冰潔

從“錢學森之問” “卡脖子技術”“強基計劃”這些高頻詞匯，不難看出中國一定要培養(yǎng)出一批有志向、有興趣、有潛能的青年學生來滿足國家重大戰(zhàn)略領域人才的需求。

一些大學、中學甚至小學已經在拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)方面進行了有效嘗試與多樣化的探索，并取得了初步成效。

小學階段拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的本質是創(chuàng)新人才的早期識別與培養(yǎng)。2011年，成都師范銀都小學（以下簡稱“銀小”）本著立足高新區(qū)，放眼全世界，走國際化發(fā)展道路的原則，與英國“2011全英杰出學校”Coten End小學聯(lián)合向英國大使館文化教育處成功申請“中英友好課程共建項目”（英國大使館文化教育處全球教育項目之一），并把它作為學校內涵發(fā)展項目進行實踐，逐步推進拔尖創(chuàng)新人才的早期識別與培養(yǎng)。

一、圖形編程奠定早期識別培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才基礎

在學校內涵發(fā)展項目支撐下，我校信息組所做的第一項課程改革便是開設面向全體學生的STEM常態(tài)化課程。2011年，幾乎還沒有小學在選修課、特長隊開展編程教育，我校卻面向全校學生常態(tài)化開設圖形化編程課，這是因為創(chuàng)新不是少數(shù)人特有的能力，編程課必須面向全體，關注個體差異。如果不面向全體學生，不常態(tài)化開課，是不能更好地識別出拔尖創(chuàng)新人才的，因為多數(shù)人的潛能、志向猶如礦藏資源，埋得深，不易識別，更談不上培養(yǎng)了[1]。

圖形化編程入門簡單，操作容易，制作過程很有趣，生成的作品多樣。低段小學生就可以毫不費力地將表示代碼命令的圖形塊，像搭積木一樣拖拽到一起來表達想法或實現(xiàn)特定功能。課程讓小學生把編程當作感知世界、理解世界的一種工具，在潛移默化中形成計算思維，培養(yǎng)學生的觀察能力、想象力、邏輯思維能力、創(chuàng)新能力和反思能力，識別拔尖創(chuàng)新人才。

二、Arduino課程支撐早期識別培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才重任

1. Arduino平臺

Arduino硬件平臺可以連接各種傳感器及執(zhí)行器，人們通常借助軟件編程平臺對Arduino硬件編程，實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測與影響，或者開發(fā)各種互動項目[2]。作為教學的載體，Arduino硬件價格低，傳感器及LED、顯示屏、馬達、舵機等執(zhí)行器的通用性強，投入小，入門快，能夠面向全體學生，實現(xiàn)綠色持續(xù)發(fā)展。我校選用的是Arduino UNO硬件。

Arduino除了硬件，還有代碼編程軟件平臺，但因軟件平臺的專業(yè)性較強，我校選用了北京師范大學傅騫老師團隊的Mixly軟件平臺，這款軟件可以用搭建積木的方式對硬件編程，降低了技術門檻。

2. Arduino課程設置

我校在保證圖形化編程基礎性的同時，為不同發(fā)展方向的學生提供有選擇的課程，重點推出Arduino智能硬件課程，形成全校STEM、人人皆創(chuàng)客的氛圍，在校園的每一個角落營造歸屬感，保證每個學生在課堂上都有動手實踐的機會，保障無論課上課下人人都有成功的可能，促進每個學生的個性化發(fā)展。

學校的課程設置要基于學生的現(xiàn)實，為未來的發(fā)展做準備。具體做法是從學校的實際情況出發(fā)，在先進的教育理念指導下，以優(yōu)秀的教師團隊為引領，充分考慮學生的求知需求、興趣愛好，以學生最喜歡的編程學習和科學實驗為切入點，結合各類開源硬件和材料，以項目學習為主要學習方式，融合科學、技術、工程、藝術和數(shù)學等領域的知識開展Arduino課程的建設。我校信息組精選重組課程內容，以學科大概念為核心，使課程內容結構化，逐步形成完善的課程體系，以主題為引領，以情景化為明線，以核心素養(yǎng)的落實為暗線，強調融合性，鼓勵團體協(xié)作式學習，充分培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神、創(chuàng)造性思維以及解決實際問題的實踐能力，嘗試用Arduino智能硬件等將創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實。

3. Arduino課程實踐

我校信息組研發(fā)了“六段雙環(huán)CIA教學模式”（見圖1）?！傲巍保褪且搿愂觥７隆獎?chuàng)新—評估—拓展?！半p環(huán)”，是指小組合作—團隊分享。其核心為“CIA”，即模仿—創(chuàng)新—評估。

