、熱熔槍、卡紙等工具。這些工具的應用可以增加課堂創作的效率。

（2）課堂直播教學設備

能進行視頻直播的設備很多，效果和功能也不盡相同。在課堂教學實踐中，我們應用了一款移動直播設備——微軟的“無線顯示視頻適配器V2”（如圖4所示），該設備不但體積小巧，而且只有HDMI和USB兩個接口，HDMI實現同屏屏幕的視頻接入，USB口進行供電，它使用的是Wi-Fi無線傳輸技術，實現屏幕與屏幕之間的傳輸，因此不受某些應用的限制。這個設備可以接到投影儀、一體機、電視機、顯示器等用來演示的大屏幕上，要同屏的設備可以是筆記本電腦、平板電腦或者是智能手機。

在創客課堂上使用的是智能手機或者平板電腦，連接同屏設備和移動端同屏，用移動端的攝像頭進行創客課堂直播，利用可移動設備靈活方便的特點，進行教師Arduino技術操作的直播、學生創客過程精彩瞬間的直播、學生操作不規范的直播、學生創客作品的分享直播等。直播的應用為Arduino創客課堂管理增色不少。

（3）自動課堂錄制系統

根據本校創客課堂設備的配備需求，在原有信息技術課堂中加裝了 “4K教學錄播系統”，這套系統是由1個教師攝像機、1個雙目學生攝像機、1臺錄播主機、1個教師主控端、2個拾音器和配套軟件構成，能實現教師全景、教師特寫、學生特寫、教室全景、電腦畫面的錄制，而且這些鏡頭能自動跟蹤，按照課堂角色執行任務的先后進行鏡頭的切換，最終自動合成課堂活動的整個過程。

該系統區別于傳統課堂錄制的特點是，全程不用輔助人員進行協助，既避免了前期的錄像，也省去了后期的編輯，授課教師通過主控端的一鍵錄制按鈕就可開啟錄制，不僅能滿足創客課堂教師進行常態性課堂視頻錄制，而且平時的課堂管理也培養了在場的學生、提高了自己的教授能力，同時也為以后要進行創客課堂教學的教師提供了可借鑒的經驗，為創客課堂管理模式的推廣打下了基礎，如圖5所示。

4.小組劃分與座位編排

開源硬件的創客課堂是以微項目式的教學貫穿整個教學過程，學生的座位編排以小組為單位，本校的電腦桌和黑板是垂直式排列的，按照這種排列方式對學生進行編組入座，每組以3人為限，根據“同組異質、異組同質”的原則，安排男女生間隔一條龍座位表，每排座位結束處不足3人的獨立成小組，正常以每小組中間座位的組員為小組長，負責創客套件的收發等管理工作。

小組成員分工根據成員的特長自主選定，在Moodle平臺中填寫“創客課堂項目小組任務方案”，任務明確后，不得隨意更改個人任務。小組的分組方法是在Excel中進行的，拿到班級名單后按性別排序，添加一個輔助列，在輔助列中分別對“男”“女”性別進行奇數和偶數填充，如1、3、5……和2、4、6……再按輔助列進行升序排列，這樣就實現了男女間隔，最后呈現給課堂中學生的為男女生間隔，且紅色標記的為小組長，課堂座位的編排一目了然，實現了課堂紀律管理的以大化小，學生特點的相互補充，具體如表2、3所示。

5.創客課堂準則

具體準則如下：①按小組編排對號入座，沒有特殊原因不得調換座位。②小組組長有分配項目任務的權利，且要負責小組秩序和設備的分發和回收。③每位學生都要愛護課堂設施設備，故意損壞者要加價賠償，搭建Arduino套件時要在斷電狀態下進行。④課堂中禁止任何和網絡游戲有關的活動。⑤離開課堂前自覺擺放好鍵盤和凳子。⑥下課前請自覺退出Moodle登錄賬號和網絡認證賬號。

