基于STEAM教育的小学无人机校本课程的设计与实践

摘  要：广州市何香凝纪念学校于2020年开展无人机课程实验。通过对祝智庭、余胜泉、刘清堂、余红等教授的相关论文、讲座资料的深入学习，对多个STEAM教育案例分析，设计了小学无人机校本课程。在课程实践中，为了适应疫情防控和响应“双减”政策的要求，培养学生自主探究的學习习惯，把胡小勇教授的“六把金钥匙”翻转教学模式融入5E教学模式，形成“f5E教学模式”。通过无人机课程的设计、实践、交流，发展学生核心素养，培养全面发展的人。

关键词：无人机;STEAM;STEM;5E教学模式;校本课程

中图分类号：V279;G434               文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）19-0174-06

Design and Practice of UAV School-based Course in Primary School Based on STEAM Education

RUAN Enrong

（Guangzhou He Xiangning Memorial School， Guangzhou  510388， China）

Abstract： Guangzhou He Xiangning Memorial School carried out UAV course experiment in 2020. Through the in-depth study of relevant papers and lecture materials of professors Zhu zhiting， Yu Shengquan， Liu Qingtang and Yu Hong， analyzes several STEAM education cases， designs the school-based course of UAV in primary school. In the course practice， in order to meet the requirements of epidemic prevention and control and response to the “double reduction” policy， and cultivate students learning habits of independent inquiry， Professor Hu Xiaoyongs “six Golden Keys” flipped teaching mode is integrated into the 5E teaching mode to form the “f5E teaching mode”. Through the design， practice and communication of UAV course， students core literacy is developed and people with all-round development are cultivated.

Keywords： UAV; STEAM;  STEM; 5E teaching mode; school-based course

0  引  言

自国务院发布《中国制造2025》以来，智能机器人、无人机等应用技术开始受到广泛的关注[1]。从基础教育到高等教育领域，融合了智能机器人、无人机的教学活动广泛开展[2，3]。我校于2020年开展无人机课程实验。我们在知网查询相关的论文，以“无人机”和“STEAM”为关键字的研究论文有7篇。不过根据搜索到的相关资料显示，作者都是高等院校或职中或研究院的教师，论文的阐述比较深层次，设置的课程不适合小学生。在小学中能将STEAM（Science、Technology、Engineering、Art、Mathematics）元素结合，特别是加强技术素养和工程素养培养的无人机课程设计尚未开发。因此我们希望能通过理论学习和行动研究，探索出一套可行的教学理论及方法。通过对祝智庭、余胜泉、刘清堂、余红等教授的相关论文、讲座资料的深入的学习，对多所学校的STEAM教育案例归类分析，我们形成了本校的教学模式：f5E教学模式，提升STEAM课堂的教学效率与效果。希望通过无人机理论普及、实践、设计开发、对外交流等形式，进行国防教育和爱国主义教育，发展学生核心素养，培养全面发展的人。

1  STEAM教育的内涵

STEM是科学（ Science）、技术（ Technology）、工程（ Engineering） 和数学（ Mathematics）四门学科的简称，强调多学科的交叉融合。STEM教育并不是科学、技术、工程和数学教育的简单叠加，而是要将四门学科内容组合形成有机整体，以更好地培养学生的创新精神与实践能力[4]。

也有人提出 STEAM 的概念，强调在STEM中加入“Art”学科。这个“A”狭义上指美术、音乐等，广义上则包括美术、音乐、社会、语言等人文艺术，实际代表了 STEM 强调的艺术与人文属性[4]。佛罗里达大学研究认为，在STEM教育中增加艺术教育更有助于学生能力的发展，尤其是在创造变革能力、批判性思维和问题解决能力、交流合作能力、灵活适应能力、社交和跨文化能力等方面[5]。STEAM教育主要培养四种能力：适应未来的能力、问题解决的能力、自主创新能力和深度学习的能力[6]。

