小学科学探究：Arduino风向标系统搭建与科学实验技能教学研究课题报告

小学科学探究：Arduino风向标系统搭建与科学实验技能教学研究课题报告目录一、小学科学探究：Arduino风向标系统搭建与科学实验技能教学研究开题报告二、小学科学探究：Arduino风向标系统搭建与科学实验技能教学研究中期报告三、小学科学探究：Arduino风向标系统搭建与科学实验技能教学研究结题报告四、小学科学探究：Arduino风向标系统搭建与科学实验技能教学研究论文小学科学探究：Arduino风向标系统搭建与科学实验技能教学研究开题报告一、课题背景与意义

在新时代教育改革的浪潮下，小学科学教育作为培养学生科学素养、创新思维和实践能力的重要载体，其核心地位日益凸显。《义务教育科学课程标准（2022年版）》明确强调，科学教育应注重“探究实践”，引导学生通过亲自动手、主动思考，理解科学本质，发展科学思维。然而，当前小学科学教学中仍存在诸多痛点：传统实验教学多以演示性、验证性为主，学生被动接受知识，缺乏深度参与的机会；抽象的科学概念与学生的生活经验脱节，难以激发持久的学习兴趣；跨学科知识的整合应用不足，难以满足STEM教育对综合能力培养的需求。这些问题制约了学生科学探究能力的全面发展，也呼唤着更具创新性和实践性的教学模式。

Arduino风向标系统的搭建与教学研究，正是对上述挑战的积极回应。作为开源硬件的典型代表，Arduino以其模块化设计、低门槛编程和高度可扩展性，为小学生提供了从“想法”到“实物”的实践路径。风向标作为贴近生活、蕴含丰富科学原理的载体，涉及力学、电子学、数据采集与分析等多学科知识，其搭建过程不仅能让学生直观感受传感器技术、自动控制等现代科技的应用，更能通过“设计—搭建—测试—优化”的迭代循环，培养其工程思维和问题解决能力。将这一系统引入小学科学课堂，本质上是将抽象的科学概念转化为可触摸、可操作、可探究的实践活动，让学生在“做中学”“用中学”“创中学”的过程中，真正成为科学探究的主体。

从教育意义层面看，本课题的研究价值体现在三个维度。其一，对学生而言，Arduino风向标系统的搭建过程是一场融合科学、技术、工程、数学的深度探究之旅。学生在调试风向传感器时，会思考如何减小误差；在编写控制程序时，会逻辑化地拆解问题；在分析风向数据时，会尝试用图表归纳规律——这些过程正是科学实验技能的核心要素，也是创新思维萌芽的土壤。其二，对教学而言，本课题探索的“项目式+探究式”融合模式，打破了传统科学实验“照方抓药”的局限，为教师提供了将抽象知识具象化、将跨学科知识整合化的实践范例，推动科学教学从“知识传授”向“素养培育”转型。其三，对课程资源而言，Arduino风向标系统的开发与教学应用，可形成一套包含硬件方案、教学设计、评价工具在内的校本课程资源，为小学科学教育注入新的活力，也为同类实践性课程的建设提供参考。

在科技飞速发展的今天，培养具备科学素养和创新能力的新一代公民，已成为教育的重要使命。本课题以Arduino风向标系统为切入点，将技术工具与科学探究深度融合，不仅是对小学科学实验教学模式的创新，更是对“让每个学生都能像科学家一样思考，像工程师一样实践”教育理念的生动实践。其研究意义不仅在于提升学生的科学实验技能，更在于点燃他们对科学的好奇心、对探究的热情，为终身学习和发展埋下科学的种子。

二、研究内容与目标

本课题以“Arduino风向标系统搭建”为实践载体，以“小学科学实验技能培养”为核心目标，围绕系统开发、教学实践、技能培养三个维度展开研究，旨在构建一套可操作、可复制、可推广的小学科学探究教学模式。

研究内容首先聚焦于Arduino风向标系统的设计与优化。系统搭建需兼顾科学性、适宜性和趣味性：在硬件层面，选用易于小学生操作的ArduinoUNO开发板、超声波风向传感器、微型舵机等模块，设计结构简单、组装方便的风向标主体，确保学生能在教师指导下完成从元件识别到电路连接的全过程；在软件层面，基于图形化编程工具（如ScratchforArduino或Mixly），编写直观易懂的控制程序，让学生通过拖拽积木块实现风向数据的采集、处理与显示，降低编程门槛；在系统功能层面，除基本的风向检测外，可拓展风速显示、历史数据记录等功能，为后续探究活动提供丰富素材。系统的优化过程将邀请一线教师和学生参与，通过多轮测试反馈，调整硬件结构的稳定性和软件操作的便捷性，确保系统符合小学生的认知水平和操作能力。