課堂僅僅是一個引子，精彩在學生的生活中。Arduino課程教師常常在課后留下一些選做的拓展小實踐任務，既不給普通學生增加認知負擔，又能引發(fā)具有創(chuàng)新潛質的學生的探索欲。拓展的任務不那么具體，而是較為模糊，這樣有助于學生對問題、標準、約束進行自由解讀，從而在鉆研問題的過程中形成各種各樣的解決方案。從生活實際建立與抽象知識的連接，進一步促進創(chuàng)新性思維的形成。例如，我校五年級學生孫銘涔在課上習得批判性思維，放學后不斷審視筆筒與臺燈的利弊，利用Arduino課程中學到的聲音傳感器技術，結合彈簧的彈力，多次進行工程設計，3D打印“聲控彈筆筆筒式臺燈”，在成都市科技創(chuàng)新大賽中獲獎。后來銘涔進一步研究改進，撰寫文案，獲得國家專利。

科技創(chuàng)新大賽旨在培養(yǎng)青少年的創(chuàng)新精神和實踐能力，提高青少年的科技素質[3]。這與我校早期識別與培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才的機制有著異曲同工之妙。同學們很快就發(fā)現(xiàn)在生活中，甚至在已有設備、已有技術的基礎上進行小改進、小發(fā)明也屬于科技創(chuàng)新的范疇。他們不斷感知新型的科技與生產方式，然后自己嘗試去對生活做一些改變。

我校六年級學生劉欣瑜在看新聞的時候，了解到河北張家口發(fā)生的交通事故：司機將車停在非機動車道后離開，坐在后排的妻子突然打開左側車門，后面一輛電動車躲避不及，被車門撞翻，騎車人經搶救無效死亡。類似的交通事故在全球時有發(fā)生，雖然不是每次都會造成人員傷亡，卻暗藏兇險，不得不防。她在查新之后，利用Arduino制作一款車門報警裝置。這個裝置既可以在打開車門前提醒車內人員觀察車外情況，又可以提醒車外人員避讓，防止路過行人及車輛撞上車門。

第一步：準備好材料。包括Arduino UNO板、超聲波傳感器（2個）、MP3模塊（內置SD卡，里面保存三個通過語音轉換軟件得到的提醒語音）、揚聲器、無源蜂鳴器、按鍵模塊（2個）、杜邦線、奧松板等。第二步：通過Mixly軟件編寫程序，實現(xiàn)當司機打開前門時按鍵被觸發(fā)，揚聲器先對外播放第一段提示語音，同時超聲波傳感器會對前門外部情況進行檢測，如果檢測到后方有車輛駛來，播放第二段提示語音提醒此時勿開車門;如果沒有車輛駛來，則播放第三段提示語音，告知此時可以打開車門。第三步：復制相同程序，賦予位于后門的按鍵與超聲波傳感器。第四步：用3D打印或激光切割技術完成汽車外殼及能開合的門的制作，固定好Arduino智能硬件，形成完整作品。第五步：撰寫專題報告，總結反思，準備展示及答辯等。最終，此作品獲得成都市科技創(chuàng)新大賽一等獎。

說起來容易，其實在實踐過程中，欣瑜經歷了各種失敗與挫折。比如，在制作車的模型時，一開始她只做了一個簡易版的車門模型，模型很小，光是按鍵就把車門全部蓋住了，安裝傳感器非常不方便，而且沒有車頂和車底，無法讓人認出是車，只好重新做。她從網上搜索并下載了一個汽車側面的素描圖，根據(jù)素描圖做了一個相對完整的大一些的模型。在繪制側面圖的時候，發(fā)現(xiàn)車頂是流線型的，一塊一塊的木板無法直接做出車頂，幾經周折找到了一種折彎結構，將堅硬平直的木板變成可以彎曲的柔軟結構，鋪在車頂上，這樣車輛模型才算完成（見圖2）。

欣瑜的同班同學楊錦成在網上看到深圳福田發(fā)生的一起高空墜物事件：住宅樓20層的玻璃窗墜落，砸中樓下男童，導致男童死亡。錦成感覺這不是個例。隨著人口密度的增加，在高樓林立的城市里，高空墜物成了常見的“城市病”。他想在靠近地面的挑檐上安裝一個高空墜物攔截裝置，這個裝置可以在檢測到有高空墜物時發(fā)出警報，提醒附近行人，并快速對墜物進行攔截，以降低高空墜物的危險性，減少人員傷亡，同時在液晶屏顯示墜物的樓層數(shù)，幫助公正處理民事糾紛。

