基于micro：bit開(kāi)發(fā)板的STEAM創(chuàng)客教具設(shè)計(jì)研究

嚴(yán)陳凱，張鐵成，何文杰，伍智泓，張真瑋，傅 濠

（大連大學(xué)，遼寧 大連 116622）

0 引 言

STEAM教育是含科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等多學(xué)科的綜合教育，國(guó)外的STEAM教育起步較早，而我國(guó)相關(guān)教育起步較晚，資源嚴(yán)重缺乏。隨著創(chuàng)客教育的逐步推廣，編程教育成為STEAM教育的一個(gè)重要發(fā)展方向[1]。

從創(chuàng)客教具產(chǎn)品方面來(lái)看，市場(chǎng)上的可編程創(chuàng)客教育產(chǎn)品以樂(lè)高為主導(dǎo)，種類較少，雖然也有部分公司推出了不同形式的可編程教具，可滿足不同年齡段對(duì)編程的入門操作需求，但也存在可編程控制中心過(guò)于集成化，在造型及拼接方式上受傳統(tǒng)產(chǎn)品影響較大，功能不夠豐富，操作不方便等缺點(diǎn)[2-3]。

1 在STEAM中加入編程能力培養(yǎng)的可行性

1.1 國(guó)家對(duì)編程能力培養(yǎng)的重視

2015年“十三五”規(guī)劃提出注重少兒編程能力培養(yǎng)后，國(guó)內(nèi)少兒編程迎來(lái)了一個(gè)發(fā)展小高峰。政策推動(dòng)之下，資本也紛紛涌入少兒編程行業(yè)。從最近的融資數(shù)據(jù)來(lái)看，資本并未全部加碼相對(duì)頭部的企業(yè)，還在市場(chǎng)上繼續(xù)尋覓著新創(chuàng)企業(yè)。可見(jiàn)，目前少兒編程市場(chǎng)仍存在較大缺口。中國(guó)少兒編程市場(chǎng)在資本、政策、用戶的相互作用下，將迎來(lái)爆發(fā)期。

1.2 編程能力與STEAM結(jié)合的方向

少兒編程，尤其是少兒機(jī)器人編程對(duì)促進(jìn)兒童STEAM能力的發(fā)展具有重要作用，它強(qiáng)調(diào)知識(shí)跨界、場(chǎng)景多元、問(wèn)題生成、批判建構(gòu)、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，既體現(xiàn)課程綜合化、實(shí)踐化、活動(dòng)化的諸多特征，又反應(yīng)了課程回歸生活、回歸社會(huì)、回歸自然的本質(zhì)訴求[4-5]。

1.3 易于使用的micro：bit開(kāi)發(fā)板已成為少兒編程首選的工具之一

micro：bit是一款由英國(guó)廣播電視公司（BBC）聯(lián)合若干家公司和機(jī)構(gòu)，如三星、微軟等，專為青少年編程教育而設(shè)計(jì)的微型電腦開(kāi)發(fā)板，BBC希望通過(guò)micro：bit驅(qū)動(dòng)青少年參與創(chuàng)造性的硬件制作和軟件編程中，而非每天沉浸在各式娛樂(lè)和消費(fèi)活動(dòng)中。該開(kāi)發(fā)板為基于ARM體系的嵌入式系統(tǒng)，電路板尺寸為4 cm×5 cm，擁有ARM Cortex-M0處理器、加速度傳感器、磁力傳感器，具備藍(lán)牙通信和USB連接能力，含有由25個(gè)LED組成的顯示屏和2個(gè)可編程按鈕，可以通過(guò)USB連接電源或者外部電池供電。

作為一個(gè)小型的可編程計(jì)算機(jī)，旨在使學(xué)習(xí)與教學(xué)變得輕松有趣。用戶可使用微軟提供的MakeCode編輯器輕松用圖形化模塊和JavaScript編寫micro：bit，也可使用Python編輯器為想要繼續(xù)深入學(xué)習(xí)編程的人群提供代碼段、預(yù)制圖像和音樂(lè)，以便進(jìn)一步編程。因該產(chǎn)品功能強(qiáng)大、易于上手，受到了越來(lái)越多編程愛(ài)好者的關(guān)注，被作為學(xué)習(xí)編程的首選工具之一[6-7]。

2 可編程教具的設(shè)計(jì)基本準(zhǔn)則

2.1 應(yīng)選擇易于使用的編程系統(tǒng)

考慮到低齡客戶的接受程度，不建議使用純英文版本的軟件，以及通篇操作需要進(jìn)行手動(dòng)代碼編寫的軟件。為了能夠迅速抓取兒童以及青少年的注意力，應(yīng)選用中文版且以彩色方塊構(gòu)成的圖形化編程軟件。這類軟件具有操作簡(jiǎn)便、畫面精美等特點(diǎn)，可通過(guò)不同色塊的拼接組合成不同的指令，激發(fā)兒童的繪圖意識(shí)，促使他們更好地投入到編程學(xué)習(xí)當(dāng)中。