2  课程构建

2.1  课程目标

《中国学生发展核心素养》以培养“全面发展的人”为核心，分为文化基础、自主发展、社会参与3个方面，综合表现为人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当、实践创新六大素养[7]。我校基于STEAM教育的理念，制定了相应的课程目标[8]。

2.1.1  促进知识整合

通过项目学习，了解无人机飞行原理、无人驾驶技术、无线电图形传输技术、蓝牙收发原理、传感器的工作原理、3D打印机的工作原理、检测空气质量的方法等一系列知识原理，通过观察、阅读、探究学习方式，融合相关知识，并在一系列活动中掌握学习的方法。

2.1.2  学会使用工具

通过项目学习，学会使用萝卜圈虚拟仿真软件、FPV眼镜、遥控无人机、编程无人机、3D打印机、Mind+等编程软件、Audino等软硬件工具。

2.1.3  发展创新思维

发展创新思维需要多种知识融会贯通，需要大量的实践，还需要科学精神，学会思考质疑批判，更需要从微创新到创新积累的过程。而课程在各个方面都构建有效的途径、空间让学生发展高阶思维的深度学习，从知识的表面到内涵深入发展，从而有效培养创新思维的形成发展。

2.1.4  培育心理品质

通过STEAM课程的学习，培养学生爱国主义精神、正确的价值观、人生观，以及热爱学习、勇敢、友善、谦虚、自律、协作等优秀的品格，成为生活健康、有责任担当的人。

2.2  學习方式

STEAM教育课程的学习方式有多种，如项目学习法、创客教育、体验教育，把开发、实践、技术、创新等融合在一起。而STEAM教学活动的核心是项目学习。设计课程遵循的特点有：真实情景、学习项目、阶段成果、小组合作、成果分享。

2.3  主题选择

在选择课程主题时，首先针对不同年龄层的学生，设计具有针对性的课程，如适合中低年级的《多旋翼无人机飞行原理》，在认识各种各样无人机同时，还可以使用模拟飞行软件练习驾驶，使用虚拟仿真软件设计飞机，充分激发学生学习兴趣。

其次是通过渐进式的学习，让学生能够在每个阶段都学习掌握不同的技能或进阶的技能。如中低年级学习遥控无人机，中高年级学习编程无人机、兴趣社团学习航拍无人机、单片机学习。

另外，要选择与各学科核心内容密切相关的内容，如《基于单片机的无人机空气质量监测与分析》，融合多学科内容。虽然从主题看难度较高，但它的任务是生活中实际存在的，是可以分解的、是可行的，它的研究结果具有开放性，非常适合学生进行项目式学习。

2.4  系列课程

无人机校本课程具体设置，如表1所示。

3  教学案例

3.1  教学项目

案例：基于单片机的无人机空气质量监测与分析

年级：五、六年级

项目：制作空气质量PM2.5监测器、无人机载重飞行、收集数据、分析空气质量PM2.5情况

3.2  教学目标

3.2.1  认知目标

了解空气质量相关知识、主控板及传感器工作原理、蓝牙收发原理。

3.2.2  技能目标

深究空气质量测量技术、编程技术、无人机载重技术，制作基于单片机的无人机空气质量监测装置，使用折线统计图、统计表分析空气质量情况。

3.2.3  情感目标

体会自主探究、动手实践的价值，养成严谨的实验分析能力和科学探究能力。学会沟通分享、增强环境意识，培养以学会的知识反馈社会的优良品德。

3.3  f5E教学模式

5E教学模式是一种基于建构主义的探究式教学模式。该模式由美国的生物学课程研究会（Biological Sciences Curriculum Study， BSCS）在 Atkin-Karplus 学习环的基础上提出，包含参与（Engage）、探究（Explore）、解释（Explan）、迁移（Elaborate）和评价（Evaluate）五个环节[9]。

为了适应疫情防控的要求和响应“双减”政策的号召，做好减量提质增效工作，充分发挥智慧教育的作用。我校尝试把胡小勇教授的“六把金钥匙”翻转教学模式包含的“课程平台、导学问题、学习任务单、微视频、小组合作、学习评价”六个要素[10]，融入5E教学模式。翻转课堂，英译Flipped Classroom，故将此模式命名为“f5E教学模式”，如图1所示。

