STEM教育理念下的高中Arduino机器人教学设计研究

随着时代的发展，21世纪对人才培养提出了更高的要求，创新型人才的培养成为我国教育领域重点关注的话题。基础教育是国家创新体系中的重要环节，因此，实施创新教育是我国基础教育改革的重要方向。2018年1月初，教育部发布的《普通高中课程方案和语文等学科课程标准（2017年版）》，重新修订了语文等14门学科的课程标准，其中值得注意的是，编程、机器人、人工智能正式划入信息技术课程标准，在信息技术课程中首次出现了“开源硬件项目设计”等模块，强调激发学生的创新兴趣，培养学生的动手实践能力，并且指出以STEM教育理念作为教学指导方法。在基础教育阶段，机器人教育已经成为培养学生创新能力的重要途径之一。机器人教育因其学科的创新实践性和学科融合性,被认为是融合STEM教育的一条有效路径。STEM教育对科学、技术、工程、数学进行融合，旨在培养学生的创新精神和能力，以满足当今社会对创新型人才的需求。机器人教育的创新性、综合性、实践性、多样性正好符合STEM教育对于人才培养的要求。所以，如何在STEM教育理念的指导下开展以Arduino开源硬件为基础的机器人教育课程对于创新型人才的培养至关重要。一、相关概念（一）STEM教育理念STEM教育理念起源于美国，是一种旨在提升人才竞争实力的教育理念，从2000年以来，美国政府相继颁布《美国竞争力计划》《教育推动创新》《改变均衡》等法案，其目的在于改进STEM教育用以适应世界的发展和竞争。与此同时STEM教育理念也传入英国、中国、芬兰等国家，逐渐发展成为当今世界上具有重要影响力的教育理念之一。STEM教育由科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的首字母组合，但是STEM的本质并不是四门学科的简单组合，而是打破传统的习惯，将分散的四大学科的知识内容组合形成一个有机整体，将碎片化的知识汇集起来去解决现实问题。STEM教育着眼于创新型人才的培养，不局限与特定学科及知识，强调通过跨学科整合来分析和解决问题。（二）Arduino机器人Arduino是一个基于开放源码的软硬件平台，具有使用Java、C语言的开发环境和图形化编程环境，其被称为“科技艺术”，Arduino总的来说由两部分构成：硬件Arduino电路板（各种型号）和软件ArduinoIDE。它最初是由意大利伊夫雷亚交互设计学院的副教授马西莫·班兹和他的学生赫尔南多·巴拉甘一起设计出来的，他们将它面向公众开源，同时把硬件价格做到最低，Arduino凭借其开源、低成本的特点迅速传播开来，成为了最主流的开源硬件开发平台之一。1.硬件Arduino硬件包含很多智能电路板及可实现不同功能的传感器和元器件，Arduino先后发布了十多种电路板型号，包括可以缝在衣服上的LiLyPad，也有为Andriod设计的MEGA，也有最基础的型号UNO，还有最新Leonardo。ArduinoUNO是目前使用最广泛的Arduino控制器，具有Arduino的所有功能。硬件部分主要涉及基础电路知识，用来进行电路的连接搭建。2.软件Arduino软件部分主要有PC端的ArduinoIDE以及相关的板级支持包（BSP）和丰富的第三方函数库组成。软件部分主要进行相关程序的编写，并将其上传至主控板中进行测试并适当修改。目前常见的图形化编程软件有ArduBlock、S4A、Mixly和好好搭搭等，目前应用最广泛的是Mixly软件，它采用积木式的图形编程界面，极大地降低了编程的门槛，同时可以支持市场上几乎所有的Arduino套件。其编程界面与Scratch编程软件、AppInventor软件等有很大的相似之处，使得编程容易上手，非常适用于初高中机器人类课程的课堂教学。二、STEM教育理念下的Arduino机器人教学内涵STEM教育主张使用项目探究的方式将知识的传授置于真实的生活情境中，鼓励学生通过团结协作的形式将习得的多学科知识加以综合应用来解决现实存在的问题，以此来提高学生的解决问题、实践操作、合作交流的能力。Arduino机器人课程是一门交叉性的综合课程，包含计算机、数学、物理、工程、机械等多门学科，该门课程的目标在于培养学生综合运用各学科知识来解决实际问题的能力，该课程的培养目标符合STEM教育的内涵。