浅谈基于STEM理念的Arduino教学实施策略

王晓媛

摘要：信息技术教师在项目驱动的Arduino教学中，融入STEM教育理念，能培养学生的问题解决能力。本文首先对STEM教育和Arduino教学进行了简单介绍，然后结合作者的教学实践和思考提出了基于STEM理念的Arduino教学实施策略，最后罗列了在实际教学中还可以进一步完善之处。

关键词：STEM；Arduino；教学实施策略

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2018）15/16-0135-05

当今科技发展日新月异，创客文化席卷全球，中学信息技术教育也紧跟时代发展潮流，新一轮课程改革倡导培养学生的创新精神、计算思维和实践能力。传统的教学科目一直存在着较为严重的“知识本位或技术本位倾向”，而现在所提倡的STEM教育，尤其是基于STEM理念的Arduino教学能够培养学生的问题解决能力、团队协作能力、实践动手能力和设计创造能力，这恰恰是当前学校教育有待加强的部分。

STEM教育与Arduino教学

Arduino是一款开源软硬件平台，具有操作简单、价格低廉、可拓展性强等特点。其教学旨在以Arduino控制板、传感器和各种执行器等硬件为载体，在创客空间的平台下，融合STEM教育理念，培养学生的动手操作能力、想象力、创造力以及解决问题的能力。Mixly（米思齐）是一款为Arduino测控板编程的软件，其编程界面与Scratch编程软件、App Inventor软件等有相似之处，其所具有的“能激发学生学习兴趣、开发过程简单、组件模块丰富、支持即时调试”的特点，使得这款软件可以適用于初中信息技术拓展类课程课堂教学。

Arduino的课程目标定位为培养学生综合运用各种知识和技能，来解决各领域、各方面、各类型实际问题的能力。STEM教育理念则提供了重新审视传感器等硬件使用方法教学和程序设计教学的视角。把STEM理念融入Arduino教学，强调将过程和方法置于复合的真实问题情境中，倡导将各个领域的知识通过综合的Arduino课程结合起来，加强学科间的相互融合，发挥综合育人功能，让学生在真实情境下学习，在项目活动中应用多学科知识和技能解决问题或进行“创意智造”，从而有助于创新型人才的培养。

基于STEM理念的Arduino教学实施策略

Arduino教学总体来说是教师引导学生在面向真实问题解决的项目探究学习（Problem Based Learning and Project Based Learning）过程中，综合运用各学科知识、相关技术、工程设计思想和科学研究方法来进行问题解决、创新设计与个性化制造，从而达到培养学生STEM素养、创新意识、计算思维和实践能力的目的。在Arduino教学实施过程中，要以STEM理念为指导，巧妙运用各种策略来促进教学目标的达成和促进学生的综合发展。

1.问题引导或项目驱动

教师在进行课堂教学时，应围绕学生熟悉的问题开展教学。引导学生在完成具体项目的过程中学得知识、习得技能、发展思维或提高能力。不论是信息技术拓展课还是学生社团活动，以项目的方式开展教学，问题情境的生活化能够使得知识与学生已有认知的距离感减弱，学生能够置身于真实的生活情境中学习知识、解决问题、设计智造。

在Arduino教学入门课上，教师可以引导学生完成“交通信号灯制作”项目。此项目涉及到物理学中LED的特点及使用方法、程序设计中最基本的顺序结构程序设计、对Arduino UNO板数字输出端口进行高低电平设置和延时时间控制方法（如图1）。这些知识属于物理学和信息技术学科中较为基础的知识，完成这一项目既能使学生获得成就感，也能促使学生掌握最基本的硬件知识和编程技巧。

在实际教学中，应培养学生做生活中的有心人，发现生活中的问题，寻找项目创作灵感。例如，结合学校消防演习活动，可以完成“火灾报警器”的制作。此项目用到的硬件为火焰传感器和蜂鸣器，涉及到程序设计中的选择结构（分支结构），用到了Mixly软件中的模拟输入和串口监视器的使用（如图2）。这一项目主题来源于实际生活，并服务于生活，是一个很有意义的练习项目。

2.协同教学和协作学习

STEM理念倡导跨学科融合，现实问题的解决也常常要用到多个不同领域的知识，但学校开设Arduino课程的教师一般是信息技术教师。信息技术教师虽然具有程序设计和软件使用方面的专业知识，但对物理、音乐等其他学科的知识并不精通。因此，在实际教学中，如果需要向学生传授其他学科的专业知识，可邀请相关学科任课教师来给学生讲授，这就是所谓的“协同教学”。不同的学生有自己所擅长的学科，Arduino课上的任务基本都是由小组协作完成的，教师在分组时应尽量做到使各学习小组“组内异质、组间同质”，一起研究，协作完成每个项目。

例如，“创意门铃”（按下门铃按钮可以播放“两只老虎”音乐）项目制作时虽然用到的电子元器件只有蜂鸣器和按钮，但涉及到音乐（乐谱、音调、节拍）、物理（声音的传播、振动频率与音调的关系）、信息技术（数组、函数的定义与调用）等多学科知识。在引导学生完成这一项目时，教师可邀请音乐教师等来给学生讲授专业知识，也可以让学生以完成课前任务的形式，以小组为单位主动去请教相关学科教师（如图3）。

有时看似很简单的一个项目，也要用到多门学科的知识。例如，“自动变速风扇”项目要求风扇的转速根据人与其距离的变化而发生改变，这个项目用到了物理学中的摩擦力和红外测距原理，也用到了数学中的映射，并且整个项目的难点在于映射的运用（如图4）。

