STEM教育理念下的高中Arduino機(jī)器人教學(xué)設(shè)計(jì)研究

隨著時(shí)代的發(fā)展，21世紀(jì)對(duì)人才培養(yǎng)提出了更高的要求，創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)成為我國(guó)教育領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的話題?；A(chǔ)教育是國(guó)家創(chuàng)新體系中的重要環(huán)節(jié)，因此，實(shí)施創(chuàng)新教育是我國(guó)基礎(chǔ)教育改革的重要方向。2018年1月初，教育部發(fā)布的《普通高中課程方案和語(yǔ)文等學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》，重新修訂了語(yǔ)文等14門學(xué)科的課程標(biāo)準(zhǔn)，其中值得注意的是，編程、機(jī)器人、人工智能正式劃入信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)，在信息技術(shù)課程中首次出現(xiàn)了“開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)”等模塊，強(qiáng)調(diào)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，并且指出以STEM教育理念作為教學(xué)指導(dǎo)方法。在基礎(chǔ)教育階段，機(jī)器人教育已經(jīng)成為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要途徑之一。機(jī)器人教育因其學(xué)科的創(chuàng)新實(shí)踐性和學(xué)科融合性,被認(rèn)為是融合STEM教育的一條有效路徑。STEM教育對(duì)科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)進(jìn)行融合，旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和能力，以滿足當(dāng)今社會(huì)對(duì)創(chuàng)新型人才的需求。機(jī)器人教育的創(chuàng)新性、綜合性、實(shí)踐性、多樣性正好符合STEM教育對(duì)于人才培養(yǎng)的要求。所以，如何在STEM教育理念的指導(dǎo)下開展以Arduino開源硬件為基礎(chǔ)的機(jī)器人教育課程對(duì)于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)至關(guān)重要。一、相關(guān)概念（一）STEM教育理念STEM教育理念起源于美國(guó)，是一種旨在提升人才競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力的教育理念，從2000年以來(lái)，美國(guó)政府相繼頒布《美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力計(jì)劃》《教育推動(dòng)創(chuàng)新》《改變均衡》等法案，其目的在于改進(jìn)STEM教育用以適應(yīng)世界的發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)。與此同時(shí)STEM教育理念也傳入英國(guó)、中國(guó)、芬蘭等國(guó)家，逐漸發(fā)展成為當(dāng)今世界上具有重要影響力的教育理念之一。STEM教育由科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科的首字母組合，但是STEM的本質(zhì)并不是四門學(xué)科的簡(jiǎn)單組合，而是打破傳統(tǒng)的習(xí)慣，將分散的四大學(xué)科的知識(shí)內(nèi)容組合形成一個(gè)有機(jī)整體，將碎片化的知識(shí)匯集起來(lái)去解決現(xiàn)實(shí)問題。STEM教育著眼于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，不局限與特定學(xué)科及知識(shí)，強(qiáng)調(diào)通過跨學(xué)科整合來(lái)分析和解決問題。（二）Arduino機(jī)器人Arduino是一個(gè)基于開放源碼的軟硬件平臺(tái)，具有使用Java、C語(yǔ)言的開發(fā)環(huán)境和圖形化編程環(huán)境，其被稱為“科技藝術(shù)”，Arduino總的來(lái)說(shuō)由兩部分構(gòu)成：硬件Arduino電路板（各種型號(hào)）和軟件ArduinoIDE。它最初是由意大利伊夫雷亞交互設(shè)計(jì)學(xué)院的副教授馬西莫·班茲和他的學(xué)生赫爾南多·巴拉甘一起設(shè)計(jì)出來(lái)的，他們將它面向公眾開源，同時(shí)把硬件價(jià)格做到最低，Arduino憑借其開源、低成本的特點(diǎn)迅速傳播開來(lái)，成為了最主流的開源硬件開發(fā)平臺(tái)之一。