基于Arduino课程培养拔尖创新人才的实践研究

冰洁

从“钱学森之问” “卡脖子技术”“强基计划”这些高频词汇，不难看出中国一定要培养出一批有志向、有兴趣、有潜能的青年学生来满足国家重大战略领域人才的需求。

一些大学、中学甚至小学已经在拔尖创新人才的培养方面进行了有效尝试与多样化的探索，并取得了初步成效。

小学阶段拔尖创新人才培养的本质是创新人才的早期识别与培养。2011年，成都师范银都小学（以下简称“银小”）本着立足高新区，放眼全世界，走国际化发展道路的原则，与英国“2011全英杰出学校”Coten End小学联合向英国大使馆文化教育处成功申请“中英友好课程共建项目”（英国大使馆文化教育处全球教育项目之一），并把它作为学校内涵发展项目进行实践，逐步推进拔尖创新人才的早期识别与培养。

一、图形编程奠定早期识别培养拔尖创新人才基础

在学校内涵发展项目支撑下，我校信息组所做的第一项课程改革便是开设面向全体学生的STEM常态化课程。2011年，几乎还没有小学在选修课、特长队开展编程教育，我校却面向全校学生常态化开设图形化编程课，这是因为创新不是少数人特有的能力，编程课必须面向全体，关注个体差异。如果不面向全体学生，不常态化开课，是不能更好地识别出拔尖创新人才的，因为多数人的潜能、志向犹如矿藏资源，埋得深，不易识别，更谈不上培养了[1]。

图形化编程入门简单，操作容易，制作过程很有趣，生成的作品多样。低段小学生就可以毫不费力地将表示代码命令的图形块，像搭积木一样拖拽到一起来表达想法或实现特定功能。课程让小学生把编程当作感知世界、理解世界的一种工具，在潜移默化中形成计算思维，培养学生的观察能力、想象力、逻辑思维能力、创新能力和反思能力，识别拔尖创新人才。

二、Arduino课程支撑早期识别培养拔尖创新人才重任

1. Arduino平台

Arduino硬件平台可以连接各种传感器及执行器，人们通常借助软件编程平台对Arduino硬件编程，实现环境监测与影响，或者开发各种互动项目[2]。作为教学的载体，Arduino硬件价格低，传感器及LED、显示屏、马达、舵机等执行器的通用性强，投入小，入门快，能够面向全体学生，实现绿色持续发展。我校选用的是Arduino UNO硬件。

Arduino除了硬件，還有代码编程软件平台，但因软件平台的专业性较强，我校选用了北京师范大学傅骞老师团队的Mixly软件平台，这款软件可以用搭建积木的方式对硬件编程，降低了技术门槛。

2. Arduino课程设置

我校在保证图形化编程基础性的同时，为不同发展方向的学生提供有选择的课程，重点推出Arduino智能硬件课程，形成全校STEM、人人皆创客的氛围，在校园的每一个角落营造归属感，保证每个学生在课堂上都有动手实践的机会，保障无论课上课下人人都有成功的可能，促进每个学生的个性化发展。

学校的课程设置要基于学生的现实，为未来的发展做准备。具体做法是从学校的实际情况出发，在先进的教育理念指导下，以优秀的教师团队为引领，充分考虑学生的求知需求、兴趣爱好，以学生最喜欢的编程学习和科学实验为切入点，结合各类开源硬件和材料，以项目学习为主要学习方式，融合科学、技术、工程、艺术和数学等领域的知识开展Arduino课程的建设。我校信息组精选重组课程内容，以学科大概念为核心，使课程内容结构化，逐步形成完善的课程体系，以主题为引领，以情景化为明线，以核心素养的落实为暗线，强调融合性，鼓励团体协作式学习，充分培养学生创新精神、创造性思维以及解决实际问题的实践能力，尝试用Arduino智能硬件等将创意变为现实。

3. Arduino课程实践

我校信息组研发了“六段双环CIA教学模式”（见图1）。“六段”，就是引入—陈述—模仿—创新—评估—拓展。“双环”，是指小组合作—团队分享。其核心为“CIA”，即模仿—创新—评估。