錦成先準備好Arduino UNO板、舵機、激光傳感器、揚聲器、液晶屏、按鍵、時鐘模塊、太陽能光板、面包板、杜邦線、電池等，將此裝置分為五步進行搭建。第一步，將兩個激光傳感器接到Arduino UNO板，檢測有無墜物。第二步，將兩個180°舵機連到Arduino UNO板上，粘上一個泡沫板，插上一根木棒當穩(wěn)定軸進行墜物攔截。第三步，將揚聲器焊好，線接到Arduino UNO板上，進行報警。第四步，將液晶屏連接到Arduino UNO板上，顯示計算出的樓層數(shù)。第五步，將按鍵連接到UNO板上，工作人員清理完墜物，按下按鍵，裝置收回墻體（見圖3）。接著在Mixly平臺進行編程，錦成一時間不知道該如何寫計算樓層的程序，在網上搜了各種自由落體的物理公式，包括重力加速度原理等，費了很大的工夫，終于在程序上通過公式實現(xiàn)了算法。最后打造場景設定的外觀，使用Lasermaker激光切割設計軟件畫出房子的圖紙，用激光切割機切割出來，并拼接組合成一個模擬的高樓，把已經搭好的硬件，用膠槍和焊接槍固定好。錦成還不忘利用高層陽光充沛的特點，使用太陽能光板給電池充電，達到環(huán)保持久的目的。這一設計也獲得成都市科技創(chuàng)新大賽一等獎。

我校四年級學生趙湘琳，先后學習了創(chuàng)新實踐、計算思維、創(chuàng)意編程、Arduino創(chuàng)客、3D打印、STEM課程，積極申報了特長隊訓練活動，在成都市創(chuàng)客大賽中一舉奪取五個一等獎，包括創(chuàng)想畫、圖形化編程、小創(chuàng)客方案、Arduino、人工智能五大領域。這些賽事激發(fā)了她對生活的好奇心，并在好奇心的驅使下不斷解決問題，逐漸養(yǎng)成創(chuàng)新型人格。趙湘琳積極參加學校組織的各項科創(chuàng)活動，經中國教科院全國初賽、決賽層層遴選，代表學校赴北京參加全國創(chuàng)造大賽，在中國科學院大學為期兩天半的創(chuàng)客馬拉松賽事中成為最具創(chuàng)新精神的小學生之一。隨后她通過遴選，代表學校赴北京中國宋慶齡青少年科技文化交流中心參加“未來工程師”博覽活動。

三、多元評價引領早期識別培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才方向

銀都小學的課程多渠道、多方式、多樣態(tài)地評價學生，如自評、他評、量化評價、質性評價、過程性評價、終結性評價等。同時鼓勵學生以各種變通方式呈現(xiàn)特定學習內容，如產品策劃、工程設計圖、產品說明書、宣傳海報、情景劇表演、產品發(fā)布會、申請專利、參加賽事等，以此內化學習方法，生成智慧，提升能力。善用多元評價可以很好地引領早期識別培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才的方向。

課程的實施，幫助一批批銀小學子成為各領域的拔尖創(chuàng)新人才。參與Arduino課程的教師團隊也迅速成長，十余人獲得全國STEM十佳教師、中國STEM種子教師、四川省特級教師、成都市學科帶頭人、成都市優(yōu)秀青年教師、高新區(qū)優(yōu)秀青年教師、高新區(qū)科技創(chuàng)新十佳教師、教壇新秀等榮譽稱號，四人獲全國賽課一等獎，主編了16本信息技術省編教材和9部STEM教程，發(fā)表十余篇國家級學術論文。學校獲得國際青少年創(chuàng)新競賽中國區(qū)特色學校、全國STEM領航學校、全國創(chuàng)造基地、四川省編程示范校、四川省高新區(qū)科技創(chuàng)新十佳學校等榮譽。

我校將繼續(xù)探索拔尖創(chuàng)新人才的早期識別與培養(yǎng)路徑，完善機制，讓更多學生成為各行各業(yè)領軍人物，成為拔尖創(chuàng)新人才。

參考文獻

[1] 王歡.對小學拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的實踐探索和理性思考[J].中小學校長，2011（10）：65-67+3.

[2] 冰潔.借助Arduino在小學高段開展STEM教育——以研發(fā)超聲波傳感器智能穿戴設備為例[J].中國民族教育，2018（Z1）：57-58.

[3] 陳宏程.青少年科技創(chuàng)新三十六計[M].合肥：安徽科學技術出版社，2020：43.

（作者單位：四川省成都師范銀都小學）

責任編輯：趙繼瑩

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