3.4  教学策略

3.4.1  建立课程平台实施翻转课堂

使用UMU互动平台作为课程平台，学生可以通过学习微视频等资料更方便地进行自主探究，对学习内容进行阅读思考[11]。先学后教，以学定教，能更有效实施f5E教学模式。

3.4.2  学生自主探究教师引导帮助

从建构主义理论看，f5E教学模式以创设问题情境、激发认知冲突为引入，以学生自主探究，教师指导和帮助为核心，围绕着新概念的建构而开展的一系列活动，体现了以学生活动为中心，强调学生自主构建的探究理念[6]。

3.4.3  创设问题情境新旧概念转变

从概念转变理论看，当学习者在新的问题情境中发现自己拥有的概念难以解释当前现象，也难以解决目前的问题，就会对自己已有的概念（前概念）有不满的情绪，从而激发头脑内部矛盾冲突，这种不满促使个体主动去探究概念的正确解释，从而形成新旧概念的转变[6]。

3.4.4  探究贯彻全程评价贯穿始终

在f5E教学模式中，探究和评价贯穿于教学的整个过程，充分培养学生自主探究的学习习惯和方式，而评价则是有效引导学生健康发展的依据，使学生在正确的学习道路上前进。

3.4.5  设计导学问题发挥提问效用

学生的学习是否更有效、高效离不开导学问题设计的合理性、目标性、严谨性和可解决性。不合适的问题往往会错误引导学习方向，浪费宝贵的学习时间。

3.4.6  设置小组活动甄选协作方式

社会建构主义者非常强调个体之间交互作用同个体独自活动相比的优越性。将个体加入到社会交互活动中后，会产生适应社会活动的更高个体发展状态[6]。知识不仅是在个体与物理环境的相互作用中建构的，社会性的相互作用更加重要，人的高级心理机能的发展是社会性相互作用内化的结果[6]。因此，学生在小组学习会得到更大的发展，而活动也会在小组协作中得到更好的成果。不同的学习内容应该采用相应的协作方式才会更有效。

3.5  教学过程

3.5.1  Engagement：创设情境激发兴趣

本环节的作用是课程的引入，激发学生的兴趣，吸引学生的注意力，初次体验情境。 教师课前通过UMU互动平台问卷调查了解学生对空气质量、可吸入颗粒物（PM10）、细颗粒物（PM2.5）的概念的认识以及PM2.5我国标准、国际标准等的掌握情况。通过学生反馈的数据分析已掌握概念与即将学习形成的概念之间存在的差异及其形成差异的原因。然后设置导学问题，如“空气污染只源于肉眼可见的大颗粒物吗？”，让学生阅读UMU平台上预设的与大气质量相关知识。学生完成阅读后在UMU讨论区发表自己的见解。教师通过微视频等手段创设情景，让学生明白“直径小于等于 2.5微米的颗粒物的浓度也会对空气质量产生重大影响”，这个结论与学生已知的“空气污染只源于肉眼可见的大颗粒物”概念产生认知冲突，由此激发学生的好奇心，产生探究的意愿。

教师指导学生继续研究问题“为什么要监测PM2.5？有没有相关标准？怎样监测？”，学生围绕这个主题进行讨论，组长负责把组员们的主要观点写在讨论区。教师进行巡视，观察指导每个小组讨论的情况。小组结束讨论后教师组织全班交流，每个小组请1～2名学生发言，向全班学生介绍本组观点。在学生充分讨论的基础上，教师相继解锁UMU平台上的一些资料，学生了解PM2.5生成来源和指数标准、危害影响。让学生知道我国的PM2.5与国际的差距，充分认识到监测PM2.5的重要性，进一步提高环境意识。引导学生提出制作PM2.5监测器，老师播放制作PM2.5监测系统的教学微视频，激发学生对工程设计的兴趣。