课堂仅仅是一个引子，精彩在学生的生活中。Arduino课程教师常常在课后留下一些选做的拓展小实践任务，既不给普通学生增加认知负担，又能引发具有创新潜质的学生的探索欲。拓展的任务不那么具体，而是较为模糊，这样有助于学生对问题、标准、约束进行自由解读，从而在钻研问题的过程中形成各种各样的解决方案。从生活实际建立与抽象知识的连接，进一步促进创新性思维的形成。例如，我校五年级学生孙铭涔在课上习得批判性思维，放学后不断审视笔筒与台灯的利弊，利用Arduino课程中学到的声音传感器技术，结合弹簧的弹力，多次进行工程设计，3D打印“声控弹笔笔筒式台灯”，在成都市科技创新大赛中获奖。后来铭涔进一步研究改进，撰写文案，获得国家专利。

科技创新大赛旨在培养青少年的创新精神和实践能力，提高青少年的科技素质[3]。这与我校早期识别与培养拔尖创新人才的机制有着异曲同工之妙。同学们很快就发现在生活中，甚至在已有设备、已有技术的基础上进行小改进、小发明也属于科技创新的范畴。他们不断感知新型的科技与生产方式，然后自己尝试去对生活做一些改变。

我校六年级学生刘欣瑜在看新闻的时候，了解到河北张家口发生的交通事故：司机将车停在非机动车道后离开，坐在后排的妻子突然打开左侧车门，后面一辆电动车躲避不及，被车门撞翻，骑车人经抢救无效死亡。类似的交通事故在全球时有发生，虽然不是每次都会造成人员伤亡，却暗藏凶险，不得不防。她在查新之后，利用Arduino制作一款车门报警装置。这个装置既可以在打开车门前提醒车内人员观察车外情况，又可以提醒车外人员避让，防止路过行人及车辆撞上车门。

第一步：准备好材料。包括Arduino UNO板、超声波传感器（2个）、MP3模块（内置SD卡，里面保存三个通过语音转换软件得到的提醒语音）、扬声器、无源蜂鸣器、按键模块（2个）、杜邦线、奥松板等。第二步：通过Mixly软件编写程序，实现当司机打开前门时按键被触发，扬声器先对外播放第一段提示语音，同时超声波传感器会对前门外部情况进行检测，如果检测到后方有车辆驶来，播放第二段提示语音提醒此时勿开车门;如果没有车辆驶来，则播放第三段提示语音，告知此时可以打开车门。第三步：复制相同程序，赋予位于后门的按键与超声波传感器。第四步：用3D打印或激光切割技术完成汽车外壳及能开合的门的制作，固定好Arduino智能硬件，形成完整作品。第五步：撰写专题报告，总结反思，准备展示及答辩等。最终，此作品获得成都市科技创新大赛一等奖。

說起来容易，其实在实践过程中，欣瑜经历了各种失败与挫折。比如，在制作车的模型时，一开始她只做了一个简易版的车门模型，模型很小，光是按键就把车门全部盖住了，安装传感器非常不方便，而且没有车顶和车底，无法让人认出是车，只好重新做。她从网上搜索并下载了一个汽车侧面的素描图，根据素描图做了一个相对完整的大一些的模型。在绘制侧面图的时候，发现车顶是流线型的，一块一块的木板无法直接做出车顶，几经周折找到了一种折弯结构，将坚硬平直的木板变成可以弯曲的柔软结构，铺在车顶上，这样车辆模型才算完成（见图2）。

欣瑜的同班同学杨锦成在网上看到深圳福田发生的一起高空坠物事件：住宅楼20层的玻璃窗坠落，砸中楼下男童，导致男童死亡。锦成感觉这不是个例。随着人口密度的增加，在高楼林立的城市里，高空坠物成了常见的“城市病”。他想在靠近地面的挑檐上安装一个高空坠物拦截装置，这个装置可以在检测到有高空坠物时发出警报，提醒附近行人，并快速对坠物进行拦截，以降低高空坠物的危险性，减少人员伤亡，同时在液晶屏显示坠物的楼层数，帮助公正处理民事纠纷。