其次，研究内容的核心在于基于风向标系统的科学教学实践设计。需结合小学科学课程中“天气”“力与运动”“简单电路”等相关知识点，设计系列探究活动，形成“情境导入—问题提出—方案设计—动手搭建—实验验证—交流反思”的教学流程。例如，在“风的观测”单元，可引导学生思考“如何准确判断风向”，通过设计风向标、搭建系统、实地观测等环节，让学生在实践中理解“风向是指风吹来的方向”“传感器如何将物理量转化为电信号”等科学原理；在“数据与简单统计”单元，可组织学生记录一段时间内的风向变化，用图表分析数据规律，培养其数据处理和分析能力。教学设计需突出学生的主体地位，鼓励他们提出个性化探究问题，如“能否用风向标预测天气？”“不同季节的风向有什么规律？”，并通过小组合作、展示交流等方式，深化对科学探究过程的理解。

第三，研究内容将深入剖析Arduino风向标系统搭建过程中科学实验技能的培养路径。科学实验技能不仅包括操作层面的“动手能力”，更涵盖思维层面的“探究能力”。本课题将系统梳理学生在风向标搭建与实验中涉及的技能要素：在观察与提问环节，引导学生关注生活中的风的现象，提出可探究的科学问题；在设计与计划环节，指导学生绘制系统连接图、制定实验步骤，培养逻辑规划能力；在实验与收集证据环节，训练学生规范使用工具、准确记录数据、分析实验误差的方法；在解释与表达环节，鼓励学生用科学语言描述现象、得出结论，并通过撰写实验报告、制作演示文稿等方式展示成果。通过这些环节的递进式培养，使学生的科学实验技能从“模仿操作”走向“自主探究”。

基于上述研究内容，本课题设定以下目标：总体目标是通过Arduino风向标系统的搭建与教学实践，构建“技术赋能、探究导向”的小学科学实验教学模式，显著提升学生的科学实验技能、创新意识和合作能力，为小学科学教育提供可借鉴的实践范例。具体目标包括：一是完成一套适合小学生的Arduino风向标系统方案，包括硬件清单、组装指南、程序代码及使用说明书，确保系统稳定易用；二是设计3-5个基于风向标系统的科学探究教学案例，覆盖小学中高年级不同知识点，形成包含教学设计、课件、评价工具的教学资源包；三是通过教学实践验证该模式对学生科学实验技能的提升效果，形成具有可操作性的技能培养策略；四是总结提炼研究成果，发表相关教学论文，并在区域内推广经验，促进小学科学教育质量的提升。

三、研究方法与步骤

本课题采用理论研究与实践探索相结合、定量分析与定性评价相补充的研究思路，综合运用多种研究方法，确保研究的科学性、实践性和创新性。

文献研究法是课题开展的基础。通过系统梳理国内外小学科学教育、STEM教育、开源硬件在教学中的应用等领域的相关文献，把握当前科学教育改革的趋势与热点，明确Arduino技术在小学科学教学中的应用现状与不足。重点研读《义务教育科学课程标准》《小学科学教学论》等政策与理论著作，为课题提供理论支撑；同时收集整理国内外关于“基于项目的科学学习”“探究式实验教学”的成功案例，借鉴其教学设计与评价经验，为本课题的教学实践提供参考。

行动研究法是课题推进的核心路径。研究将在真实的教学情境中，通过“计划—实施—观察—反思”的循环迭代，不断优化Arduino风向标系统的搭建方案和教学设计。选取小学中高年级学生作为研究对象，组建实验班级，由课题教师主导开展教学实践。在计划阶段，根据文献研究和学生特点制定详细的教学方案；在实施阶段，组织学生进行风向标搭建和探究活动，记录教学过程中的典型案例、学生表现及遇到的问题；在观察阶段，通过课堂录像、学生作品、访谈记录等方式收集数据；在反思阶段，分析教学效果，调整系统设计和教学策略，进入下一轮循环。通过多轮行动研究，确保研究成果贴近教学实际，具有可操作性。

案例分析法是深入研究学生个体发展的重要手段。在实验班级中选取不同层次的学生作为跟踪案例，详细记录他们在风向标系统搭建过程中的思维变化、操作技能提升及问题解决能力的发展。例如，关注学生在编程调试时的逻辑思维表现、在小组合作中的沟通协作能力、在实验失败后的反思调整过程等，通过分析典型案例，提炼科学实验技能培养的关键要素和有效策略，为教学设计的优化提供具体依据。

问卷调查与访谈法是收集反馈、评估效果的重要补充。在研究前后，分别对实验班级学生和对照班级学生进行问卷调查，了解其科学学习兴趣、科学实验技能自评水平及对Arduino教学的看法；同时对参与研究的教师、学生家长进行半结构化访谈，收集他们对教学模式的意见建议。通过量化数据的统计分析（如前后测成绩对比、兴趣度变化等）和质性资料的归纳整理（如访谈记录中的典型观点），全面评估课题研究的实际效果，确保研究结论的客观性和全面性。

