基于Arduino的高中創客教育實踐分析

摘 要：隨著“大眾創業、萬眾創新”時代的到來，創客教育成了教育領域的研究熱點，各地校本課程如雨后春筍，探索不斷。文章以七鍵電子琴的設計與制作為例，基于Arduino的高中階段的創客教育進行實踐探索，以期促進學生信息素養的提升。

關鍵詞：創客教育;Arduino;電子琴;信息素養

一、 引言

2016年6月，教育部印發的《教育信息化“十三五”規劃》通知中明確提出，“有條件的地區要積極探索信息技術在‘眾創空間、跨學科學習（STEAM教育）、創客教育等新的教育模式中的應用”。創客教育作為一種有效提升學生的信息素養、創新意識和創新能力的教育模式，掀起了一股全球性的教育變革浪潮。

我國祝智庭等學者認為，創客教育強調體驗教育中的深度參與和在實踐中學習的思想，以特定的學習任務為中心，使學生在分組協作完成任務的過程中完成學習、解決問題，培養學生創新意識、創新能力為目標。

創客教育活動中，如何聯系現實生活創設富有挑戰性的項目，引導學生在完成任務的過程中自主學習、小組協作，鼓勵學生分享經驗與成果等，對教師提出了新的挑戰。

二、 高中創客教育的課堂實踐

Arduino是一款基于軟件和硬件開發的開源電子原型平臺，指令少、編程易、擴展性強，適合在高中創客教育活動中使用。在課堂中，筆者聯系現實生活中常見的樂器——電子琴，引導學生對電子琴的基本工作原理及其結構進行分析，通過自主學習，小組分工收集資料，合作探究，完成七鍵電子琴作品的設計與制作，實現Arduino開源硬件和Mixly圖形化編程知識的有機建構，將信息意識和計算思維能力培養融入運用數字化工具解決實際問題的過程中，促進學生信息素養的提升。

（一）情境導入，明確項目

課堂上，教師通過播放一段《海上鋼琴師》電影中的斗琴片段，激發學生學習興趣，提出制作七鍵電子琴的項目，引導學生分析項目內容、細化目標：

1. 分析電子琴的基本工作原理及其結構。

2. 完成七鍵電子琴作品的設計。

3. 了解相關開源硬件模塊，完成作品的搭建。

4. 編寫程序實現電子琴作品的功能。

5. 測試、運行，進一步優化設計方案。

6. 作品展示與分享。

（二）資料收集，制訂方案

學生通過Moodle平臺上提供的學習資源查找關于電子琴的基本工作原理及其結構，理解電子琴的發聲原理及其組成，明確作品開發中的各個功能需求與調用關系，形成七鍵電子琴作品的開發方案。

（三）小組協作，具體實施

課堂上，學生分組（3人小組）完成兩部分內容：

1. 七鍵電子琴作品的硬件搭建

（1）找出相對應的開源硬件，如開發板Arduino nano、擴展板、按鍵開關模塊（7個）、蜂鳴器模塊等。

（2）自主學習關于按鍵開關和蜂鳴器等模塊的使用說明，詳細了解它們的功能及其安全使用規則，并分工進行測試。

（3）連接各個模塊，完成作品的搭建。

2. 編寫計算機程序實現電子琴的功能

（1）根據設計方案，描述七鍵電子琴的工作流程，提煉關鍵信息，設計7個按鍵開關模塊與相應音階的調用關系、蜂鳴器觸發條件，畫流程圖，如圖2。

（2）查找資源，列出基本音階的發聲頻率（單位：赫茲）：1046.5、1174.7、1318.5、1396.9、1568、1760、1975.5。

（3）自主學習Moodle平臺中關于Mixly模塊的介紹，理解并掌握數組模塊、變量模塊、for循環模塊、if/else條件選擇模塊、布爾判斷模塊和播放聲音模塊等的使用。

