基于steam理念下arduino+激光雕刻的校本課程實踐

摘要：近年來，STEAM教育理念及其課程資源得到了國內教育界的普遍關注，Arduino教學具有較強的綜合性、實踐性，激光雕刻可以幫助學生提高空間想象能力和創新思維能力。它們都滿足 STEAM 理念各要素的有效整合。本文基于STEAM教育理念分析探討了如何利用Arduino和激光雕刻+Arduino結合起來，培養青少年的創新意識、實踐能力和團隊協作精神。

關鍵詞：STEAM;校本課程;激光雕刻;Arduino

STEAM教育是一個集科學教育、技術教育、工程教育、數學教育、藝術教育等學科為一體的研究與實踐領域，我國蒸汽動力教育的主流是機器人教育、程序設計教育、計算機科學教育、計算機科學教育、計算機科學教育、計算機科學教育、計算機科學教育、計算機科學教育。3D打印及激光切割雕刻技術。

《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見》指出：“有條件的地區要積極探索新技術手段在教學過程中的日常應用，探索STEAM教育、創客教育等新教育模式”。STEAM以科學教育為核心，是科學教育、技術教育、工程教育、數學教育、藝術教育等多學科交融的研究實踐領域。中國的STEAM教育的主流在于機器人教育、編程教育、3D打印以及激光切割與雕刻技術。幫助學生發現學科間內在聯系的教育，注重培養學生跨學科能力。

一、激光切割和雕刻技術

激光雕刻機的使用范圍非常廣，不僅雕刻速度快，而且精度更高，雕刻效果更加細膩，因此，激光雕刻機的應用已經逐漸成為非常重要的雕刻設備。激光雕刻機可以完成各類模型的制作、原型的雕刻、拼接構件的制作，由于其速度快以及可批量制作，已成為STEAM教育必備的一項協助工具。

我國青少年各類社團活動及競賽中已經大量用到激光切割與雕刻技術，它正在成為各種活動中的支撐工具，極大地幫助鍛煉學生的動手實踐能力。激光切割與雕刻技術讓青少年的各種創意在短時間和低成本下變得觸手可及。

二、Arduino開源硬件技術

Arduino是一款便捷靈活、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）。硬件部分是可以用來做電路連接的Arduino電路板;軟件部分則是Arduino IDE，目前國內開發多出款圖形化編程軟件比較適合中小學生使用。比如北師大的MIXLY，DF的Mind+，makeblock的mblock，都可以對arudino編程。Aduino的制作編程過程通常包含物理、數學、多媒體、計算等，非常符合STEAM的教育理念。

1.arduino作用

Arduino的硬件原理圖、電路圖、IDE軟件及核心庫文件都是開源的，在開源協議范圍內里可以任意修改原始設計及相應代碼。Arduino不僅僅是全球最流行的開源硬件，也是一個優秀的硬件開發平臺，更是硬件開發的趨勢。簡單的開發方式使得開發者更關注創意與實現，更快的完成自己的項目開發，大大節約了學習的成本，縮短了開發的周期。還可以使用現有的電子元件例如開關、傳感器、LED、WIFI、步進馬達或其他輸出裝置。

2.對學生的培養作用

強化學生邏輯思考力，寫程序最重要的就是如何把大問題不斷分割成小問題的過程，其中，學生必須去思考如何把代碼合理的安排在整個程序中，才能讓程序流暢的處理輸入、演算、直到輸出，這對學生對事物的邏輯分析能力會有極大的提升;增加學生抽象思考能力，其實學寫編程，就像學習第二外語一樣。如果說學外文是為了跟外國人溝通，學寫編程就是學習怎么跟電腦溝通。有趣的是，你碰到老外不會說英文還可以比手畫腳，跟電腦可不行。這表示孩子在學習的過程中，更需要一種把抽象化為具體的能力，好讓不懂得思考的電腦，也能了解與表達抽象的事物;幫助學生整理信息，吸收融合能力，寫程序說穿了，就是一堆電腦指令的排列組合。好比小學的時候我們查字典學漢字、學成語，之后學習如何利用習得的漢字、成語組成句子，進而撰寫文章一樣。學習團隊合作，學會共同學習，提高學生的團隊精神。

三、Arduino和激光雕刻機結合案例

我們以防疫隔離報警器為例來說明arduino和激光雕刻機的結合，可以為開源硬件制作漂亮的外觀和精密的結構。主要用到的硬件有arduino和擴展板，obloq物聯網模塊。軟件有mind+，物聯網onenet。以“隔離報警系統”為主題，主要是讓學生了解MQTT、 學會中國移動物聯網平臺onenet的注冊和使用方法、學習Mind+中MQTT模塊的添加和使用。

1.情景引入。3月15日北京朝陽區一澳大利亞籍女子，由首都機場入境進京，本應在租住地居家觀察的梁某妍，未戴口罩在小區內跑步。提出問題：我們如何用技術的手段，檢測到隔離后私自外出。

2.onenet的注冊和使用，教師演示。

OneNET就是MQTT的一種，是由中國移動打造的物聯網開放平臺。平臺能夠幫助開發者輕松實現設備接入與設備連接，快速完成產品開發部署，為智能硬件、智能家居產品提供完善的物聯網解決方案。

3.硬件準備兩塊arduino板，兩塊擴展板。

實現過程：發射端和接受端需連接wifi和onenet，發射端開門后發送信息到onenet，onenet接收信息后發送到接收端，接收端發出警報播報語音。

4.程序實現

我們把設備聯網后與云平臺的設備連接上。使用兩個掌控板，一個用來發送消息給topic0，一個用來接收topic0的消息。

5.外觀設計

學生分小組使用CAD設計圖紙，使用激光雕刻機在木板或者卡紙上刻出來，并拼裝出外殼，和arduino硬件結合起來。既實現了應有的功能，而且有了漂亮的外殼。

6.項目評價：在項目完成后，進行分組展示和分享，體驗成功的喜悅，教師最后進行點評總結。在此過程中，提升了學生的團隊合作意識，也促進了學生的個性發展。

四、結語

一個成功的STEAM教育方案或課程體系，通常需要經過方案策劃、課程設計、教學實施、教學評估和教學反饋等5個階段，本文僅就基于STEAM教育理念的3D打印+Arduino課程設計進行了淺顯的理論分析和實踐探索，還需結合當前教育改革和素質教育的大背景，與時俱進，不斷迭代更新課程資源，探索具有科技館特色的STEAM教育課程體系。

參考文獻：

[1]蘇暢.STEAM 理念下的機器人課程教學設計 [J]. 中小學數字化教學，2018（1）：59-60.

[2]傅騫.當創客遇上 STEAM 教育 [J]. 現代教育技術 ，2014.

[2]朱凱 .STEM 教育的實踐探索 [J].中國現代教育裝備 ，2016.

作者簡介：王維國（1980.9.25） 男，一級教師，本科，單位：蘭州市外國語學校，中小學信息技術教育