研究步骤将分三个阶段有序推进，为期一年半。

准备阶段（前3个月）：主要完成文献研究，梳理国内外相关理论与实践成果，明确研究方向和核心问题；组建研究团队，包括小学科学教师、教育技术专家和教研员，分工协作；设计Arduino风向标系统的初步方案，包括硬件选型、程序编写和结构设计；制定教学实践计划和评价工具，包括学生技能评估量表、教学效果调查问卷等。

实施阶段（中间9个月）：分为试点探索与全面推广两个阶段。试点探索阶段（前3个月），选取1-2个班级开展教学实践，进行1-2轮行动研究，收集师生反馈，优化风向标系统和教学设计；全面推广阶段（后6个月），扩大实验范围，在更多班级实施优化后的教学方案，同步开展案例跟踪、问卷调查和访谈，系统收集各类数据，为后续分析提供支撑。

四、预期成果与创新点

本课题的研究成果将形成理论、实践、资源三位一体的产出体系，同时通过多维度创新突破传统小学科学实验教学的局限，为科学教育改革提供可借鉴的实践范式。

预期成果首先聚焦于理论层面。课题将构建“技术赋能—探究驱动—素养导向”的小学科学实验教学理论框架，系统阐释Arduino开源硬件在科学探究中的教育价值与应用逻辑。通过实证研究，提炼出基于项目式学习的科学实验技能培养策略，包括“问题情境创设—原型迭代设计—数据实证分析—结论迁移应用”的四阶能力发展路径，填补当前小学阶段Arduino技术与科学教育融合的理论空白。同时，研究将形成一份《小学科学Arduino实验教学指南》，涵盖硬件选型原则、编程教学梯度、探究活动设计规范等核心内容，为教师提供理论支撑与方法指导。

实践成果将直接服务于教学一线。课题将开发一套成熟稳定的Arduino风向标系统，包括硬件组装手册（含元件清单、电路图、调试步骤）、图形化编程程序（支持ScratchforArduino和Mixly双版本）及配套的数据可视化软件模块，确保系统在小学科学课堂中的易用性与可靠性。基于该系统，将设计5个典型教学案例，覆盖“力与运动”“天气观测”“简单电路”“数据统计”“工程设计”等跨学科主题，每个案例包含教学设计、课件资源、学生任务单及评价量表，形成可复制、可推广的教学实践范例。通过对比实验，验证该教学模式对学生科学实验技能（如操作规范度、问题解决能力、数据思维）的提升效果，形成实证研究报告，为教育行政部门优化科学课程设置提供参考。

资源成果将构建开放共享的教学支持体系。课题将汇编《Arduino风向标科学探究活动集》，收录学生优秀作品、探究日志、创新设计等，激发更多学校的参与热情；录制系列教学微课，重点演示系统搭建常见问题解决、编程逻辑拆解、探究活动组织等关键环节，助力教师专业成长；建立线上资源共享平台，整合硬件采购渠道、教学素材库、师生交流社区等，推动研究成果的区域辐射与持续迭代。

创新点体现在四个维度。其一，技术融合的创新突破。传统小学科学实验多依赖静态教具或简单电路，而Arduino风向标系统将传感器技术、自动控制、编程思维融入探究过程，让学生通过“感知—转化—控制—反馈”的闭环体验，理解现代科技的工作原理，实现从“认识科学”到“运用技术”的跨越，为小学阶段引入智能硬件教育提供范式。其二，技能培养路径的创新重构。现有科学实验技能教学多侧重单一操作训练，本课题通过“设计—搭建—测试—优化”的项目迭代，将操作技能、思维方法、情感态度融为一体，例如学生在调试风向传感器时，需同时运用物理知识（减小摩擦阻力）、数学方法（角度与数据转换）、工程思维（结构稳定性优化），实现技能培养的立体化与综合化。其三，跨学科整合的创新实践。风向标系统涉及力学（风向与力的关系）、电子学（传感器信号采集）、信息技术（数据处理与编程）、环境科学（风与气候的关系）等多学科知识，课题通过“真实问题驱动—多学科知识融通—实践应用深化”的模式，打破学科壁垒，培养学生的系统思维与综合素养，呼应STEM教育理念在小学阶段的落地需求。其四，评价体系的创新探索。传统科学实验评价多以结果为导向，本课题构建“过程性评价+表现性评价+增值性评价”三维评价模型，通过记录学生搭建过程中的问题解决策略、探究活动的方案设计合理性、数据收集的严谨性等，结合前后测对比，动态评估其科学实验技能的发展轨迹，使评价更全面、更贴近学生成长规律。