（4）根據流程圖，編程實現七鍵電子琴作品的功能，如圖3。

這一教學環節是課堂活動的重點，旨在提高學生自主學習、小組協作的能力，培養學生信息意識、計算思維和數字化學習與創新能力。

（四）課堂引導，階段評價

在項目具體實施過程中，雖然學生對利用數字化工具解決實際問題的興趣較為濃厚，但由于對計算機編程知識的掌握參差不齊，對各種開源硬件模塊也不熟悉，在學生自主學習的過程中難免會產生畏難心理，個別小組或組員甚至停步不前。這時候，需要教師針對細化的項目目標，分階段對學生進行引導。在項目實施的具體過程中，如作品設計方案階段、開源硬件搭建階段、工作流程圖階段、編程階段，教師巡堂進行針對性的輔導，有目的地邀請完成度高的小組一起分享，引導學生查閱資料，一起解決項目實施過程中所遇到的問題。通過這一教學環節，提高學生利用數字化工具分析問題、解決問題的能力，確保項目順利進行。

（五）展示分享，評價反思

1. 成果展示與經驗分享

各小組分別展示階段性及最終成果，如流程圖、功能演示、技術創新、作品改進等，分享作品設計與制作過程中所遇到的問題及其解決方法。通過這種方式，不僅能提高學生的語言表達能力，鞏固知識點，還能讓學生體驗成功的喜悅，激發學生學習的激情與信心。

2. 小組自評與組間互評

展示分享的同時，學生對照Moodle資源區的量規評價標準，通過討論區、投票，對項目的實施、知識掌握程度、作品功能、創新性等方面進行小組自評與組間互評，學生多角度對自己做出評價、總結反思，實現自身綜合能力的提升。

3. 反思與完善

作品涉及的硬件模塊較多，電路連接是否準確，程序的結構能否優化，蜂鳴器延時設置是否合理，功能能否增加或美化等，通過各小組的展示、自評與互評后，學生查漏補缺、取長補短，優化作品，完善自身的知識結構。

（六）教師點評，拓展升華

教師對優秀的范例進行點評，深化學生對需要反復執行某個或某些操作時使用循環結構的知識的理解，引導學生總結學習經驗，鞏固知識點，提升學生利用數字化工具靈活解決實際問題的水平。

最后，引導學生思考：如需模擬鋼琴的88個鍵位，該如何設計電子琴硬件與程序？相鄰音階的頻率可能存在什么關系？除了利用按鍵開關模塊進行感應控制，還能通過什么傳感器控制聲音？這一環節，既拓展學生靈活運用新知識解決實際問題的能力，也激發學生繼續探究學習的欲望，為新項目的開展做好鋪墊。

三、 總結

高中創客教育中，學生對于能夠解決真實問題的項目學習有著非常濃厚的興趣，在教師的引導下，能夠積極有效地開展項目實踐活動。基于軟件和硬件開發的Arduino平臺，便攜易上手，圖形化的編程簡單易懂，能夠通過各種傳感器感知環境，并通過控制燈光、聲音等裝置影響環境，擴展性強，學生在經過自主探索、小組協作后，能夠較快地完成作品，大大提高了學生創作的自信心。同時，學生向他人分享自己的學習經驗與成果，既加深了自身對知識的掌握，又滿足了被認可的深層心理需求。

為保證創客教育活動的有效實施，教師需要更多地關注學生每一階段具體情況。學生的發展不再僅限于知識的獲取，更多的還有學生的實際操作能力、協作能力、人際交往能力和語言表達能力等。

隨著新一輪的課程改革方案的落地，一線信息技術教師教育理念的更新、教學方式的轉變有了更加明確的方向，創客教育正當時。

參考文獻：

[1]教技[2016]2號.教育部關于印發《教育信息化“十三五”規劃》的通知[Z].

[2]祝智庭，孫妍妍.創客教育：信息技術使能的創新教育實踐場[J].中國電化教育，2015（1）：14-21.

作者簡介：

張偉營，廣東省中山市，中山市實驗中學。