二、教師自我能力的提升

一門新課程的開設，不僅包含著新知識、新教法、新經驗、新應用、新目標，而且還包括新理念和新管理。教師不僅僅要鉆研學習、深入實踐，更要走出去、請進來，去創客示范學校多交流、多見識，請專家教師講授Arduino專業知識、課堂管理的經驗和常見問題，不斷開拓自己的視野，提高自己的專業素養。并帶動其他教師一起了解Arduino開源硬件創客課堂，一起研究開源硬件的專業知識，一起探討創客課堂管理經驗，逐步形成開源硬件創客課堂研究的“共同體”，利用集體智慧提升團體的專業能力。

除此之外，還要進行課外興趣班的組建和培養，以參加創新創客大賽為支點，以培養學生創新創造能力為目的，以影響創客課堂文化為前提，讓在創客方面有興趣、有特長的學生得到充分發展。這樣就形成了創客課堂課上普及、課外突破的好局面。教師自己也在課堂管理和教學實踐中得到提升。

三、Arduino創客課堂環境新生態初步形成

1.教師專業素養要先行

在創客課堂管理過程中，教師是參與者、引導者、鼓勵者，教師的專業素養直接影響著課堂管理的效果。創客課堂把自主權交給了學生，但中學階段的學生各種行為觀念還處在形成變化的不穩定階段，而且信息技術課程的性質、課程內容的興趣度、相對自由的互聯網環境等都增加了課堂管理的難度，所以教師的專業素養顯得至關重要。

首先，教師要有眼界，要站在把握創客課堂全局的高度，引領課堂管理的理念、瞄準課堂管理的方向、明確課堂管理的目標;其次，教師要具備專業的信息技術實戰能力，要對開源硬件Arduino創客課程有足夠的了解，才能把握好課程知識體系和重難點。這些重難點往往就是課堂學習的“十字路口”，教師的指引猶如黑夜中為學生點亮了一盞明燈;最后，教師要有對課堂的把控能力、生動有趣的語言親和力、隨機應變的協調能力、科學合理的組織能力等，都能影響到課堂管理的效果。

開源硬件Arduino才剛剛走入中學課堂，要對創客課堂管理的教師制定專業的發展計劃，多交流、常研學、深實踐，讓教師的專業素養提升走在課堂管理的前面。

2.合理的項目式教學內容設計

開源硬件Arduino創客是信息技術課堂中的新課程，《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》的課程結構中第一次把“開源硬件項目設計”寫入了選擇性必修模塊，但是相應配套教材還沒出版，這樣對項目式教學內容的設計增加了難度。我們在走訪開源硬件實驗學校、參加開源硬件的專題培訓、購入開源硬件Arduino創客套件進行深入研究基礎上，根據課程標準的要求，認真考慮本校學生層級、教學環境等情況，研發了基于Moodle平臺的Arduino創客校本課程，課程開發的思路遵循程序設計學習的一般規律，以微項目為主要課程內容承載方式，注重課程知識體系之間的聯系、注重微項目的興趣性和完成度。例如，從創客的源淵說起，順序結構—會跳舞的LED燈，選擇結果—制作一個“暗號”門鈴，循環結構—想起美妙的曲子，認識傳感器完成自主項目，開發有創新點的智能家居等課程內容設計。

3.期待更好用的Arduino電子硬件的誕生

在本校的課堂實踐中，筆者發現Arduino開源硬件還存在以下一些不足之處：

首先，拿在手中的擴展板和各種模塊都是裸露的電路，開課初期出現了大量擴展板微處理器被燒壞的現象，這種現象的出現可能是操作不當、短路、電子設備質量問題、電路板設計缺陷（沒有電路保護開關）等問題，后來在實踐中發現大多是因為帶電插拔模塊造成的。