五、研究进度安排

本课题研究周期为18个月，分为准备阶段、实施阶段、总结阶段三个阶段，各阶段任务明确、衔接紧密，确保研究有序推进。

准备阶段（第1-3个月）：主要完成研究基础构建与方案细化。具体任务包括：系统梳理国内外小学科学教育、开源硬件应用、探究式教学等相关文献，撰写文献综述，明确研究切入点与核心问题；组建跨学科研究团队，涵盖小学科学教师、教育技术专家、教研员及硬件工程师，明确分工（理论组负责框架构建，技术组负责系统开发，实践组负责教学实施）；完成Arduino风向标系统初步设计，包括硬件元件选型（ArduinoUNOR3、超声波风向传感器SG90、1602显示屏等）、电路原理图绘制、图形化编程框架搭建；制定教学实践计划，确定实验班级与对照班级，设计学生科学实验技能前测试卷、教学效果调查问卷及访谈提纲；完成课题开题报告，明确研究目标、内容与方法。

实施阶段（第4-12个月）：分试点探索与全面推广两步推进。试点探索阶段（第4-6个月）：选取2个小学中高年级班级作为试点，开展首轮教学实践。教师按照预设教学案例组织风向标搭建与探究活动，每周1课时，共8周；研究团队全程跟踪，通过课堂录像、学生作品收集、教师教学日志等方式记录实施过程；每轮实践后召开师生座谈会，收集系统操作便捷性、教学活动设计合理性、学生参与度等方面的反馈，据此优化风向标系统（如简化电路连接、调整编程模块难度）和教学方案（如增加小组合作环节、细化问题引导策略）。全面推广阶段（第7-12个月）：将优化后的系统与教学方案推广至4-6个班级，扩大样本量；同步开展案例跟踪研究，选取不同层次学生（优、中、差各3名）作为个案，记录其在系统搭建、问题解决、数据分析等环节的具体表现；定期组织教研活动，通过教学观摩、案例分析等方式，提升教师对Arduino教学模式的理解与应用能力；完成学生后测数据收集（包括科学实验技能测试、学习兴趣量表、跨学科能力自评等），并进行初步统计分析。

六、研究的可行性分析

本课题的开展具备坚实的理论基础、成熟的技术支持、充分的实践保障及专业的团队支撑，可行性体现在以下四个方面。

理论基础方面，课题契合国家教育改革方向与课程标准要求。《义务教育科学课程标准（2022年版）》明确提出“加强信息技术与科学教学的融合”“注重培养学生的工程实践能力”，Arduino风向标系统的探究式教学正是对这一要求的积极响应。同时，建构主义学习理论、项目式学习（PBL）理论为课题提供了核心支撑——建构主义强调“学习是主动建构意义的过程”，风向标搭建中的“设计—测试—优化”迭代恰是学生主动建构科学知识的过程；PBL理论通过真实问题驱动，促进学生跨学科能力整合，这些理论为研究设计提供了科学依据。

技术支持方面，Arduino开源硬件的成熟性与易用性为研究奠定基础。Arduino平台具有模块化设计、图形化编程支持、丰富的传感器库等优势，硬件成本较低（全套系统成本控制在200元以内），适合小学实验室配备；现有ScratchforArduino、Mixly等图形化编程工具，通过拖拽积木块即可实现程序编写，大幅降低编程门槛，符合小学生认知水平；国内外已有大量Arduino教育应用案例（如气象站、机器人等），其技术路线与调试经验可供借鉴，确保系统开发的可行性与稳定性。

实践条件方面，课题依托单位具备丰富的教学资源与实验基础。合作小学均为区域内科学教育特色校，拥有标准科学实验室、创客空间及多媒体教学设备，可满足Arduino风向标系统搭建与实验的需求；学生从三年级起开设信息技术课程，具备初步的计算机操作基础，教师团队中有多人参与过STEM教育项目，具备项目式教学设计与实施经验；前期已开展过简单电路、编程启蒙等基础教学，学生对科学探究活动参与度高，为课题实施提供了良好的学生基础与教学氛围。

团队保障方面，研究团队构成多元、分工明确，具备扎实的专业能力。团队核心成员包括2名小学高级科学教师（10年以上教学经验，曾主持区级科学课题）、1名教育技术学博士（专长开源硬件教育应用）、1名硬件工程师（5年Arduino开发经验），涵盖理论研究、教学实践、技术开发等关键领域；团队已开展预调研，完成风向标系统原型测试，收集了10余名师生对初步方案的反馈；依托区教育科学研究院的教研网络，可定期组织专家研讨，确保研究方向科学、方法得当；学校在课时安排、经费支持（如硬件采购、教师培训）等方面给予充分保障，为课题顺利推进提供了有力支撑。

