開源硬件Arduino在創客教育課堂中的課程實驗設計

盧振坤

【摘要】近年來，隨著新課程改革標準的不斷落實，創客教育也開始進入課堂，開啟了新課程改革背景下一種新的教學模式。開源硬件是創客運動的技術基石，而Arduino作為開源硬件是很適合在學校進行推廣的。本文探討如何設計課程將Arduino這門重要的創客課程上好。

【關鍵詞】創客教育;Arduino;實驗設計

一、創客教育

李克強總理在2015年政府工作報告中提到“創客”之后，“創客”越來越受到大家的關注?！皠摽汀边@個名詞來源于英文詞“Maker”，是指出于興趣與愛好，努力把各種創意轉變為現實的人。創客活動可以用比較少的成本，讓更多的人參與進來進行創造、創新和制作，而且能夠點燃大家積極創造創新的激情。而且最近最新的科技和互聯網的發展，也為創客活動提供了很好的條件。例如3D打印、物聯網和Arduino等開源硬件等技術。都讓創客活動擁有了更多空間和平臺共享資源。讓大家能分享成果、創新實踐、構筑夢想。

對教育者來說，創客精神與學生旺盛的求知欲和“在實踐中教學”的教育思想不謀而合。創客教育所涉及的知識廣泛，為了達成某個學習目標，學生會運用到信息技術和數學、物理、化學、英語甚至藝術等相關知識。所謂“牽一發而動全身”，各學科知識的綜合應用，能有效提高學生的綜合素養，而學生也不再只是知識的被動接受者。創客教育強調學生主動思考、設計和制作，以實現基于創造的學習?；ヂ摼W對創客教育起到了很好的支持作用。學生一方面可以充分利用網絡資源進行創客學習和作品制作，一方面通過網絡交流、分享，激發創造熱情，獲得創意啟示。創客教育所倡導的提出問題并利用自己的創造力解決問題的過程，對學生能力的培養至關重要。

二、開源硬件Arduino

開源硬件是創客運動的技術基石。開源硬件不單單是硬件設計原理的開放，也更多的體現了創新理念的開放。這種理念堅信從分享中所獲多于自身付出。當開發者不再受專利授權所困，越來越多地公開分享他們的創新時，他們便能獲得越來越多的幫助，進而改進和提升自己的發明。在2014年，美國《Make》雜志統計過的開源硬件等平臺就有幾十種，我們可以從功能、價格、硬件支持、等角度評價、選擇適合自己開展創客教育的平臺。使用最廣泛的開源硬件是Arduino，因其使用簡便、學習資源豐富、價格低廉，是首選入門硬件。Arduino獨有的幾種優勢表現在下列方面：開放性：Arduino的硬件和軟件環境都是完全開源的，任何人都可以在不從事商業用途的情況下使用和修改它。開源能讓我們可以深入了解底層運作的全部機理，能對軟硬件更好的進行把握，同時Arduino也預留了第三方庫開發接口，方便使用者進行系統的開發。而按照開源社區一直都有的開放和分享性，很多創客愛好者也樂于把自己的硬件和軟件代碼拿出來與大家分享交流。易用性：只要您對創客有興趣，只需很短的時間，甚至一個小時內就能使用Arduino連接出一個簡單的電路，并能寫出第一個簡單的程序而且能正常運行。Arduino軟件的運行界面也是非常的友好和簡潔，即使初學者也能很快的找到需要的功能和工具欄。

三、課程特點

Arduino離不開編程，更離不開周圍硬件環境的支持。如果單純的以信息技術教學的角度去進行Arduino教學，簡單套用以任務式驅動為主的教學方法。那就偏離了創客教育的方向，也無法貫徹創客教育的理念和初衷。

1.創客教育中Arduino只是其中一種工具。我們不能為了學習使用這個工具而學習，而是在掌握了這個工具的基礎上進行創新，創造出有自己特色的作品，最后分享制作成功帶來的喜悅。相對其它課程來說，學習目的達到了就任務完成了，而這對創客教育來說還僅僅是個開始。如何體現創新，如何給予學生創新的機會和分享，才是我們需要關注的。

2.學生經過多年的課堂學習，早已習慣了任務驅動式的教學方式，往往目的達到就可以了。如何轉變學生的思維方式，將課堂知識延伸到生活中，將生活與學習中的靈感與創作欲望及時激發出來。這種嶄新的思維方式也有待訓練與提高。

3.Arduino軟硬件結合的學習也增加了教師授課和學生制作與編程的難度。每一步都不能出錯，否則試驗失敗是肯定的。這也給老師如何掌控課堂提出了新的挑戰。

因此，針對上述課程特點，我們有必要對Arduino的實驗教學內容進行斟酌。確保教學的可行性和有效性，激發學生的學習興趣，給予學生創新創作的機會和作品分享的平臺，達到創客教育的目的。

