基于STEM 的中職Arduino 機器人教學設計
——以“實時溫濕度檢測器”為例

周志宏 柳州市第一職業技術學校信息技術系

1. STEM 教育

STEM 教育是將科學、技術、工程和數學四門學科內容組合形成有機整體，以更好地培養學生的創新精神與實踐能力。STEM 教育理念源于美國，并且逐漸發展。如今，STEM 已經成為科學教育的發展趨勢，主導著許多國家科學教育的研究方向與相關政策，促進了各國科學課程的改革。目前，我國在基礎教育、尤其是中等職業教育階段。STEM 教育提倡整合各領域的知識、技能，強調實踐探究與工程設計。可以肯定，分科課程在系統、高效學習學科的基礎知識和基本方法方面，有不可替代的優勢；STEM 教育在綜合運用知識解決實際問題，提高應對未來社會挑戰的能力方面，有顯而易見的發展前景。在學校課程中，確保綜合課程與分科課程恰當互補，充分發揮各自的優勢，是實施STEM 教育的前提。

2. Ard uion 機器人編程

Arduino 是2005 年由一個歐洲開發團隊開發便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。包含硬件（各種型號的Arduino 板）和軟件（Arduino IDE)。在硬件方面，Arduino 是一款印刷電路板。電路板上裝有專用集成電路，并將集成電路的功能引腳引出方便我們外接使用。同時，電路板還設計有USB 接口方便與電腦連接。在軟件方面，Arduino 提供了專門的程序開發環境Arduino IDE。其界面設計簡潔，對于初學者來講比較輕松上手，而且貼近現實，大大的激發了學生的興趣。最大的特點就是Arduion 是一款開源的軟件資源，并且其功能強大。

3. 基于STEM 的中職Ard uion 機器人教學設計

STEM 跨學科項目設計模式以問題或項目為中心，以某一具體教學任務為教學目標。由于 STEM 的跨學科屬性，因而，在學情分析當中包括了教學目標分析、跨學科知識地圖（圖譜）分析以及學習者分析，目的在于明晰教學任務、學科間的關聯和了解學習者特征。教學任務分析完成后，學習者和助學者則針對問題或項目完成一系列學習活動，包括資訊引入、 過程分析、嘗試與答疑、小組討論、任務再實施、展示與評價六方面的內容。

3.1 資訊引入

這個過程主要是激發學生的創作熱情與興趣，所以老師以任務驅動法的情景進行導入，讓學生積極思考問題后能發揮想象。這些情景貼近現實，源于生活，能讓學生從生活中得到啟發，貼近生活與自然。比如開發溫濕度實驗中，我們可以從現實生活中的大棚蔬菜作為一個切入點，讓學生能在實際應用中了解任務的實質性，增強學生的興趣。

3.2 過程分析

畫流程圖，了解任務執行的過程。整個過程中，教師要確保任務的循序漸進，從易到難，層層遞進。通過學生的學情分析，確定基礎任務、拓展任務再到發展任務，能較好的對良構問題的解決逐漸過度到劣構問題的解決的方案實施。教師通過讓學生畫流程圖，可以讓學生明確本節課的重難點。

3.3 嘗試與答疑

學生通過畫流程圖，了解任務的執行過程，頭腦中已經有了一定的思路。這個過程中主要考察的就是學生對自己創意的發揮，是否利用新的知識點完成任務。這個過程中老師應該給予學生充分的時間進行探索。在一定時間內進行任務的嘗試，加強同學對知識點的理解和掌握。而在這個過程，老師主要為輔導作用，指導學生完成任務，注重作品的“多樣性”。真正做到以“學生為主體，教師為主導”的教育理念。

3.4 小組討論

在這個過程中，老師可以采用螺旋式、迭代式的方法引導學生學習。此過程是在小組中進行展示自己的成果，也是屬于一個任務實施過程。學生通過在小組內展示自己的成果，可以相互交流經驗，相互學習。展示完后，學生總結程序執行成功的經驗并且提煉知識點，尋找失敗的原因并且找同學或者老師來解決問題，總結經驗。通過這樣，學生可以既可以驗證知識的真實性，也可以鞏固知識，使知識從量變達到質變，超越原有的認知水平，構建新的知識點。

3.5 任務再實施

教師通過學情分析，結合學生課堂任務完成情況，了解整節課中學生的差異性，給程序執行失敗的同學繼續完成基本任務，直至成功。而任務已經執行成功的學生，教師要確定好拓展任務給這些學有余力的同學，讓他們進一步發揮自己的創意。比如開發溫濕度實驗中，學生已經完成了溫濕度的監控，那么學生可以發揮自己的創意，如果溫度高于40℃時，溫度顯示時亮綠燈等。這個過程中對學生的創新能力得到了提高。

3.6 展示與評價

這個過程中，老師把舞臺交給學生，學生將自己的成果在班上與同學們一起分享。這個過程中，學生可以通過自評與他評進行組合評價，評價過程中以過程性評價為主，結果性評價為輔。通過這個過程，教師可以得出教學反思，明確學生本次課存在的問題以及收獲。這個過程，對知識的鞏固得到了提高。

4. 結語

STEM 教育目前在我國的教育領域中越來越受重視，Arduion機器人編程也在我們越來越貼近集成電路的開發。將兩者結合在一起，充分利用STEM 跨學科的知識結構性，對學科知識以及項目設計進行總體規劃，實現跨學科知識的均衡覆蓋。充分利用以“學生為主體教師為主導”的教育理念，有針對性的改進措施，促進教學的多元化與專業化。