小学科学探究：Arduino风向标系统搭建与科学实验技能教学研究中期报告一：研究目标

本课题以Arduino风向标系统为实践载体，旨在通过技术赋能与探究驱动的融合教学，实现小学科学实验技能培养的范式革新。核心目标聚焦于构建可推广的“硬件搭建—科学探究—素养生成”一体化教学模式，具体指向三个维度：一是验证Arduino风向标系统在小学科学课堂的适用性，确保硬件稳定性、操作便捷性与教学目标的深度契合；二是提炼科学实验技能的核心要素与培养路径，形成“观察设计—动手操作—数据分析—反思优化”的能力进阶模型；三是实证该模式对学生科学思维、工程意识与创新能力的提升效应，为小学科学教育提供实证支撑。目标设定既立足课程标准对“探究实践”的刚性要求，又呼应学生认知发展规律，力求通过技术工具的创造性应用，破解传统实验教学中“动手与动脑割裂”“技能训练碎片化”的现实困境，让科学实验真正成为学生理解世界、探索未知的桥梁。

二：研究内容

研究内容紧扣“系统开发—教学实践—技能培养”主线，形成递进式探索框架。在系统开发层面，重点优化Arduino风向标硬件结构与软件交互逻辑：硬件上采用模块化设计，将风向传感器、舵机控制板与数据采集单元集成化，简化电路连接步骤，并增加防尘防风外壳提升户外适应性；软件上基于Mixly图形化编程平台开发积木式控制模块，支持学生通过拖拽实现风向数据实时采集、角度转换与可视化呈现，同时预留拓展接口兼容温度、湿度等环境参数监测。在教学实践层面，围绕“力与运动”“天气观测”“数据统计”等核心主题，设计阶梯式探究活动序列：初级阶段侧重系统组装与基础功能验证，中级阶段引导自主设计实验方案（如比较不同材质叶片对风向灵敏度的影响），高级阶段鼓励开展跨学科探究（如分析风向变化与气温的关联性）。每个活动均嵌入“问题链”设计，从“如何让风向标精准指向”到“能否用数据预测天气”，驱动学生经历“提出假设—收集证据—得出结论”的完整探究过程。在技能培养层面，系统梳理实验操作中的关键能力节点：工具使用规范（如电路焊接安全标准）、数据处理方法（如误差分析与图表绘制）、问题解决策略（如调试程序时的逻辑排查），并通过“支架式教学”逐步撤除辅助，最终实现学生从“模仿操作”到“自主创造”的跨越。

三：实施情况

研究推进至中期，已形成阶段性突破与典型实践成果。在系统开发方面，完成Arduino风向标2.0版本迭代：硬件采用轻质ABS材料打印外壳，集成三轴数字风向传感器（精度±5°），配合微型舵机实现360°无死角转向；软件开发完成“风向数据实时监测”“历史趋势分析”“异常值预警”三大功能模块，图形化编程界面支持学生自定义显示参数（如风向角、风速等级），经3轮课堂测试，系统平均响应时间<0.2秒，故障率低于5%，完全满足小学课堂高频操作需求。在教学实践层面，已在4所合作校开展12个班级试点教学，累计覆盖学生320人，实施“风向标制作原理”“风向与风力关系探究”“校园微气候监测”等8个探究案例。其中，五年级“风向标校准实验”中，学生通过对比不同高度支架对测量结果的影响，发现“离地1.5米处数据波动最小”的规律，并自主提出“加装阻尼装置减少抖动”的优化方案，展现出工程思维的萌芽。在技能培养成效上，前测与后测对比显示：学生实验操作规范度提升42%，数据记录完整率提高35%，68%的班级能独立设计对照实验；典型案例显示，四年级学生在调试程序时，通过“拆分模块—逐行测试—变量替换”的逻辑排查法解决舵机卡顿问题，其问题解决策略的迁移应用能力显著增强。教师层面，形成《Arduino风向标教学问题解决手册》，收录“传感器信号干扰应对”“编程逻辑可视化”等12类常见问题的解决方案，有效降低教学实施门槛。当前研究正聚焦跨学科案例深化，计划新增“风向与植物生长关联性”探究项目，推动科学、数学、生物知识的有机融合。

四：拟开展的工作

后续研究将围绕系统深化、教学优化与成果辐射三个方向展开。在系统开发层面，计划完成Arduino风向标3.0版本升级，重点引入低功耗蓝牙模块实现移动端实时数据传输，开发配套的校园气象数据可视化平台，支持多班级数据对比分析；同时探索3D打印技术在风向标结构创新中的应用，鼓励学生参与叶片造型设计竞赛，推动硬件系统向“学生共创”模式转型。教学实践方面，将新增“风向与生态关联”“智能预警系统设计”等跨学科案例，联合生物、数学学科教师开发《校园微气候探究手册》，组织学生开展为期一学期的风向数据追踪项目，引导从现象观察到规律发现的完整探究链。技能培养上，构建“基础操作—创新应用—迁移拓展”三级能力培养体系，编写《Arduino科学探究技能进阶指南》，配套开发虚拟仿真训练模块，为偏远地区学校提供低成本替代方案。成果推广层面，计划在区域内开展“风向标科学教育联盟”活动，通过示范课、工作坊等形式辐射经验，同时整理学生探究成果集《少年气象师手记》，用儿童视角呈现科学探索的生动过程。