2.2 編程教具應(yīng)具有良好的可操作性、易操作性

教具應(yīng)便于操作，考慮將教具設(shè)計(jì)成不同的零件，通過(guò)插接以及少量螺絲進(jìn)行固定。每一塊組成板上都有明確的拼插指示，同時(shí)，為了避免兒童誤吞螺絲，建議使用平底大號(hào)螺絲，可以用手進(jìn)行操作，免去了使用螺絲刀的危險(xiǎn)。安裝開(kāi)發(fā)板的固件上也有明確的位置指示，使得兒童可以更容易地動(dòng)手拼接。通過(guò)動(dòng)手組裝模塊，可以開(kāi)發(fā)兒童思維，鍛煉他們的動(dòng)手能力以及培養(yǎng)他們的耐心[8-9]。

2.3 積極培養(yǎng)孩子的創(chuàng)造性

建議將教具設(shè)計(jì)成可組裝的形式，在動(dòng)手組裝的過(guò)程中，便于兒童領(lǐng)悟空間的概念，在拼接不同造型的同時(shí)，能夠更好地發(fā)揮他們的創(chuàng)造力。配合編程板的使用，可以實(shí)現(xiàn)一種玩具多種玩法的目標(biāo)，讓兒童從不同的拼接組合與不同的編程指令中不斷探索，發(fā)現(xiàn)更多樂(lè)趣。

2.4 編程教具的可拓展性

可編程教具可采用激光切割椴木層板、3D打印等方式生產(chǎn)，也可采用注射成型制造的零件。直接成型的教具大部分用于編程的進(jìn)階學(xué)習(xí)，通過(guò)更復(fù)雜的編程指令實(shí)現(xiàn)一機(jī)多操技術(shù)。可從主打編程、主打拼接和雙向進(jìn)行三個(gè)大方面進(jìn)行擴(kuò)展。

2.5 多年齡段適用性

針對(duì)不同年齡階段的客戶推出不同的風(fēng)格主題，既不會(huì)讓年齡偏大的兒童覺(jué)得幼稚無(wú)味，也不會(huì)讓年齡偏小的兒童失去樂(lè)趣。針對(duì)不同年齡段進(jìn)行不同的教程編寫，推出不同風(fēng)格主題的教科書[10-11]。

2.6 編程教學(xué)課程的趣味性

為適應(yīng)兒童的接受能力，選擇通過(guò)卡通插圖畫的形式教學(xué)，使用不同的卡通圖案取代晦澀難懂的復(fù)雜編程語(yǔ)言。不同的卡通圖案代表不同的程序指令，不同顏色卡通圖案的組合將構(gòu)成不同的程序。每一個(gè)完整的編程語(yǔ)言都由不同的卡通圖案構(gòu)成，不同的圖案不僅能夠抓取兒童的注意力，也更便于兒童理解教程。

3 基于micro：bit開(kāi)發(fā)板創(chuàng)客教具設(shè)計(jì)方案探討

3.1 基于micro：bit開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)的智能小車

（1）兼容樂(lè)高模塊，以micro：bit開(kāi)發(fā)板為控制中心，用micro：bit擴(kuò)展板驅(qū)動(dòng)電機(jī)等元件，可通過(guò)手機(jī)APP、遙控手柄等控制智能小車。

（2）設(shè)計(jì)教具的不同功能結(jié)構(gòu)件及傳感器，使其實(shí)現(xiàn)可組裝、可運(yùn)動(dòng)的效果，固定micro：bit開(kāi)發(fā)板、擴(kuò)展板及其他常用電子元件。

（3）根據(jù)不同階段的學(xué)習(xí)情況，逐步擴(kuò)展可編程小車的功能。

（4）開(kāi)發(fā)配套課程資源，制作可編程教具使用過(guò)程、組裝過(guò)程、接線過(guò)程的圖文與視頻教程。

3.2 基于micro：bit開(kāi)發(fā)板的機(jī)器人

（1）通過(guò)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的方式，將micro：bit開(kāi)發(fā)板作為機(jī)器人的控制中心，完成電機(jī)、舵機(jī)、語(yǔ)音、顯示屏等模塊的控制，讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)不同的功能。

（2）通過(guò)采用不同數(shù)量的結(jié)構(gòu)件及連接件，實(shí)現(xiàn)模塊不同的組裝狀態(tài)，如設(shè)計(jì)以驅(qū)動(dòng)電機(jī)或舵機(jī)作為動(dòng)力源的可編程機(jī)器人。

（3）配套課程資源開(kāi)發(fā)，制作可編程教具使用過(guò)程、組裝過(guò)程、接線過(guò)程的圖文與視頻教程。

4 結(jié) 語(yǔ)

在STEAM教育中融入編程能力的培養(yǎng)更加符合當(dāng)前國(guó)內(nèi)兒童的教育發(fā)展趨勢(shì)，具有綜合編程等功能的STEAM教具的開(kāi)發(fā)具有廣闊的市場(chǎng)發(fā)展空間。根據(jù)兒童的學(xué)習(xí)能力特點(diǎn)，在可編程創(chuàng)客教具中采用易于使用的圖形化編程軟件，使教具具有良好的可操作性與易用性，通過(guò)組裝等方式提升兒童的創(chuàng)造力[12]。