1.硬件Arduino硬件包含很多智能電路板及可實(shí)現(xiàn)不同功能的傳感器和元器件，Arduino先后發(fā)布了十多種電路板型號(hào)，包括可以縫在衣服上的LiLyPad，也有為Andriod設(shè)計(jì)的MEGA，也有最基礎(chǔ)的型號(hào)UNO，還有最新Leonardo。ArduinoUNO是目前使用最廣泛的Arduino控制器，具有Arduino的所有功能。硬件部分主要涉及基礎(chǔ)電路知識(shí)，用來(lái)進(jìn)行電路的連接搭建。2.軟件Arduino軟件部分主要有PC端的ArduinoIDE以及相關(guān)的板級(jí)支持包（BSP）和豐富的第三方函數(shù)庫(kù)組成。軟件部分主要進(jìn)行相關(guān)程序的編寫，并將其上傳至主控板中進(jìn)行測(cè)試并適當(dāng)修改。目前常見的圖形化編程軟件有ArduBlock、S4A、Mixly和好好搭搭等，目前應(yīng)用最廣泛的是Mixly軟件，它采用積木式的圖形編程界面，極大地降低了編程的門檻，同時(shí)可以支持市場(chǎng)上幾乎所有的Arduino套件。其編程界面與Scratch編程軟件、AppInventor軟件等有很大的相似之處，使得編程容易上手，非常適用于初高中機(jī)器人類課程的課堂教學(xué)。二、STEM教育理念下的Arduino機(jī)器人教學(xué)內(nèi)涵STEM教育主張使用項(xiàng)目探究的方式將知識(shí)的傳授置于真實(shí)的生活情境中，鼓勵(lì)學(xué)生通過團(tuán)結(jié)協(xié)作的形式將習(xí)得的多學(xué)科知識(shí)加以綜合應(yīng)用來(lái)解決現(xiàn)實(shí)存在的問題，以此來(lái)提高學(xué)生的解決問題、實(shí)踐操作、合作交流的能力。Arduino機(jī)器人課程是一門交叉性的綜合課程，包含計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、物理、工程、機(jī)械等多門學(xué)科，該門課程的目標(biāo)在于培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用各學(xué)科知識(shí)來(lái)解決實(shí)際問題的能力，該課程的培養(yǎng)目標(biāo)符合STEM教育的內(nèi)涵。將STEM教育理念引入Arduino課程教學(xué)中，強(qiáng)調(diào)將學(xué)生置于真實(shí)的問題情境中，倡導(dǎo)將各學(xué)科知識(shí)通過綜合性的Arduino課程靈活組合運(yùn)用，促進(jìn)學(xué)科間的聯(lián)系，達(dá)到綜合運(yùn)用的目的。在機(jī)器人教學(xué)中,學(xué)生能夠接觸真實(shí)的項(xiàng)目案例，綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理、科學(xué)、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科的知識(shí)來(lái)支持項(xiàng)目的完成，這種多學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用，是開展STEM教育的重要抓手。同時(shí)在完成過程中，從項(xiàng)目的選擇、分析到完成，學(xué)生之間通過相互討論、設(shè)計(jì)方案、搭建硬件、編碼調(diào)試等合作探究活動(dòng)，逐漸形成較為系統(tǒng)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)與開發(fā)理念，增強(qiáng)了學(xué)生解決問題和團(tuán)隊(duì)合作的能力，這些能力也是未來(lái)社會(huì)對(duì)人才需求的基本條件。因此，在STEM理念的指導(dǎo)下，開展Arduino機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)，能夠讓學(xué)生利用已有知識(shí)和生活經(jīng)驗(yàn)，將所學(xué)知識(shí)靈活應(yīng)用到不同的學(xué)習(xí)活動(dòng)中，提高學(xué)生面對(duì)世界的勇氣和解決問題的能力。這種活動(dòng)不僅能夠促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成，還能促進(jìn)學(xué)生的綜合發(fā)展，既能滿足學(xué)生的現(xiàn)實(shí)需求，又能滿足未來(lái)社會(huì)對(duì)學(xué)生發(fā)展的需求，對(duì)于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。三、STEM教育理念下的高中Arduino機(jī)器人教學(xué)設(shè)計(jì)案例（一）模式探索STEM教育理念指導(dǎo)下的Arduino機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在真實(shí)的問題情境中，通過合作探究的方式綜合應(yīng)用各學(xué)科知識(shí)去解決問題。