王曉媛

摘要：信息技術教師在項目驅動的Arduino教學中，融入STEM教育理念，能培養(yǎng)學生的問題解決能力。本文首先對STEM教育和Arduino教學進行了簡單介紹，然后結合作者的教學實踐和思考提出了基于STEM理念的Arduino教學實施策略，最后羅列了在實際教學中還可以進一步完善之處。

關鍵詞：STEM；Arduino；教學實施策略

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2018）15/16-0135-05

當今科技發(fā)展日新月異，創(chuàng)客文化席卷全球，中學信息技術教育也緊跟時代發(fā)展潮流，新一輪課程改革倡導培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神、計算思維和實踐能力。傳統(tǒng)的教學科目一直存在著較為嚴重的“知識本位或技術本位傾向”，而現(xiàn)在所提倡的STEM教育，尤其是基于STEM理念的Arduino教學能夠培養(yǎng)學生的問題解決能力、團隊協(xié)作能力、實踐動手能力和設計創(chuàng)造能力，這恰恰是當前學校教育有待加強的部分。

STEM教育與Arduino教學

Arduino是一款開源軟硬件平臺，具有操作簡單、價格低廉、可拓展性強等特點。其教學旨在以Arduino控制板、傳感器和各種執(zhí)行器等硬件為載體，在創(chuàng)客空間的平臺下，融合STEM教育理念，培養(yǎng)學生的動手操作能力、想象力、創(chuàng)造力以及解決問題的能力。Mixly（米思齊）是一款為Arduino測控板編程的軟件，其編程界面與Scratch編程軟件、App Inventor軟件等有相似之處，其所具有的“能激發(fā)學生學習興趣、開發(fā)過程簡單、組件模塊豐富、支持即時調試”的特點，使得這款軟件可以適用于初中信息技術拓展類課程課堂教學。

Arduino的課程目標定位為培養(yǎng)學生綜合運用各種知識和技能，來解決各領域、各方面、各類型實際問題的能力。STEM教育理念則提供了重新審視傳感器等硬件使用方法教學和程序設計教學的視角。把STEM理念融入Arduino教學，強調將過程和方法置于復合的真實問題情境中，倡導將各個領域的知識通過綜合的Arduino課程結合起來，加強學科間的相互融合，發(fā)揮綜合育人功能，讓學生在真實情境下學習，在項目活動中應用多學科知識和技能解決問題或進行“創(chuàng)意智造”，從而有助于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

基于STEM理念的Arduino教學實施策略

Arduino教學總體來說是教師引導學生在面向真實問題解決的項目探究學習（Problem Based Learning and Project Based Learning）過程中，綜合運用各學科知識、相關技術、工程設計思想和科學研究方法來進行問題解決、創(chuàng)新設計與個性化制造，從而達到培養(yǎng)學生STEM素養(yǎng)、創(chuàng)新意識、計算思維和實踐能力的目的。在Arduino教學實施過程中，要以STEM理念為指導，巧妙運用各種策略來促進教學目標的達成和促進學生的綜合發(fā)展。

1.問題引導或項目驅動

教師在進行課堂教學時，應圍繞學生熟悉的問題開展教學。引導學生在完成具體項目的過程中學得知識、習得技能、發(fā)展思維或提高能力。不論是信息技術拓展課還是學生社團活動，以項目的方式開展教學，問題情境的生活化能夠使得知識與學生已有認知的距離感減弱，學生能夠置身于真實的生活情境中學習知識、解決問題、設計智造。

在Arduino教學入門課上，教師可以引導學生完成“交通信號燈制作”項目。此項目涉及到物理學中LED的特點及使用方法、程序設計中最基本的順序結構程序設計、對Arduino UNO板數字輸出端口進行高低電平設置和延時時間控制方法（如圖1）。這些知識屬于物理學和信息技術學科中較為基礎的知識，完成這一項目既能使學生獲得成就感，也能促使學生掌握最基本的硬件知識和編程技巧。

在實際教學中，應培養(yǎng)學生做生活中的有心人，發(fā)現(xiàn)生活中的問題，尋找項目創(chuàng)作靈感。例如，結合學校消防演習活動，可以完成“火災報警器”的制作。此項目用到的硬件為火焰?zhèn)鞲衅骱头澍Q器，涉及到程序設計中的選擇結構（分支結構），用到了Mixly軟件中的模擬輸入和串口監(jiān)視器的使用（如圖2）。這一項目主題來源于實際生活，并服務于生活，是一個很有意義的練習項目。