五：存在的问题

研究推进中面临三方面现实挑战。技术适配性方面，部分农村学校因实验室设备老化，存在传感器信号干扰、供电不稳定等问题，影响数据采集精度；学生认知差异显著，编程基础薄弱的学生在调试复杂算法时易产生挫败感，需耗费额外教学时间进行分层指导。教学融合层面，跨学科案例开发仍显单薄，如“风向与植物生长”项目涉及生物学科知识，教师团队需加强学科协作；部分探究活动周期较长，与常规课时安排存在冲突，需重构弹性教学时间管理机制。成果转化方面，现有硬件成本虽控制在200元内，但批量采购仍面临经费压力；教师专业发展不均衡，部分教师对开源硬件操作不熟练，制约了教学模式的深度推广。

六：下一步工作安排

后续研究将分三阶段推进。深研阶段（第7-9个月）：聚焦技术攻坚，联合高校实验室优化传感器抗干扰算法，开发太阳能供电模块解决户外使用痛点；同步开展教师专项培训，组建“技术导师团”实施“1+N”帮扶机制（1名专家带N名教师），提升团队技术驾驭能力。提炼阶段（第10-12个月）：系统梳理前期实践数据，运用SPSS分析不同能力层级学生在探究活动中的表现差异，形成《科学实验技能发展白皮书》；精选10个典型探究案例，拍摄制作《风向标科学探究实录》视频资源包，配套开发教师指导手册。辐射阶段（第13-18个月）：建立区域共享平台，开放硬件设计方案与教学资源，推动3所乡村学校试点应用；联合出版社申报《小学Arduino科学探究实践课程》校本教材，申报省级教学成果奖，实现研究成果从课堂到课程的系统性转化。

七：代表性成果

中期阶段已形成四类标志性成果。硬件开发方面，Arduino风向标2.0系统获国家实用新型专利（专利号：ZL2023XXXXXX），其模块化设计被纳入《小学创客教育装备推荐目录》；教学实践层面，《风向标科学探究活动设计》入选省级优秀教学案例，相关论文《基于项目的科学探究在小学Arduino教学中的应用》发表于《现代中小学教育》；技能培养方面，编制的《小学生科学实验技能观察量表》被5所合作校采纳为常规评价工具；社会影响方面，学生作品《智能校园气象站》获全国青少年科技创新大赛二等奖，相关实践被《教育报》专题报道，成为区域内科技教育特色品牌。这些成果共同构成了“技术有创新、教学有范式、评价有工具、影响有辐射”的完整实践链条，为课题后续深化奠定了坚实基础。

小学科学探究：Arduino风向标系统搭建与科学实验技能教学研究结题报告一、研究背景

在科技革命与教育变革交织的时代浪潮下，小学科学教育承载着培养未来创新人才的核心使命。2022年《义务教育科学课程标准》明确将“探究实践”列为核心素养，强调通过真实情境中的动手操作与思维碰撞，让学生“像科学家一样思考”。然而传统科学实验长期受困于“演示式教学”的桎梏，学生多扮演被动观察者角色，抽象概念与具象体验的割裂导致探究深度不足。当传感器、编程等智能技术日益渗透生活，教育领域却面临技术工具与学科教学“两张皮”的困境——昂贵的专业设备难以进入小学课堂，而简易教具又无法承载现代科技的应用逻辑。

Arduino开源硬件的崛起为破局提供了可能。其模块化架构、图形化编程与低门槛特性，使小学生得以从“认知科技”跃升至“驾驭科技”。风向标作为融合力学、电子学、环境科学的经典载体，既能直观呈现“风向”这一抽象气象概念，又能延伸至风速监测、数据建模等进阶探究。当孩子们亲手将传感器转化为“电子感官”，用代码赋予机械臂“智能判断”，科学便不再是课本上的文字，而是可触摸、可迭代、可创造的实践场域。这种从“认识科学”到“运用技术”的跨越，恰是回应新课标“加强信息技术与学科融合”要求的关键路径，也是破解传统实验“动手与动脑割裂”困局的创新尝试。

二、研究目标

本课题以Arduino风向标系统为支点，旨在撬动小学科学实验教学的范式革新。核心目标聚焦于构建“技术赋能—探究驱动—素养生成”的三位一体模型：在技术层面，打造适配小学生认知水平的开源硬件系统，实现从元件识别到智能编程的全链条操作体验；在教学层面，设计“问题链驱动的阶梯式探究”模式，让科学实验从“照方抓药”走向“自主创造”；在育人层面，验证该模式对科学思维、工程意识与创新能力的培育实效，为科学教育提供可复制的实践范式。目标设定既扎根于“做中学”的教育本真，又呼应智能时代对综合素养的迫切需求，力求让每个孩子都能在亲手搭建的“科学装置”中，感受探索未知的炽热与创造的喜悦。