這種教學(xué)活動(dòng)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)問題情境、合作探究以及綜合應(yīng)用，與建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)的學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)必須與任務(wù)或問題相結(jié)合，通過團(tuán)隊(duì)合作以探索任務(wù)來(lái)維持學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，創(chuàng)建真實(shí)的學(xué)習(xí)情境，讓學(xué)生帶著真實(shí)的任務(wù)學(xué)習(xí)不謀而合。所以，在建構(gòu)主義理論的基礎(chǔ)上，急需找到一種合適的教學(xué)方式去支持STEM教育理念下的Arduino機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)?！叭蝿?wù)驅(qū)動(dòng)”是一種建立在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)上的教學(xué)法。所謂“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”是指在教學(xué)活動(dòng)中，學(xué)生在教師的幫助下，圍繞一個(gè)共同的任務(wù)活動(dòng)，在強(qiáng)烈的問題動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，通過對(duì)學(xué)習(xí)資源的積極主動(dòng)應(yīng)用，進(jìn)行自主探索和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的學(xué)習(xí)。它強(qiáng)調(diào)“任務(wù)”的目標(biāo)性和教學(xué)情境的創(chuàng)建，它將以往的以知識(shí)傳授為主的傳統(tǒng)教學(xué)理念，轉(zhuǎn)變?yōu)橐越鉀Q問題、完成任務(wù)為主的互動(dòng)式教學(xué)理念；將傳統(tǒng)灌輸式的教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)探究式的學(xué)習(xí)，使學(xué)生處于積極的心理狀態(tài)，使得每位學(xué)生都能根據(jù)自己對(duì)當(dāng)前問題的理解，運(yùn)用已有的知識(shí)和自己特有的經(jīng)驗(yàn)提出方案、解決問題。下圖1是在任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)方式的基礎(chǔ)上構(gòu)建的STEM理念下的Arduino機(jī)器人教育模式流程圖，其中每個(gè)流程環(huán)節(jié)中具體介紹了教師、學(xué)生的活動(dòng)，具體分析如圖1所示。圖1STEM理念下Arduino機(jī)器人教育模式流程圖1.創(chuàng)設(shè)情境，任務(wù)驅(qū)動(dòng)研究結(jié)果顯示，高管薪酬與企業(yè)績(jī)效并不相關(guān)，或者僅弱相關(guān)。事實(shí)上，目前我國(guó)企業(yè)高管薪酬出現(xiàn)了兩種極端的現(xiàn)象：一方面是高管薪酬奇高，超過合理的價(jià)位；另一方面，企業(yè)績(jī)效提升了，高管的激勵(lì)卻嚴(yán)重不足。激勵(lì)不足和激勵(lì)過當(dāng)并存，十分容易混淆是非，最終造成“眉毛胡子一把抓”。創(chuàng)設(shè)問題情境，以誘發(fā)學(xué)生的探究心理，引起其解決問題的興趣，促使其思維進(jìn)行積極的活動(dòng)，有利于學(xué)生主動(dòng)地進(jìn)入教學(xué)活動(dòng)中。教師要?jiǎng)?chuàng)設(shè)與當(dāng)前主題相關(guān)的學(xué)習(xí)情境，從學(xué)生的已有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)出發(fā)提出符合學(xué)生實(shí)際的學(xué)習(xí)任務(wù)，此任務(wù)要聯(lián)系學(xué)生的生活實(shí)際和親身體驗(yàn)，不僅要關(guān)注學(xué)生的知識(shí)技能，還要關(guān)注他們的生活經(jīng)驗(yàn)和情感態(tài)度。學(xué)生受到情境的感染，激發(fā)了自身的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，接著思考教師提出的與學(xué)習(xí)主題相關(guān)的問題（任務(wù)），以解決任務(wù)為核心，積極主動(dòng)地運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去解決當(dāng)前任務(wù)。2.