2.協(xié)同教學和協(xié)作學習

STEM理念倡導跨學科融合，現(xiàn)實問題的解決也常常要用到多個不同領域的知識，但學校開設Arduino課程的教師一般是信息技術教師。信息技術教師雖然具有程序設計和軟件使用方面的專業(yè)知識，但對物理、音樂等其他學科的知識并不精通。因此，在實際教學中，如果需要向學生傳授其他學科的專業(yè)知識，可邀請相關學科任課教師來給學生講授，這就是所謂的“協(xié)同教學”。不同的學生有自己所擅長的學科，Arduino課上的任務基本都是由小組協(xié)作完成的，教師在分組時應盡量做到使各學習小組“組內異質、組間同質”，一起研究，協(xié)作完成每個項目。

例如，“創(chuàng)意門鈴”（按下門鈴按鈕可以播放“兩只老虎”音樂）項目制作時雖然用到的電子元器件只有蜂鳴器和按鈕，但涉及到音樂（樂譜、音調、節(jié)拍）、物理（聲音的傳播、振動頻率與音調的關系）、信息技術（數組、函數的定義與調用）等多學科知識。在引導學生完成這一項目時，教師可邀請音樂教師等來給學生講授專業(yè)知識，也可以讓學生以完成課前任務的形式，以小組為單位主動去請教相關學科教師（如圖3）。

有時看似很簡單的一個項目，也要用到多門學科的知識。例如，“自動變速風扇”項目要求風扇的轉速根據人與其距離的變化而發(fā)生改變，這個項目用到了物理學中的摩擦力和紅外測距原理，也用到了數學中的映射，并且整個項目的難點在于映射的運用（如圖4）。

3.實踐應用與創(chuàng)意智造

總體來說，Arduino課程教學的開展就是基于問題解決，服務于實際生活。所以在教學實施時要注重實踐應用，并引導學生進行創(chuàng)意智造。通過研究性學習活動，給學生體驗知識、運用技能、設計作品、拓展思維、收獲能力的樂趣，傳遞反復迭代、精益求精的設計態(tài)度，讓學生愛上設計，愛上創(chuàng)造，愛上生活。

日常生活中，部分商店門口掛著迎賓娃娃，當顧客進入時就會說“歡迎光臨”。我們可以利用可調紅外傳感器開關設計一款個性化簡易迎賓儀（如圖5），當設備檢測到有人經過時，指示燈亮起并演奏迎賓曲。這就是一個比較基礎的實踐應用，在這一項目基礎上，還可以引導學生進行拓展延伸——制作一款倉庫入侵檢測裝置，當設備檢測到有人進入倉庫時提醒倉庫管理員及時查看倉庫監(jiān)控。

初中生對新鮮事物有較強的好奇心，也有著豐富的想象力和一定的創(chuàng)作欲望。例如，“空氣電子琴”是一個創(chuàng)意智造項目，其原理是用超聲波測距儀檢測手與傳感器之間的距離，通過數學運算將其轉化為1～7之間的一個音符，再通過蜂鳴器發(fā)出相應的聲音（如下頁圖6）。這一項目難度不算大，但很有趣味性，學生制作完成后也很有成就感。當然，創(chuàng)意智造項目應在學生學習過基礎硬件知識和編程技巧后，根據來源于生活的創(chuàng)作靈感，自己嘗試設計制作創(chuàng)意作品。

4.學科整合與綜合發(fā)展

近年來，各國開始重新審視全球化背景下的創(chuàng)新人才培養(yǎng)。有研究表明，將不同學科知識以割裂的方式進行教學，是教育界的常見弊端，STEM教育從誕生開始就擔負著克服這一弊端的重要使命，并促使STEM逐步進入教育各階段。Arduino教學應在STEM理念指導下，以現(xiàn)實問題為基點，將多學科、多個應用領域的知識和技能巧妙地融合在一起，設計好項目或課題來引導學生動腦思考、動手實踐，進而促進學生思維品質、創(chuàng)造能力的綜合發(fā)展。

例如，冬天的晚上，睡覺前想把燈關掉，而燈的開關卻在幾米外的門口，如果能用遙控器來控制燈的開關，會變得方便很多，基于此，可以設計制作一款“遙控燈”。要想完成這一項目，首先要了解常用紅外遙控系統(tǒng)中發(fā)射器和接收器的基本工作原理，還要綜合運用編程技巧（如圖7）。