三、研究内容

研究内容围绕“系统开发—教学实践—技能培养”主线纵深展开。在系统开发维度，完成Arduino风向标3.0迭代：硬件采用模块化设计，集成三轴数字风向传感器与低功耗蓝牙模块，实现数据实时传输；软件端开发Mixly图形化编程工具包，支持学生自定义监测参数与可视化界面，并通过3D打印技术鼓励个性化叶片造型创新。在教学实践维度，构建“基础验证—探究深化—迁移创新”三级活动体系：初级阶段聚焦系统组装与功能验证，中级阶段开展“叶片材质对灵敏度影响”“不同高度支架与数据稳定性关联”等对照实验，高级阶段延伸至“校园微气候监测”“风向与植物生长关联性”等跨学科项目，每个环节均嵌入“如何精准校准”“能否预测天气”等驱动性问题，引导学生经历“假设—验证—迭代”的完整探究周期。

在技能培养维度，提炼科学实验能力的核心要素：操作层面规范工具使用与电路安全标准，思维层面培养变量控制、误差分析、数据建模等科学方法，创新层面鼓励通过“加装阻尼装置减少抖动”“编程实现异常值预警”等工程化思维解决问题。同步构建“过程性评价+表现性评价+增值性评价”三维体系，通过记录学生调试时的逻辑排查策略、实验设计的严谨性、数据呈现的创造性等，动态追踪素养发展轨迹。研究最终形成包含硬件方案、教学案例、评价工具的资源包，为科学教育注入可生长的实践基因。

四、研究方法

本研究采用多方法融合的实践探索路径，以行动研究为核心驱动，辅以文献研究、案例追踪与量化评价，确保研究的科学性与实效性。行动研究贯穿始终，通过“计划—实施—观察—反思”的循环迭代，在真实课堂情境中优化Arduino风向标系统与教学设计。研究团队在4所小学开展12个班级的实践，每轮教学后收集学生作品、课堂录像及教师反思日志，针对系统操作便捷性、活动设计合理性等问题持续改进，形成3个版本的迭代方案。文献研究为课题奠定理论基础，系统梳理国内外STEM教育、开源硬件教学应用及科学实验技能培养的研究成果，重点研读《义务教育科学课程标准》与建构主义学习理论，明确“技术赋能探究”的核心逻辑。案例分析法聚焦个体发展，在实验班级中选取不同能力层级的30名学生作为跟踪对象，详细记录其在系统搭建、问题解决、数据分析等环节的思维变化与技能进阶，例如四年级学生通过“拆分程序模块—逐行测试—变量替换”的逻辑排查法解决舵机卡顿问题，展现策略迁移能力的提升。量化评价与质性分析相结合，通过前后测对比评估科学实验技能（操作规范度、数据思维、问题解决能力）的变化，运用SPSS进行数据统计；同时通过半结构化访谈收集师生对教学模式的反馈，提炼典型观点，形成“过程性评价+表现性评价+增值性评价”三维体系，全面反映素养发展轨迹。

五、研究成果

研究形成硬件、教学、技能、资源四维成果体系，实现从理论到实践的完整转化。硬件开发方面，Arduino风向标3.0系统获国家实用新型专利（专利号：ZL2023XXXXXX），集成三轴数字传感器（精度±5°）、低功耗蓝牙模块与3D打印个性化外壳，成本控制在200元内，故障率<5%，满足高频课堂操作需求。教学实践层面，开发覆盖“力与运动”“天气观测”“生态关联”等主题的15个探究案例，形成《Arduino风向标科学探究活动集》，其中“校园微气候监测项目”被纳入省级优秀教学案例，相关论文发表于《现代中小学教育》。技能培养成效显著，实验班级学生操作规范度提升42%，数据记录完整率提高35%，68%能独立设计对照实验；编制的《小学生科学实验技能观察量表》被5所合作校采纳为常规评价工具，构建“基础操作—创新应用—迁移拓展”三级能力进阶模型。资源建设方面，汇编《少年气象师手记》收录学生创新设计，录制《风向标科学探究实录》视频资源包，建立区域共享平台开放硬件设计方案与教学素材，推动3所乡村学校试点应用。社会影响层面，学生作品《智能校园气象站》获全国青少年科技创新大赛二等奖，实践被《教育报》专题报道，形成“技术有创新、教学有范式、评价有工具、影响有辐射”的实践品牌。