小組合作，制定方案小組分工合作，制定關(guān)于任務(wù)的解決方案，為了完成共同的任務(wù)，進(jìn)行明確的責(zé)任分工的互助性學(xué)習(xí)，是當(dāng)前積極提倡的有效教學(xué)方式之一，它建立在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的基礎(chǔ)上，關(guān)注團(tuán)隊(duì)協(xié)作的重要性，能夠讓每位學(xué)生在固定的時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)效率更高，更重要的是能夠提高學(xué)生的綜合能力。在此階段，教師根據(jù)教學(xué)活動(dòng)及教學(xué)條件組織學(xué)生進(jìn)行小組分工的活動(dòng)，根據(jù)需要提供教學(xué)資源，引導(dǎo)學(xué)生思考解決問題的步驟。學(xué)生根據(jù)教師的要求完成小組分工，組內(nèi)探討解決問題的步驟，并給出初步實(shí)施方案，進(jìn)而探討方案的可行性，為下一步的實(shí)踐提供支持。3.執(zhí)行方案，引導(dǎo)提升學(xué)生根據(jù)上一階段制定的實(shí)施步驟進(jìn)行操作實(shí)踐，在實(shí)踐過程中會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題，包括知識(shí)原理方面、硬件搭建以及代碼調(diào)試等方面的問題，實(shí)踐過程中，通過小組合作能夠解決部分問題，但難免會(huì)有遺留問題。在此階段，教師的任務(wù)就是引導(dǎo)學(xué)生，為學(xué)生提供腳手架，引導(dǎo)學(xué)生思考解決問題的方法，教師不能直接告訴學(xué)生應(yīng)當(dāng)如何去解決面臨的問題，而是向?qū)W生提供解決該問題的有關(guān)線索，比如幫助學(xué)生分析原理、引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行操作、指出學(xué)生當(dāng)前存在的問題等，同時(shí)提出更深層次的問題，引發(fā)學(xué)生的進(jìn)一步思考，進(jìn)一步提升學(xué)生的能力水平。4.作品點(diǎn)評(píng)，課堂總結(jié)學(xué)生在完成任務(wù)后，展示本組作品，同時(shí)根據(jù)教師和其他同學(xué)對(duì)本組完成情況所做的評(píng)價(jià)，總結(jié)自己在完成任務(wù)時(shí)存在的問題及不足，以便進(jìn)一步的提升。在此階段，教師需要對(duì)每個(gè)小組做出的成果進(jìn)行綜合點(diǎn)評(píng)，包括組內(nèi)分工，流程設(shè)計(jì)、硬件搭建、代碼調(diào)試等各個(gè)階段。主要包括兩部分內(nèi)容，一方面是對(duì)學(xué)生完成當(dāng)前問題的解決方案的過程和結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，而另一方面是對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)以及協(xié)作學(xué)習(xí)能力的評(píng)價(jià)。課堂總結(jié)本節(jié)課所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)各個(gè)小組在完成任務(wù)時(shí)存在的共性問題進(jìn)行匯總，將共性問題進(jìn)行再次說(shuō)明，幫助學(xué)生加深印象。（二）教學(xué)案例Arduino機(jī)器人課程最先是由溫州中學(xué)的謝作如老師開設(shè)的，這為機(jī)器人課程在全國(guó)的開展起了良好的帶頭作用。但是Arduino機(jī)器人課程目前尚沒有統(tǒng)一的教學(xué)內(nèi)容，研究者也是根據(jù)自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)以及機(jī)器人廠家提供的說(shuō)明書來(lái)開展教學(xué)。因此，本研究團(tuán)隊(duì)在總結(jié)各位研究學(xué)者及研究團(tuán)隊(duì)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以STEM教育理念為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)了《Arduino機(jī)器人》系列課程，該門課程將《智能LED燈》作為教學(xué)內(nèi)容的第一單元，如下表1所示。第一單元主要通過各種方式讓LED小燈亮起來(lái)，讓學(xué)生了解Arduino機(jī)器人的基礎(chǔ)知識(shí),提高學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人的興趣。表1第一單元《智能LED燈》本研究選取“按鈕控制LED燈”模塊的內(nèi)容，以上述探索的教學(xué)模式流程為指導(dǎo)，開展了詳細(xì)的教學(xué)設(shè)計(jì)研究，具體內(nèi)容如下所示。