STEAM 視域下重構小學Arduino 創意編程課堂
——以“安全防疫距離監測小衛士”為例進行分析

◆廣東省深圳市坪山實驗學校 徐廣情 謝天俠

2017 年7 月國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》明確指出，在中小學階段設置人工智能相關課程，在人工智能中，核心的一環無疑是編程。在培養創新型人才的背景下，編程教育作為培養信息時代青少年基本素養的重要途徑，在全球范圍內得到了高度重視與廣泛普及。

目前，深圳、廣州等城市編程教學體系較為完善，兼具趣味性、啟發性和遷移性。廣東省小學信息技術教材中包含Scratch 和ArduinoScratch圖形化編程學習內容，Scratch 和ArduinoScratch 這兩款面向青少年的圖形化編程學習工具簡單易學，能夠綜合運用多門學科知識進行項目教學，符合STEAM 教育主張跨學科來培養學生綜合能力的教育理念。

STEAM 教育是指科學、技術、工程、藝術、數學多學科融合，幫助學生發現學科間內在聯系的教育，注重培養學生跨學科能力。小學信息技術教材中編程的內容編排注重各單元與不同學科知識結合，每節課要求重點講授不同的腳本，讓學生理解腳本邏輯，理解編程思維。

筆者通過研究STEAM 教育的核心理念與小學編程課堂特點，結合疫情防控的探索實踐，以“安全防疫距離監測小衛士”為例搭建基于STEAM教育的小學編程課堂，展開小學編程課堂整合多學科知識的綜合性研究。

一、項目原理

防疫期間，如何更好地保護自己？人們普遍做到了戴口罩、勤洗手，但是在出入相對密閉或人群聚集的場所時總忘記與他人保持一定的距離。安全防疫距離監測小衛士能有效提醒用戶與他人保持1 米以上的距離，避免與他人近距離接觸，潛移默化中做到主動配合疫情防控。

安全防疫距離監測小衛士利用超聲波檢測與障礙物之間的距離，超聲波傳感器是根據超聲波碰到障礙物會反射的原理設計的，通過記錄發射信號和接收信號之間的時間差來計算與障礙物之間的距離。

二、任務設計

教師以STEAM 教育理念為核心創設防疫距離監測的教學情境，引導學生分析防疫學習主題，進行ArduinoScratch 與Arduino 開源硬件交互學習和應用，增加同編程軟件進行交互的拓展模塊，增強與外部環境交互。

學生討論后在Arduino 開源硬件與ArduinoScratch 圖形化編程的基礎上利用結構積木、電子模塊、編程軟件等技術工具實現超聲波測距功能，通過控制燈光反饋或影響環境。為增強裝置效果，他們提出增設蜂鳴器拓展功能模塊，實現距離動態監測。他們大體上設計了兩種方案：1. 無聲裝置：當檢測到與前方物體距離小于1米時，LED 燈閃爍報警；2.有聲裝置：當檢測到與前方物體距離小于1 米時，蜂鳴器報警。

三、材料工具

軟件：圖形化編程軟件ArduinoScratch（在Scratch 軟件的基礎上增加了Arduino 模塊）

硬件：主控器AS-Board-A 測控板、傳感器模塊——超聲波測距模塊、執行件模塊——LED 燈模塊和有源蜂鳴器模塊、數據線材、電機、萬向輪、結構件和工具類硬件。

四、實施過程

安全防疫距離監測小衛士制作過程依據斯坦福大學設計學院歸納的設計思維分成五大步驟，執行裝置包括無聲監測裝置和有聲監測裝置。

1. 同理心思考

教師引導學生思考在哪些場合會與他人近距離接觸，可以收集相關信息或列舉親身經歷的例子，讓他們想一想：如果要避免這些情況發生，防疫防控從我做起，應該采取什么措施？

2. 需求定義

從學生的信息反饋中可以看出：搭乘公交、地鐵等公共交通工具，超市購物、進出電梯、排隊等候等情況下容易忽視安全距離的重要性。在收集調查信息的基礎上，提出及時避開密閉空間、避免在人群聚集地與他人近距離接觸這一需求，明確安全防疫距離監測小衛士項目的重要性。

3. 創意構思

學生根據“安全監測”的需求進行頭腦風暴，跳出思維局限，打破常規，提出各種金點子，比如制作成手環、項鏈、胸章，進行語音提醒、燈光閃爍等。

4. 模型制作

學生運用在信息技術學科中學習的圖形化編程知識和傳感器相關知識來制作簡單的模型，進行小規模的環境或過程的簡單模擬，比如設計無聲監測裝置和有聲監測裝置，或者集成這兩種裝置。

5. 測試

制作模型后，教師組織學生在不同的模擬環境下測試問題是否得到解決，需求是否得到滿足，記錄學生在測試階段產生的不同想法或新問題。這有利于重新定義問題需求，改進作品。

五、反思與評價

在安全防疫距離監測小衛士實際模擬情景中，學生配戴距離監測裝置，如果采用有聲裝置，就會大范圍影響大眾；如果采用無聲裝置，則提醒級別不是很高。

六、改進與完善

1.目前我校實驗室提供的超聲波傳感器檢測范圍有限，為0.5 米～2.5 米，所以在設計時設定1 米的測試距離。也可以根據傳感器來設定預測值。

2. 將提醒模式拓展設計為振動模式，支持手動切換提醒模式。

七、STEAM 要素對接

科學原理：安全防疫距離監測小衛士啟動后，利用超聲波傳感器有效監測與物體之間的距離，當距離超過預設值時，無聲裝置LED 燈關閉，有聲裝置的狀態是蜂鳴器不鳴叫；當距離較小時，無聲裝置LED 燈亮起，有聲裝置的狀態是蜂鳴器鳴叫，提醒人們與他人保持安全距離。

科學知識：LED 燈又稱發光二極管，可以將電能轉化為光能，具有低功耗、高亮度的特性，用于照明、信號指示等。蜂鳴器是通過電信號控制發聲的模塊，可以發出不同的音調。

技術難點：編寫實現程序腳本，設計組裝傳感器相關模式裝置。

設計思維：斯坦福大學設計學院歸納的設計思維。

工程應用：倒車雷達系統、危險地帶安全警報、機房重地安全警示等。

藝術化呈現：制作手環、項鏈、胸章等穿戴產品。

八、總結與思考

教師著重貫徹以ArduinoScratch編程為技術基礎， 重構信息技術課堂和機器人社團課堂，運用STEAM 教育理念，加入頭腦風暴、工程建模、藝術設計、創客造物等多學科融合環節，進行交互性情景教學，讓學生從重構課堂中獲得編程知識，培養創造性解決實際問題的能力，在“做中學”的過程中收獲編程樂趣。