锦成先准备好Arduino UNO板、舵机、激光传感器、扬声器、液晶屏、按键、时钟模块、太阳能光板、面包板、杜邦线、电池等，将此装置分为五步进行搭建。第一步，将两个激光传感器接到Arduino UNO板，检测有无坠物。第二步，将两个180°舵机连到Arduino UNO板上，粘上一个泡沫板，插上一根木棒当稳定轴进行坠物拦截。第三步，将扬声器焊好，线接到Arduino UNO板上，进行报警。第四步，将液晶屏连接到Arduino UNO板上，显示计算出的楼层数。第五步，将按键连接到UNO板上，工作人员清理完坠物，按下按键，装置收回墙体（见图3）。接着在Mixly平台进行编程，锦成一时间不知道该如何写计算楼层的程序，在网上搜了各种自由落体的物理公式，包括重力加速度原理等，费了很大的工夫，终于在程序上通过公式实现了算法。最后打造场景设定的外观，使用Lasermaker激光切割设计软件画出房子的图纸，用激光切割机切割出来，并拼接组合成一个模拟的高楼，把已经搭好的硬件，用胶枪和焊接枪固定好。锦成还不忘利用高层阳光充沛的特点，使用太阳能光板给电池充电，达到环保持久的目的。这一设计也获得成都市科技创新大赛一等奖。

我校四年级学生赵湘琳，先后学习了创新实践、计算思维、创意编程、Arduino创客、3D打印、STEM课程，积极申报了特长队训练活动，在成都市创客大赛中一举夺取五个一等奖，包括创想画、图形化编程、小创客方案、Arduino、人工智能五大领域。这些赛事激发了她对生活的好奇心，并在好奇心的驱使下不断解决问题，逐渐养成创新型人格。赵湘琳积极参加学校组织的各项科创活动，经中国教科院全国初赛、决赛层层遴选，代表学校赴北京参加全国创造大赛，在中国科学院大学为期两天半的创客马拉松赛事中成为最具创新精神的小学生之一。随后她通过遴选，代表学校赴北京中国宋庆龄青少年科技文化交流中心参加“未来工程师”博览活动。

三、多元评价引领早期识别培养拔尖创新人才方向

银都小学的课程多渠道、多方式、多样态地评价学生，如自评、他评、量化评价、质性评价、过程性评价、终结性评价等。同时鼓励学生以各种变通方式呈现特定学习内容，如产品策划、工程设计图、产品说明书、宣传海报、情景剧表演、产品发布会、申请专利、参加赛事等，以此内化学习方法，生成智慧，提升能力。善用多元评价可以很好地引领早期识别培养拔尖创新人才的方向。

课程的实施，帮助一批批银小学子成为各领域的拔尖创新人才。参与Arduino课程的教师团队也迅速成长，十余人获得全国STEM十佳教师、中国STEM种子教师、四川省特级教师、成都市学科带头人、成都市优秀青年教师、高新区优秀青年教师、高新区科技创新十佳教师、教坛新秀等荣誉称号，四人获全国赛课一等奖，主编了16本信息技术省编教材和9部STEM教程，发表十余篇国家级学术论文。学校获得国际青少年创新竞赛中国区特色学校、全国STEM领航学校、全国创造基地、四川省编程示范校、四川省高新区科技创新十佳学校等荣誉。

我校将继续探索拔尖创新人才的早期识别与培养路径，完善机制，让更多学生成为各行各业领军人物，成为拔尖创新人才。

参考文献

[1] 王欢.对小学拔尖创新人才培养的实践探索和理性思考[J].中小学校长，2011（10）：65-67+3.

[2] 冰洁.借助Arduino在小学高段开展STEM教育——以研发超声波传感器智能穿戴设备为例[J].中国民族教育，2018（Z1）：57-58.

[3] 陈宏程.青少年科技创新三十六计[M].合肥：安徽科学技术出版社，2020：43.

（作者单位：四川省成都师范银都小学）

责任编辑：赵继莹

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