3.实践应用与创意智造

总体来说，Arduino课程教学的开展就是基于问题解决，服务于实际生活。所以在教学实施时要注重实践应用，并引导学生进行创意智造。通过研究性学习活动，给学生体验知识、运用技能、设计作品、拓展思维、收获能力的乐趣，传递反复迭代、精益求精的设计态度，让学生爱上设计，爱上创造，爱上生活。

日常生活中，部分商店门口挂着迎宾娃娃，当顾客进入时就会说“欢迎光临”。我们可以利用可调红外传感器开关设计一款个性化简易迎宾仪（如图5），当设备检测到有人经过时，指示灯亮起并演奏迎宾曲。这就是一个比较基础的实践应用，在这一项目基础上，还可以引导学生进行拓展延伸——制作一款仓库入侵检测装置，当设备检测到有人进入仓库时提醒仓库管理员及时查看仓库监控。

初中生对新鲜事物有较强的好奇心，也有着丰富的想象力和一定的创作欲望。例如，“空气电子琴”是一个创意智造项目，其原理是用超声波测距仪检测手与传感器之间的距离，通过数学运算将其转化为1～7之间的一个音符，再通过蜂鸣器发出相应的声音（如下页图6）。这一项目难度不算大，但很有趣味性，学生制作完成后也很有成就感。当然，创意智造项目应在学生学习过基础硬件知识和编程技巧后，根据来源于生活的创作灵感，自己尝试设计制作创意作品。

4.学科整合与综合发展

近年来，各国开始重新审视全球化背景下的创新人才培养。有研究表明，将不同学科知识以割裂的方式进行教学，是教育界的常见弊端，STEM教育从诞生开始就担负着克服这一弊端的重要使命，并促使STEM逐步进入教育各阶段。Arduino教学应在STEM理念指导下，以现实问题为基点，将多学科、多个应用领域的知识和技能巧妙地融合在一起，设计好项目或课题来引导学生动脑思考、动手实践，进而促进学生思维品质、创造能力的综合发展。

例如，冬天的晚上，睡觉前想把灯关掉，而灯的开关却在几米外的门口，如果能用遥控器来控制灯的开关，会变得方便很多，基于此，可以设计制作一款“遥控灯”。要想完成这一项目，首先要了解常用红外遥控系统中发射器和接收器的基本工作原理，还要综合运用编程技巧（如图7）。

5.在项目真实性与教学内容基础性之间找到平衡

现实生活中，我们会遇到很多问题，然而，大部分真实项目会受到很多因素的制约，有些甚至要用科技前沿知识才能解决。而在Arduino教学实施时，教师要考虑学生的年龄特点、身心发展特点和他们已有的知识储备，教学项目难度要落在学生的最近发展区内，太难或太复杂的研究项目不适合作为教学内容。科学知识、数学知识和程序设计知识都有一定的难度阶梯，学生不能跨越较大的梯度来学习这些知识，因此，在实际教学中应在项目真实性和教学内容基础性之间找到平衡。

例如，“楼道节能灯”的设计与制作（如图8）就是一个兼顾项目真实性与教学内容基础性的研究项目，用声音传感器检测周围环境声音的响度，用光线传感器检测周围环境的亮度，然后判断是否响度较大且亮度较低，满足条件时灯亮起，否则灯处于灭掉的状态。

6.在课时有限性与探究耗时性之间找到平衡

不可否认，“中考”这根指挥棒在初中阶段具有强大的导向作用，教育行政部门、各级各类学校都很重视初中学校中考升学率。信息技术、综合实践等非中考学科课时量较少，而一个真实的综合项目的完成往往需要花费学生较长的时间，在Arduino教学实施中，处理好课时有限性与探究耗时性这一矛盾是很有必要的。

解决这一矛盾的途径之一是设计复杂度适中的项目作为课堂练习任务。例如，“趣味抽奖转盘”是用按钮控制舵机随机旋转一定角度的电动抽奖器（如图9）。这一项目只涉及到三个知识点：随机数、舵机控制、中断。

解决这一矛盾的另一个途径，就是引导学生充分利用课内和课外时间。例如，“打地鼠游戏”是学生熟悉并喜爱的一款小游戏，以此作为探究制作项目，需要花费学生较多的时间。学生可以在课堂上完成“项目功能说明和解决方案的撰写”，在课余时间小组合作完成项目，遇到问题时可向老师或同学求助。

Arduino教学中可以进一步完善之处

1.硬件配备与更新问题

Arduino UNO控制板和各种传感器等设备的购买需要花费一定的资金，在支持开设拓展性课程的学校申请资金相对容易些，但在大部分学校申请经费可能会比较麻烦。教师可以通过申请课题和各种级别的创新实验室项目来获得科研经费。Arduino作为新生事物，发展速度非常快，各种具有新功能的传感器相继问世，此外，为了支持学生创新研究项目的开展，也常常需要购买新的传感器。教师如何通过各种渠道获得研究经费也是一个值得思考的问题。

2.课时问题

基于STEM理念的Arduino教学比较注重项目实现过程中的问题解决和设计实现过程中的方法习得，这种探究性学习比较耗时，在总课时数不变的情况下，应尽可能申请两节课连排。教师可以开通以分享Arduino作品为主的微信公众号，利用各种网络资源，支持学生课后的拓展性学习。

3.功利主义和锦标主义问题

Arduino课程的开展应以促进学生的全面发展为目标，应在一定程度上具有“普适性”。各种青少年科技创新大赛在某种程度上促使部分拓展课异化了发展学生核心素養的目标定位，部分比赛结果与中考加分相关，教师应避免功利主义和锦标主义在课程实施中出现。

小结

基于STEM理念的Arduino教学是教育改革和时代发展的产物，其所具有的整合性、实践性、趣味性等切合了初中生的学习需求。通过改进教学策略，研发教学资源，Arduino教学能够促进学生的全面发展。

参考文献：

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