5.在項目真實性與教學內容基礎性之間找到平衡

現(xiàn)實生活中，我們會遇到很多問題，然而，大部分真實項目會受到很多因素的制約，有些甚至要用科技前沿知識才能解決。而在Arduino教學實施時，教師要考慮學生的年齡特點、身心發(fā)展特點和他們已有的知識儲備，教學項目難度要落在學生的最近發(fā)展區(qū)內，太難或太復雜的研究項目不適合作為教學內容?？茖W知識、數學知識和程序設計知識都有一定的難度階梯，學生不能跨越較大的梯度來學習這些知識，因此，在實際教學中應在項目真實性和教學內容基礎性之間找到平衡。

例如，“樓道節(jié)能燈”的設計與制作（如圖8）就是一個兼顧項目真實性與教學內容基礎性的研究項目，用聲音傳感器檢測周圍環(huán)境聲音的響度，用光線傳感器檢測周圍環(huán)境的亮度，然后判斷是否響度較大且亮度較低，滿足條件時燈亮起，否則燈處于滅掉的狀態(tài)。

6.在課時有限性與探究耗時性之間找到平衡

不可否認，“中考”這根指揮棒在初中階段具有強大的導向作用，教育行政部門、各級各類學校都很重視初中學校中考升學率。信息技術、綜合實踐等非中考學科課時量較少，而一個真實的綜合項目的完成往往需要花費學生較長的時間，在Arduino教學實施中，處理好課時有限性與探究耗時性這一矛盾是很有必要的。

解決這一矛盾的途徑之一是設計復雜度適中的項目作為課堂練習任務。例如，“趣味抽獎轉盤”是用按鈕控制舵機隨機旋轉一定角度的電動抽獎器（如圖9）。這一項目只涉及到三個知識點：隨機數、舵機控制、中斷。

解決這一矛盾的另一個途徑，就是引導學生充分利用課內和課外時間。例如，“打地鼠游戲”是學生熟悉并喜愛的一款小游戲，以此作為探究制作項目，需要花費學生較多的時間。學生可以在課堂上完成“項目功能說明和解決方案的撰寫”，在課余時間小組合作完成項目，遇到問題時可向老師或同學求助。

Arduino教學中可以進一步完善之處

1.硬件配備與更新問題

Arduino UNO控制板和各種傳感器等設備的購買需要花費一定的資金，在支持開設拓展性課程的學校申請資金相對容易些，但在大部分學校申請經費可能會比較麻煩。教師可以通過申請課題和各種級別的創(chuàng)新實驗室項目來獲得科研經費。Arduino作為新生事物，發(fā)展速度非?？欤鞣N具有新功能的傳感器相繼問世，此外，為了支持學生創(chuàng)新研究項目的開展，也常常需要購買新的傳感器。教師如何通過各種渠道獲得研究經費也是一個值得思考的問題。

2.課時問題

基于STEM理念的Arduino教學比較注重項目實現(xiàn)過程中的問題解決和設計實現(xiàn)過程中的方法習得，這種探究性學習比較耗時，在總課時數不變的情況下，應盡可能申請兩節(jié)課連排。教師可以開通以分享Arduino作品為主的微信公眾號，利用各種網絡資源，支持學生課后的拓展性學習。

3.功利主義和錦標主義問題

Arduino課程的開展應以促進學生的全面發(fā)展為目標，應在一定程度上具有“普適性”。各種青少年科技創(chuàng)新大賽在某種程度上促使部分拓展課異化了發(fā)展學生核心素養(yǎng)的目標定位，部分比賽結果與中考加分相關，教師應避免功利主義和錦標主義在課程實施中出現(xiàn)。

小結

基于STEM理念的Arduino教學是教育改革和時代發(fā)展的產物，其所具有的整合性、實踐性、趣味性等切合了初中生的學習需求。通過改進教學策略，研發(fā)教學資源，Arduino教學能夠促進學生的全面發(fā)展。

參考文獻：

[1]楊曉哲.STEM與創(chuàng)客教育相關的概念溯源[J].中小學信息技術教育，2015（11）：19-20.

[2]王娟，胡來林.中小學Arduino機器人特性及其實例開發(fā)[J].中國教育信息化，2013（12）：69-71.

[3]余圣泉，胡翔.STEM教育理念與跨學科整合模式[J].開放教育研究，2015（4）：13-22.

[4]謝作如，謝賢曉.Arduino創(chuàng)意機器人入門——基于Mixly[M].北京：人民郵電出版社，2017.

[5]董澤華.試論我國中小學實施STEM課程的困境與對策[J].全球教育展望，2016（12）：36-42.