1.教學(xué)內(nèi)容及學(xué)習(xí)者分析按鈕控制LED燈是Arduino系列課程的第三次教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生通過前兩節(jié)的學(xué)習(xí)，已經(jīng)初步了解Arduino控制板以及面包板的連接，也熟悉了可視化編程環(huán)境Mixly，同時(shí)學(xué)生已經(jīng)體驗(yàn)過讓小燈閃爍起來(lái)，繼而學(xué)生對(duì)于如何能進(jìn)一步操作控制小燈更加感興趣，所以本節(jié)課主要是讓學(xué)生通過操作按鈕來(lái)控制小燈，同時(shí)了解按鈕控制燈在生活中的常見應(yīng)用。本節(jié)課既有對(duì)之前所學(xué)內(nèi)容的鞏固，又有新內(nèi)容（器件）的加入，層層深入，為后續(xù)的學(xué)習(xí)奠定了良好的基礎(chǔ)。本研究的教學(xué)對(duì)象是高中一年級(jí)學(xué)生，根據(jù)皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論，他們處于形式運(yùn)演階段，思維已經(jīng)發(fā)展到抽象邏輯推理水平，能夠進(jìn)行假設(shè)——演繹推理，通過提出問題的各種可能性，然后去系統(tǒng)地判斷尋找最佳解決答案。通過上學(xué)期對(duì)C語(yǔ)言課程的學(xué)習(xí)，具有一定的編程邏輯基礎(chǔ)，在初中以及高中階段學(xué)習(xí)過物理的電路知識(shí)，對(duì)電路的選擇及連接方面的知識(shí)有一定掌握。2.教學(xué)目標(biāo)分析在知識(shí)與技能目標(biāo)方面，了解按鈕燈在生活中的應(yīng)用，列舉身邊常見的按鈕控制燈；進(jìn)一步熟悉并掌握硬件的搭建，實(shí)現(xiàn)利用按鈕控制燈的亮滅。在過程與方法方面，學(xué)生在對(duì)電腦操作以及硬件搭建的過程中增強(qiáng)動(dòng)手能力；在實(shí)現(xiàn)不同的按鈕控制效果的過程中正確運(yùn)用物理電路知識(shí)。在情感態(tài)度價(jià)值觀方面，通過不同情況下對(duì)燈亮滅控制的設(shè)計(jì)制作，進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；通過小組合作來(lái)完成按鈕燈的編程控制和硬件搭建，逐步增強(qiáng)學(xué)生的合作意識(shí)；通過結(jié)合物理電路知識(shí)以及計(jì)算機(jī)編程知識(shí)來(lái)完成按鈕控制燈，提高學(xué)生綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)來(lái)解決問題的意識(shí)。3.教學(xué)重難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：硬件的搭建、數(shù)字口的輸出。教學(xué)難點(diǎn)：不同情況下物理電路的選擇及連接。4.教學(xué)過程設(shè)計(jì)根據(jù)對(duì)教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生特征、教學(xué)目標(biāo)以及重難點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，本研究對(duì)本節(jié)課的教學(xué)過程做了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，如下表2所示。表2教學(xué)過程5.教學(xué)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)本次教學(xué)活動(dòng)采用多種方式進(jìn)行教學(xué)評(píng)價(jià)，包括過程性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)。對(duì)于過程性評(píng)價(jià)，教師重點(diǎn)對(duì)在任務(wù)完成過程中各小組成員的參與及表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括他們的規(guī)劃能力、動(dòng)手能力、參與程度、解決問題的能力及團(tuán)隊(duì)合作能力?？偨Y(jié)性評(píng)價(jià)主要涉及對(duì)學(xué)生完成任務(wù)成果的評(píng)價(jià)，重在考核學(xué)生的分析問題、知識(shí)遷移及綜合運(yùn)用、創(chuàng)新的能力。在此過程中，采取教師評(píng)價(jià)、小組互評(píng)和學(xué)生自評(píng)相結(jié)合的方法，對(duì)成果進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。四、總結(jié)STEM教育當(dāng)前受到世界各國(guó)教育領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，在我國(guó)基礎(chǔ)教育