四、Arduino實驗設計

作為主講與參與教師，筆者積極與學校教務處溝通，探討出一套符合我校特色的Arduino創客教育的道路。由于學時數有限，經過反饋和調整，將Arduino教學分成幾個大塊進行。我們可以將Arduino簡單的劃分為三部分：一部分是傳感器輸入，一部分是計算與控制，最后部分是執行機構。其中后兩部分是不可劃缺的。所以，我們Arduino教學分塊的做法，就是先學習Arduino編程和一部分傳感器和執行機構，然后用這一部分的知識進行探究和創新、分享。然后第二塊教學就是另外新的傳感器和執行機構，再進行知識的探究和創新、分享。教學計劃上將各零件模塊由易到難地進行教學，而在創新課程上也有針對性地進行指導。下面針對Arduino教學的第一大塊進行說明。

課程1：Arduino入門，點亮第一盞LED（發光二極管）燈。介紹Arduino的歷史和起源，我們將來要掌握和控制機器人，從Arduino開始學習是最好的。認識Arduino主板上一些必須的零件和接線插座，介紹LED的管腳和接線、面包板和飛線的使用。圖形化編程界面米思齊軟件的基本認識。完成零件連接、圖形化編程和程序的寫入。最后讓LED 一閃一閃達到實驗目的。

課程2：模擬消防車出警時的聲光提示。新增知識點：Arduino中蜂鳴器的使用。讓學生更直觀的感受Arduino所擁有的豐富外部執行機構。通過聲、光等提示增強學生的感官體驗，提高學生的學習興趣。蜂鳴器的接線相比LED要簡單些，但程序方面必須提醒聲音是如何發出的，是Arduino通過有規律的高低電壓輸出控制峰鳴器中發聲部件的振動頻率造成的，我們可以通過修改程序里的頻率來更改蜂鳴器的音調。還有控制發聲的時間。

課程3：模擬遙控定時炸彈的倒計時。在聲、光提示知識點的基礎上，增加按鍵對Arduino的控制與使用。硬件電路方面學習按鍵的接法，講解為什么按鍵必須使用下拉（或上拉）電阻，以此來消除外界干擾可能帶來的誤觸發。

課程4：如何將這些所學的內容進行創意設計？生活中哪些方面是需要聲光提示或者可以用按鍵來控制？同學們探討進行可行性分析，然后用所學的知識和零件在Arduino板上創作出來。

五、組織形式設計

以上的實驗課程內容需要合適的組織形式，才能確保教學順利和有效地進行。學校提倡小班教學，班級人數一般在40人以內。因而，在教學過程中，也為了加強學生的互動性，實驗課程采取了以下的組織形式。

1.針對學生可能懼怕編程的特點，適當降低對程序編寫的要求。使用圖形化編程軟件米思齊。對一些關鍵程序我們公開源代碼，和對程序進行必要的講解。讓學生覺得編程其實并不是件非常困難的事情。提高學生的學習興趣，和保持學生旺盛的求知欲。

2.充分考慮學生的差異性，進行分組合作，2個學生為一組使用一套設備。培養學生的團隊合作精神。在小組內進行合理分工，表揚和鼓勵部分編程基礎好和學有余力的學生在完成基本學習和制作的基礎上，自主進行創意改進，并和與同桌進行分享。

3.按要求通過計算機網絡提交實驗報告。每小組填寫實驗報告，對實驗體會進行總結，包括創作時遇到的困難、最想得到什么樣的幫助。本制作可以運用在什么地方、作品進一步改進等等。

六、教學效果及反饋

通過實際授課和總結，發現使用以上的實驗課程和組織形式，可以很好地完成教學內容、達成教學目標。具體表現在：1.大部分小組都能完成實驗內容和提交試驗報告。由于已經針對課程和學生的特點設計了實驗內容，難度適中，也保證了實驗教學的效果和質量。同時學生的創意想法還是挺多的;2.學生對Arduino的學習興趣沒有降低。Arduino的課程不同于其他課程，它不僅有著豐富的傳感器和執行機構，也有按程序設計出來的聰明大腦。能給予學生強烈的感官刺激和廣闊的想象空間;3.創客教育的精神能從課程教學中反饋出來，學生的創意想法是越來越多。即使一個簡單的點燈程序，都能被學生聯想起許多的事物。在后面的聲光報警中，每一小組都有不同音調的聲音提示。甚至燈光如何閃爍才更漂亮也成了學生討論的話題之-;4.課后已有學生愿意將自己的創意想法制作出來給大家分享和參加學校甚至市、區級別的創客比賽。

七、結語

創客教育中Arduino的學習是一門重要的課程。這門課程不但能提高學生的創新實踐能力、也能提供學生自我提升的機會。在學時數較少、學生基礎知識相對薄弱的情況下，如何針對學生的特點合理地安排Arduino教學和有效地進行組織課堂教學，也是一項重要任務。在接下來的教學中，在提升實驗趣味性和可操作性的基礎上，合理安排教學內容，從而提高教學的質量和效果，提高學生的創新能力和創新思維。

參考文獻：

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