3.5.2  Exploration：探索实践提出问题

本环节教师是课堂活动的主导，在平台上设置一系列导学问题。学生是学习的主体，通过平台自主探究、小组讨论交流、动手实践等活动完成教师布置的任务，并提出本次任务相关的问题。教师巡堂进行个性化的指导，指导思考的方向。

活动伊始，教师提出根据制作PM2.5监测系统的微视频设计方案，提示学生把要准备的材料和做哪些工作列出来。学生可能列不全，也可能不合理，这都没有关系，重在培养学生的计划意识，不合理的地方会在接下来的探索活动中修改。

活动1：学生通过观看微视频，学会使用电脑的Mind+软件，打开扩展，选择主控板，然后小组讨论众多传感器里面应该选哪个？本活动目的不只是学会阅读分析，根据功能找到监测PM2.5的传感器，还要让学生知道还有很多不同功能的传感器，以后可以运用更多的传感器功能去解决生活中的问题。

活动2：是连接主控板、扩展板、传感器、电池和显示屏。教师提示熟读说明书和示意图。各个小组讨论接法，最后确定接法。教师出示Linkboy图形化编程系统，教学使用方法，让学生在虚拟的环境下验证接法是否正确。最后教师公布答案，并分析原因。学生动手操作实物，直至熟练掌握。

活动3：学生碰到最难掌握的编程。教师根据学习金字塔学习理论，让学生自主探究、动手实践、展示讲解、教授别人，使学生的学习效果更明显。首先引导学生思考：怎样让主控板和传感器工作？使用什么软件？学生在老师的引导下明白是编程，使用Mind+图形化编程、Arduino語句等软件均有优缺点，采取图形化和语句结合，更灵活。在教师的指导下，完成监测的语句和读取显示的语句。学生在读懂程序的基础上为每一句编程语句添加注释，并在自己的笔记本画出编程流程图帮助理解。教师请学生在UMU的AI作业上展示并讲解自己的程序。之后已经学会的学生主动教还没懂的同学。学生运行监测器检测是否有数据显示，从而验证程序正确性。最后，教师安排在操场监测PM2.5浓度。

活动4：教师收集全体同学的监测数据并展示，请学生根据数据提出问题。有学生发现监测的PM2.5数据有些不同，纷纷产生疑问。教师引导学生提问，PM2.5监测系统的工作原理是什么？高空中的PM2.5浓度会是多少？

3.5.3  Explanation：辨析问题解释原理

本环节会对之前提出的问题进行辨析并解释原理，形成新的概念。学生在教师的引导下对问题进行小组探究、辩论，展示小组研究的结果，形成初步的解释。教师接着通过微视频的演示，对PM2.5监测系统的工作原理进行补充解释时，整合多学科的知识。然后，引导学生思考应该如何监测高空中的PM2.5浓度。学生思考讨论：PM2.5监测系统用什么作为载体？要监测的高度是多少？经过学生讨论，载体最好是能够移动的，能达到一定的高度的载体只能是飞行器了，最好是能遥控的，所以就是无人机。接着学生动手操作，寻找能够搭载主控板和传感器的无人机，把手头上的比赛用的FPV无人机、编程无人机、大疆air2进行了吊矿泉水测试，最后确定要使用动力较大的大疆air2。

3.5.4  Elaboration：迁移应用引发思考

本环节学生会对新概念和新知识进行迁移运用，拓展提高，获得更多的信息和技能。

活动1：教师预设问题：怎样固定主控板和传感器以及电池盒？采取怎样的措施，避免螺旋桨打到电线、绑绳？学生通过动手操作，进行尝试，用了多种线绳去固定都失败，老师及时引导，为什么会松？能不能锁定？提示百度搜索。学生通过搜索找到自锁式尼龙扎带。

活动2：扎带不能阻挡无人机自检高度的镜头，有没有其他的扎法？这个活动也非常重要，否则无人机将不能起飞。学生通过不同角度、不同方法多次实践，最终找到最佳方案。

活动3：放飞与自动监测分析。学生遥控无人机飞上10米空中，监测完后降落，显示屏上显示读数。对于一次只测量一个数据，而且高度都是10米，学生已经不耐烦了，教师马上问学生有什么想法。学生跃跃欲试想测量不同高度，而且想飞行一次测量多个数值。