将STEM教育理念引入Arduino课程教学中，强调将学生置于真实的问题情境中，倡导将各学科知识通过综合性的Arduino课程灵活组合运用，促进学科间的联系，达到综合运用的目的。在机器人教学中,学生能够接触真实的项目案例，综合运用数学、物理、科学、计算机等多学科的知识来支持项目的完成，这种多学科知识的综合应用，是开展STEM教育的重要抓手。同时在完成过程中，从项目的选择、分析到完成，学生之间通过相互讨论、设计方案、搭建硬件、编码调试等合作探究活动，逐渐形成较为系统的项目设计与开发理念，增强了学生解决问题和团队合作的能力，这些能力也是未来社会对人才需求的基本条件。因此，在STEM理念的指导下，开展Arduino机器人教学活动，能够让学生利用已有知识和生活经验，将所学知识灵活应用到不同的学习活动中，提高学生面对世界的勇气和解决问题的能力。这种活动不仅能够促进教学目标的达成，还能促进学生的综合发展，既能满足学生的现实需求，又能满足未来社会对学生发展的需求，对于创新型人才的培养打下了坚实的基础。三、STEM教育理念下的高中Arduino机器人教学设计案例（一）模式探索STEM教育理念指导下的Arduino机器人教学活动，强调学生在真实的问题情境中，通过合作探究的方式综合应用各学科知识去解决问题。这种教学活动重点强调问题情境、合作探究以及综合应用，与建构主义学习理论强调的学生的学习活动必须与任务或问题相结合，通过团队合作以探索任务来维持学习者的学习动机，创建真实的学习情境，让学生带着真实的任务学习不谋而合。所以，在建构主义理论的基础上，急需找到一种合适的教学方式去支持STEM教育理念下的Arduino机器人教学活动。“任务驱动”是一种建立在建构主义学习理论基础上的教学法。所谓“任务驱动”是指在教学活动中，学生在教师的帮助下，围绕一个共同的任务活动，在强烈的问题动机的驱动下，通过对学习资源的积极主动应用，进行自主探索和团队协作的学习。它强调“任务”的目标性和教学情境的创建，它将以往的以知识传授为主的传统教学理念，转变为以解决问题、完成任务为主的互动式教学理念；将传统灌输式的教学转变为主动探究式的学习，使学生处于积极的心理状态，使得每位学生都能根据自己对当前问题的理解，运用已有的知识和自己特有的经验提出方案、解决问题。下图1是在任务驱动教学方式的基础上构建的STEM理念下的Arduino机器人教育模式流程图，其中每个流程环节中具体介绍了教师、学生的活动，具体分析如图1所示。图1STEM理念下Arduino机器人教育模式流程图1.创设情境，任务驱动研究结果显示，高管薪酬与企业绩效并不相关，或者仅弱相关。事实上，目前我国企业高管薪酬出现了两种极端的现象：一方面是高管薪酬奇高，超过合理的价位；另一方面，企业绩效提升了，高管的激励却严重不足。激励不足和激励过当并存，十分容易混淆是非，最终造成“眉毛胡子一把抓”。创设问题情境，以诱发学生的探究心理，引起其解决问题的兴趣，促使其思维进行积极的活动，有利于学生主动地进入教学活动中。教师要创设与当前主题相关的学习情境，从学生的已有知识和经验出发提出符合学生实际的学习任务，此任务要联系学生的生活实际和亲身体验，不仅要关注学生的知识技能，还要关注他们的生活经验和情感态度。学生受到情境的感染，激发了自身的学习兴趣和求知欲，接着思考教师提出的与学习主题相关的问题（任务），以解决任务为核心，积极主动地运用所学知识去解决当前任务。2.小组合作，制定方案小组分工合作，制定关于任务的解决方案，为了完成共同的任务，进行明确的责任分工的互助性学习，是当前积极提倡的有效教学方式之一，它建立在建构主义学习理论的基础上，关注团队协作的重要性，能够让每位学生在固定的时间内学习效率更高，更重要的是能够提高学生的综合能力。在此阶段，教师根据教学活动及教学条件组织学生进行小组分工的活动，根据需要提供教学资源，引导学生思考解决问题的步骤。学生根据教师的要求完成小组分工，组内探讨解决问题的步骤，并给出初步实施方案，进而探讨方案的可行性，为下一步的实践提供支持。3.执行方案，引导提升学生根据上一阶段制定的实施步骤进行操作实践，在实践过程中会出现各种各样的问题，包括知识原理方面、硬件搭建以及代码调试等方面的问题，实践过程中，通过小组合作能够解决部分问题，但难免会有遗留问题。