基于Arduino的小学创客教育探索与实践

刘文东

摘要：Arduino是一个开放源码电子原型平台，拥有灵活、易用的硬件和软件，专为设计师、工艺美术人员、业余爱好者以及对开发互动装置或互动式开发环境感兴趣的人而设。Arduino可以独立运行，也可以与计算机上运行的软件通信。本文以“创意电子”课程为例，分析了在创客理念指导下的小学生创新课程的设计，以期能够激发学生的积极性与参与热情，促进创新思维、编程思维的培养与创造能力的提高。

关键词：Arduino； 开源硬件； 创客

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2017）22-0077-04

近年，技术的不断进步、开源软硬件的逐渐普及，为创客教育走进校园提供了良好的基础条件，我们发现Arduino作为一款开源电子原型平台，有着很强的易用性和扩展性，该实验平台无需学生掌握复杂的编程语言，只需了解其函数用法即可进行创新应用设计。这款价格低廉，风靡于电子爱好者、设计师甚至艺术家们之间的硬件开发平台已成为创客们的主要开发工具。本文以红棉创客社团的“创意电子”课程为例，探索在创客理念指导下的小学生创新课程设计。

● 创客教育

“创客”是个舶来词，源自英文“Maker”，主要指出于个人爱好，借助各种现代信息技术将自己的创意转变为现实的人。现在的创客已经不仅仅局限于科技达人，本文所提倡的创客是指利用开源软硬件技术将创意变为现实的年轻人。这种创客文化进入校园，便形成了创客教育。在目前的课程标准体系中，创客教育更多地应用在学生社团中，但这并不能充分展现其应用价值。创客教育强调学生要主动思考，积极动手、设计，这种理念对促进创新能力的培养有重要意义。此外，创客教育对课程设计的系统性和完整性也有重要作用。

● Arduino简介

Arduino作为一款开源的电子制作平台，具有重量轻、体积小的特点，该平台由包括各种型号的Arduino控制板的硬件部分和包括Arduino集成开发环境和编程接口的软件部分组成。Arduino控制板如图1所示。

Arduino自带的I/O接口和扩展板能与各种传感器、步进电机、蓝牙、舵机等相连，而且Arduino也是独立于其他软件沟通的平台，如Flash、Processing、Max/Msp等。但鉴于纯代码等形式的编程软件过于复杂，我们选择北京师范大学创客实验室的Mixly。由于是开源硬件，Arduino的很多案例代码都能在相关技术论坛得到，初学者只要下载、学习、修改、烧录、调试，即可得到自己的项目，这也使其很快在不同领域得到了越来越广泛的应用。

● Mixly简介

米思奇（Mixly）是由北京师范大学教育学部创客教育实验室开发的面向中小学创客教育（创意电子领域）的开源图形化编程软件，它用直观的图形化积木块堆叠方式代替了复杂的文本编辑，并具有入门简单、使用方便、功能强大、应用广泛、易于拓展的优势。它适用于小学编程基础较弱的教学情况，又可以过渡到纯代码编程环境，具有良好的生存与拓展性。软件的界面如图2所示。

● “创意电子”课程设计

为了培养学生的动手能力和创新思维，我校从2015年10月开始设置“创意电子”课程，并购置了相应的Arduino开源电子套件等设备，陆续购入了3D打印机、激光切割机等其他创客实验设备。为趣味电子课程的开展打下了基本的物理基础。

1.基础实验项目

鉴于小学生的认知发展水平，配合Arduino开源硬件和Mixly开源软件，我校教师开设了比较基础的通识性基础项目课程，如表1所示。用最简单的发光二极管配合其他较基础的数字传感器就可以做出很多基础的课程实验，学生由浅入深、由易到难，逐步掌握Arduino设备的使用和常用传感器的原理。这种积木式的组合与拼接，极大地提高了学生学习的积极性和入门难度，而传感器拓展板的引入使学生只要简单的操作就可以与主板链接，告别了复杂的接线过程，这种简洁直观的体验大大提高了制作作品的效率，同时进一步降低了Arduino入门学习的难度，大大激发了学生的求知欲望和创造力。

2.综合竞赛项目

进阶提高课程主要是依托各类创客比赛，按照大赛参赛手册要求或者学生实际开发的综合性较强的实验项目（如表2）。竞赛项目对综合能力要求较高，因此其几乎都是高年级的社团成员学习的课程，包括整个创客作品的制作流程。前期以学生自主探究为主，包括功能设计、需求分析、所用的电子元件等相关的项目设计环节，相关概念、相关原理等资料的搜集与整理环节，项目实践以及外部组成等。

● 开展“创意电子”课程所面臨的问题与思考

1.知识体系庞杂，涉及内容广泛

“创意电子”课程涉及到的知识体系庞杂，包括电子电路、艺术设计、编程思维、创新思维，所包含的知识体系复杂、多样，而小学生知识储备与相关认知水平很难做到融会贯通，在实际的项目实践过程中会发现很多“模仿”现象，但这也是“知其然，不知其所以然”。怎样将复杂的知识体系简易化、儿童化，使其通俗易懂，是我们需要思考的重要问题，我们将在接下来的实践中，尝试引入更多真实生活中的情境，加深学生对相关知识内容的理解。

2.学生认知差异大

学生认知水平差异是公认的事实，怎样在这样庞杂的知识体系和项目实践中，照顾不同认知水平的学生成为更大的挑战。鉴于这种现状，我们当前的做法是借助网络学习平台，将教学内容数字化、电子化，借助网络平台构建差异化学习环境，教师根据课程目标设定差异化的学习任务，学生根据自身实际情况选择相应的学习目标进行自定步调的探究式学习，对于学习的结果也进行差异化的评价。通过这种基于技术的虚拟“一对一”尽可能地关注学生的个体差异，同时还能够极大解放教师的课堂时间，教师可以将更多的精力运用在解决核心问题上。

3.实验设备管理与维护难度大

Arduino相关的实验设备复杂多样，开展小班实验尚可应付，如果开展大班常规教学，设备的常规管理与维护将占用相当多的时间与精力，而且实验设备几乎都是无保护裸露状态，设备本身极易损坏也容易刺伤学生手指。因此，怎样合理有效地管理实验设备同样是一个严峻的挑战，目前比较常规的做法是实行小组长负责制，小组长负责小组的设备管理与维护。

● 结语

“创意电子”课程是我校针对学生创新能力培养的一个探索，创客教育正如火如荼，但是缺乏完整的课程体系和标准，在完善和探索的过程中，需要教师和学生共同参与，学生通过学习创意电子课程，搭建相应的电子结构，通过编程控制开源硬件Arduino来实现相应的功能。我们还发现这种软硬结合的方式，能够极大激发学生的积极性与参与热情，促进创新思维、编程思维的培养，以及创造能力的提高。希望这种形式的创客类课程能够为课程的深化改革奠定内容基础。

参考文献：

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基金项目：本文为广东教育学会中小学信息技术教育专业委员会“十三五”规划及年度信息技术教育课题“面向核心素养的小学创客教学资源开发与应用研究”的研究成果。endprint