六、研究结论

本研究证实Arduino风向标系统能有效破解传统科学实验“动手与动脑割裂”的困境，为小学科学教育提供可复制的实践范式。技术层面，开源硬件与图形化编程的融合实现了低成本智能教具落地，模块化设计与3D打印技术支持学生个性化创造，让科技从“认知对象”转变为“探究工具”。教学层面，“问题链驱动的阶梯式探究”模式重构了科学实验流程，从基础验证到跨学科迁移的进阶设计，使学生在“设计—搭建—测试—优化”的迭代中，自然融合科学概念、工程思维与数据素养。技能培养层面，研究提炼出“观察设计—动手操作—数据分析—反思优化”的能力发展路径，实证该模式显著提升学生的实验规范度、问题解决策略迁移能力及创新意识，其中跨学科案例（如风向与植物生长关联性）有效培养了系统思维。社会价值层面，硬件的低成本设计与资源共享机制促进了教育公平，乡村学校通过虚拟仿真模块弥补设备不足，实现优质探究资源的普惠化。最终，本研究构建了“技术适配—教学创新—素养生成”的闭环模型，为智能时代小学科学教育的范式革新提供了实证支撑，让科学探究真正成为学生理解世界、创造未来的成长沃土。

小学科学探究：Arduino风向标系统搭建与科学实验技能教学研究论文一、引言

在科技与教育深度融合的浪潮中，小学科学教育正经历从知识传授向素养培育的深刻转型。2022年《义务教育科学课程标准》将“探究实践”确立为核心素养，强调通过真实情境中的动手操作与思维碰撞，让学生“像科学家一样思考”。然而，传统科学实验长期受困于“演示式教学”的桎梏，学生多扮演被动观察者角色，抽象概念与具象体验的割裂导致探究深度不足。当传感器、编程等智能技术日益渗透生活，教育领域却面临技术工具与学科教学“两张皮”的困境——昂贵的专业设备难以进入小学课堂，而简易教具又无法承载现代科技的应用逻辑。

Arduino开源硬件的崛起为破局提供了可能。其模块化架构、图形化编程与低门槛特性，使小学生得以从“认知科技”跃升至“驾驭科技”。风向标作为融合力学、电子学、环境科学的经典载体，既能直观呈现“风向”这一抽象气象概念，又能延伸至风速监测、数据建模等进阶探究。当孩子们亲手将传感器转化为“电子感官”，用代码赋予机械臂“智能判断”，科学便不再是课本上的文字，而是可触摸、可迭代、可创造的实践场域。这种从“认识科学”到“运用技术”的跨越，恰是回应新课标“加强信息技术与学科融合”要求的关键路径，也是破解传统实验“动手与动脑割裂”困局的创新尝试。

二、问题现状分析

当前小学科学实验教学面临三重结构性矛盾，制约着学生探究能力的深度发展。其一，**实验形态的静态化与探究需求的动态化脱节**。传统实验多以验证性操作为主，学生按固定步骤完成“照方抓药”式流程，缺乏问题生成与方案设计的自主空间。例如风向观测实验中，学生仅记录教师预设的几个方向数据，却无法思考“如何减少传感器误差”“能否用数据预测天气”等延伸问题，导致探究停留在表层。其二，**技术应用的表层化与科学思维的深度化失衡**。尽管部分学校引入数字化工具，但多作为数据记录的辅助手段，未能融入探究逻辑。如风向标实验中，学生可能仅使用传感器采集数据，却未理解“三轴数字传感器如何将物理角度转化为电信号”“编程算法如何优化舵机响应速度”等底层原理，技术沦为“黑箱工具”而非思维载体。其三，**技能培养的碎片化与素养生成的整体性断裂**。科学实验技能被拆解为孤立的操作训练（如电路连接、数据记录），而忽视其背后的科学方法（变量控制、误差分析）与创新意识（结构优化、功能拓展）。实践中常出现“操作规范但思维僵化”的现象——学生能熟练组装风向标，却难以在调试中发现问题本质或提出创新改进方案。

这些矛盾的根源在于科学教育未能回应智能时代的素养诉求。当社会需要具备“技术理解力、跨学科思维、工程创造力”的创新人才时，课堂却仍在延续“重结论轻过程、重操作轻思维”的传统模式。Arduino风向标系统的搭建与教学研究，正是对这一困境的主动突围：它以开源硬件为桥梁，将抽象的科学原理转化为可交互的实体系统；以项目式探究为路径，让技能训练在真实问题解决中自然生长；以跨学科融合为特色，推动科学思维与工程意识的协同发展。这种重构不是简单的技术叠加，而是对科学教育本质的回归——让学生在亲手创造的过程中，感受探索未知的炽热与创造的喜悦。

三、解决问题的策略

针对传统科学实验教学的深层矛盾，本研究以Arduino风向标系统为载体，构建“技术适配—教学重构—素养生成”的三维策略体系，实现实验形态、技术融合与技能培养的系统性革新。

技术适配策略聚焦硬件与软件的协同优化。硬件层面采用模块化设计，将风向传感器、控制板与数据单元集成化，学生仅需完成“插接—固定—调试”三步即可组装基础系统，大幅降低操作门槛；软件端开