在此阶段，教师的任务就是引导学生，为学生提供脚手架，引导学生思考解决问题的方法，教师不能直接告诉学生应当如何去解决面临的问题，而是向学生提供解决该问题的有关线索，比如帮助学生分析原理、引导学生进行操作、指出学生当前存在的问题等，同时提出更深层次的问题，引发学生的进一步思考，进一步提升学生的能力水平。4.作品点评，课堂总结学生在完成任务后，展示本组作品，同时根据教师和其他同学对本组完成情况所做的评价，总结自己在完成任务时存在的问题及不足，以便进一步的提升。在此阶段，教师需要对每个小组做出的成果进行综合点评，包括组内分工，流程设计、硬件搭建、代码调试等各个阶段。主要包括两部分内容，一方面是对学生完成当前问题的解决方案的过程和结果进行评价，而另一方面是对学生自主学习以及协作学习能力的评价。课堂总结本节课所学的知识点，同时对各个小组在完成任务时存在的共性问题进行汇总，将共性问题进行再次说明，帮助学生加深印象。（二）教学案例Arduino机器人课程最先是由温州中学的谢作如老师开设的，这为机器人课程在全国的开展起了良好的带头作用。但是Arduino机器人课程目前尚没有统一的教学内容，研究者也是根据自身的教学经验以及机器人厂家提供的说明书来开展教学。因此，本研究团队在总结各位研究学者及研究团队教学经验的基础上，以STEM教育理念为指导，设计了《Arduino机器人》系列课程，该门课程将《智能LED灯》作为教学内容的第一单元，如下表1所示。第一单元主要通过各种方式让LED小灯亮起来，让学生了解Arduino机器人的基础知识,提高学生学习机器人的兴趣。表1第一单元《智能LED灯》本研究选取“按钮控制LED灯”模块的内容，以上述探索的教学模式流程为指导，开展了详细的教学设计研究，具体内容如下所示。1.教学内容及学习者分析按钮控制LED灯是Arduino系列课程的第三次教学内容。学生通过前两节的学习，已经初步了解Arduino控制板以及面包板的连接，也熟悉了可视化编程环境Mixly，同时学生已经体验过让小灯闪烁起来，继而学生对于如何能进一步操作控制小灯更加感兴趣，所以本节课主要是让学生通过操作按钮来控制小灯，同时了解按钮控制灯在生活中的常见应用。本节课既有对之前所学内容的巩固，又有新内容（器件）的加入，层层深入，为后续的学习奠定了良好的基础。本研究的教学对象是高中一年级学生，根据皮亚杰的认知发展理论，他们处于形式运演阶段，思维已经发展到抽象逻辑推理水平，能够进行假设——演绎推理，通过提出问题的各种可能性，然后去系统地判断寻找最佳解决答案。通过上学期对C语言课程的学习，具有一定的编程逻辑基础，在初中以及高中阶段学习过物理的电路知识，对电路的选择及连接方面的知识有一定掌握。2.教学目标分析在知识与技能目标方面，了解按钮灯在生活中的应用，列举身边常见的按钮控制灯；进一步熟悉并掌握硬件的搭建，实现利用按钮控制灯的亮灭。在过程与方法方面，学生在对电脑操作以及硬件搭建的过程中增强动手能力；在实现不同的按钮控制效果的过程中正确运用物理电路知识。在情感态度价值观方面，通过不同情况下对灯亮灭控制的设计制作，进一步提高学生的学习兴趣；通过小组合作来完成按钮灯的编程控制和硬件搭建，逐步增强学生的合作意识；通过结合物理电路知识以及计算机编程知识来完成按钮控制灯，提高学生综合运用多学科知识来解决问题的意识。3.教学重难点教学重点：硬件的搭建、数字口的输出。教学难点：不同情况下物理电路的选择及连接。4.教学过程设计根据对教学内容、学生特征、教学目标以及重难点分析的基础上，本研究对本节课的教学过程做了详细的设计，如下表2所示。表2教学过程5.教学评价设计本次教学活动采用多种方式进行教学评价，包括过程性评价和总结性评价。对于过程性评价，教师重点对在任务完成过程中各小组成员的参与及表现进行评价，包括他们的规划能力、动手能力、参与程度、解决问题的能力及团队合作能力。总结性评价主要涉及对学生完成任务成果的评价，重在考核学生的分析问题、知识迁移及综合运用、创新的能力。在此过程中，采取教师评价、小组互评和学生自评相结合的方法，对成果进行客观评价。四、总结STEM教育当前受到世界各国教育领域的广泛关注，在我国基础教育