其次，Arduino開源硬件的引腳插線問題，數字和模擬引腳分別由G（底線）、V（電壓）、S（控制）三根針構成，而且之間距離很小，這樣就給插線帶來了難度，在考驗學生耐力的同時也浪費了時間。如果設計成熱插拔的標準接口，就可以把連線的精力放到創意和程序設計方面，這種更人性化的電路板設計相信很快就會有。

4.培養良好的課堂秩序

課堂秩序也是影響課堂管理效果的重要因素，課堂是學生和教師的雙邊活動，好的課堂秩序能為教師的課堂發揮提供有力的條件，也能培養學生自律的習慣。課堂紀律、學生合理的座位編排、師生積極的課堂交流、生生深入的協助分享等，都是影響課堂秩序的因素。

夸美紐斯在《創建紀律嚴明的學校的準則》一文中提到：準則制定出來不是供人欣賞，而是要被切實地執行才能起到作用。[2]影響課堂紀律的因素很多，但課堂紀律準則的嚴格執行能最有效地維持課堂紀律。根據男生易動、實踐操作能力強和女生易靜、思維縝密的特點，把男女生隔開編排座位，并分小組且指定小組長，小組長負責本組Arduino開源硬件的管理和小組組員職責的分工。鼓勵學生大膽地提出問題，創造和諧的課堂氣氛。良好課堂秩序的養成重在遵循課堂管理準則的前提下，多鼓勵、多引導，提高學生從“他律”到“自律”的轉變。

5.用直播的方式點評，增強課堂的互動性和趣味性

美國學者沃勒在研究教學過程中的師生關系時，強調師生關系是一種制度化的“支配—從屬”關系，彼此之間含有潛在的對立情感，不斷進行著權力斗爭。[3]課堂中有趣真實的互動可以烘托課堂氣氛，拉近師生關系，提升學生的自信，改善這種潛在的對立關系。

Arduino創客課堂中存在很多有趣的創作瞬間，把這些瞬間用移動終端進行實時直播，比如：某個小組有了新奇的模型搭建，某個學生編出了高效的程序，某個小組完成了項目制作，某個學生犯了嚴重的錯誤等等問題，都可以用直播的方式展現到課堂中，直觀、高效、生動地總結了課堂中學生作品的優缺點，讓課堂的評價更靈活、更能被大家接受。

6.多元的課堂評價方式，促進每個學生的發展

及時客觀的課堂評價，能給學生的學習帶來很大的幫助，對學生的創客課堂進行多角度的評價，不僅有教師的評價，也讓學生參與其中。不僅有實踐作品的評價，同時也有Moodle平臺下理論知識點的測評，作品評價和知識性評測按照一定的比例構成了本項目的評價?？偨Y性評價也不僅僅是由學期末最后一次課堂中的項目評價而定，而是在課堂教學中每次項目評價的平均分。最終形成以教師評價、學生自評、學生互評、Moodle在線評測相互結合的評價方式。這樣在整個課堂活動中，讓學生參與到自評和互評中，充分發揮學生在課堂中的主觀能動性，在互評的過程中也培養學生發現問題、解決問題的能力，同時可以互動交流、增進友情。

7.鼓勵學生用課堂作品參加科技創新創客大賽

鼓勵學生參加科技創新創客大賽，參加大賽的過程就是學生綜合素質提升的過程，不僅有利于創客課堂中學生對自己的嚴格要求，課堂學習氛圍的提升，而且能讓學生和課堂產生更大的默契，用榜樣的力量激勵學生，產生學生影響學生的現象。獲獎的學生增加了實戰經驗，也為創客課堂的可持續發展貢獻了力量。

參考文獻：

[1]張冬冬.Moodle平臺支持下的高中Arduino創客教學模式探索及實踐[J].中國教育信息化，2020（4）：39-42.

[2]汪辰欣.如何看待課堂紀律——夸美紐斯論紀律的啟示[J].學理論，2013（20）：227-228.

[3]李國強，周月朗.關于教師權威功能的主要理論取向之審視[J].湖南人文科技學院學報，2004（5）：129-132.

（編輯：李曉萍）