活动4：教师提示，无人机10米的高度是用测量到的气压转换成高度的，其他的高度也是一样设置，只要增加程序块就可以了。学生打开程序源代码寻找相关的语句作出修改。但试飞后发现只得到最后一个数据。小组思考讨论，得出的结论是显示屏数据不断刷新的结果。

活动5：由于涉及较高的难度，在网络上查找不到相关解决方案有学生气馁了。教师及时鼓舞激励学生不要怕失败，并建议电话请教专业的技术开发工程师。工程师提出取消显示屏显示改用手机读取数据。并建议在监测系统增加蓝牙模块，使用蓝牙技术读取测量的数据，并教授了如何修改现有的程序。教师布置小组竞赛，看哪个小组首先完成改良后的系统。

活动6：初步完成后，就进行测试，成功后正式投入使用，研究PM2.5浓度的变化情况。教师布置学生调查学校同一地点同一时段PM2.5浓度情况，分10次进行，每次监测检测10米、20米、30米、40米，4个数据，形成曲线图，并写出校园PM2.5浓度的变化情况。学生经过多次调试调整，得出测试数据，制作出折线统计图，并撰写实验报告，如图1所示。

3.5.5  Evaluation：设问总结与评价反馈

本环节教师通过提出开放性的问题来评价学生对新知识或方法的认识和应用情况。问题（1）：如何增加要测量的高度？问题（2）：监测系统的连线太多，如何设计一个合适美观的盒子收纳装置？问题（3）：使用蓝牙接收和使用显示屏显示，差别在哪里？

評价是贯穿于教学的整个过程的，包括过程性评价、总结性评价、发展性评价、学习分析、自评互评和教师评价。由于使用了UMU互动平台，大量的多元化的评价数据都能即时生成。学生在评价中认识了自我能力，认识了他人的水平，认识了团队合作的重要性，认识了学习方法，认识了自然规律。

4  STEAM分析

本案例聚焦于现实世界中的问题即基于单片机的无人机空气质量监测与分析，以工程设计PM2.5监测系统过程为导向，将学生的自主探究和动手实践融合，以有效的小组活动作为支撑，充分应用所学的各科知识，实验结果多元化、也允许失败，符合STEM课程的六大特征。

案例实验过程中，探究得出的空气质量相关知识原理、主控板及传感器工作原理、蓝牙收发原理属于科学（S）;空气质量测量技术、编程技术属于技术（T）;制作基于单片机的无人机空气质量监测系统属于工程（E）;制作监测系统盒子属于艺术（A）;使用统计图、统计表分析、速度和高度计算属于数学（M）。这个STEM项目案例中，凸现科学权重100分，工程和技术约80分，数学和艺术60分。说明比较强调了科学性，其次是工程和技术，数学和艺术性方面略有欠缺。使用雷达图分析如图2所示。

5  结  论

我校根据STEAM教育理念的内涵，在无人机教学实践中将STEAM元素结合，并加强了技术素养和工程素养培养，设计出基于STEAM教育的小学无人机校本课程。通过理论学习和行动研究，探索出“f5E教学模式”及教学方法。在国防教育和爱国主义教育，发展学生核心素养，培养全面发展的人等方面取得良好的效果。今后将继续加强技术素养和工程素养的培养，关注工程产品的一体化设计思路，设计出融合度更高的无人机STEAM课程。

参考文献：

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[10] 华南师范大学.《学会在线教学》系列公益课：面向疫情的SPOC翻转教学设计 [EB/OL].（2020-02-23）.https： //www.cctalk.com/v/15824386054244？sid=1582190827193291.

[11] 阮恩荣.在线混合教学在小学无人机校本课程中的应用 [J].现代信息科技，2020，4（19）：160-165+169.

作者简介：阮恩荣（1977—），男，汉族，广东台山人，中小学一级教师，理学学士，研究方向：教育技术。