基于科創教育Arduino校本選修課的實踐探究

黃國財

【摘要】科創教育融合了STEM教育和創客教育，面向未來，以培養技術進步、科技創新為目標。本文Arduino校本選修課圍繞STEM課堂教學、以創客活動項目為載體進行探究，通過構圖設計、積木搭建、AI應用，激發學生探索興趣、引導學生跨學科知識聯系實踐，變創意為現實，培養學生跨學科解決問題能力、團隊協作能力和創新能力，全面提升學生的科創素養和能力。

【關鍵詞】Arduino;校本選修課;科創教育;實踐探究

科創教育既面向學生跨學科素養的生成，也著力培養學生的創新實踐能力。我校開展Arduino校本選修課，搭建創客活動項目研究平臺，不斷創造條件讓善于動腦、樂于動手的學生有機會真正接觸多學科實驗，動手把興趣愛好、奇思妙想變為現實。科創教育的持續創新發展，對學校教育的發展有著重要的實踐意義。

一、Arduino校本選修課

隨著教育信息化2.0的推進，我校信息技術科憑借著多年對機器人項目培訓所積累的各方面資源、科技勞動教育實踐活動比賽的一些經驗，開拓面向未來的人工智能Arduino校本選修課程。本課程采用項目任務探究式教學與創客活動相結合形式進行，一方面，教師引導學生在選修課堂中完成一系列有計劃的、內容豐富且與生活相關的真實性問題的無畏探索和天馬行空設計。另一方面，組織學生多層次、多維度參與線上、線下人工智能創客實踐活動的項目培訓與比賽，讓學生在活動中嘗試探索、發散思維、融合多學科知識應用、團隊協作形成研究成果，從而獲得較為完整的科創知識和技能。

二、Arduino校本選修課目標

Arduino校本選修課以項目任務探究為載體，引導學生通過系列專題案例的摸索學習和創客活動比賽項目的研究，增強學生的求知欲望，激發學生創新想法、實踐探索的興趣。學生通過學習觀察、實驗嘗試、學習動手設計和制作及現場調試展示，培養學生思維創造、分析問題和學習應用AI解決面向未來實際問題的新能力。在合作研究學習和活動比賽摸索過程中，培養學生的團隊協作精神。

三、Arduino校本選修課課堂實踐

Arduino校本選修課課堂教學實施流程包括創設情境、構建創意、創意變現、分享交流、拓展提升、總結評價等環節。本次以制作LED燈宣傳廣告牌項目為例。

（一）創設情境

學校對面新開了一間文具店，店主很想做個LED燈的宣傳廣告牌，以更吸引學生的光顧。現請學生們思考如何制作一個頗具特色的LED燈宣傳廣告牌。教師在選修課教學中引入真實的生活場景，拋出項目探究任務，引發學生搜索自己的知識儲備、尋找可行的方式實現生活需求。教師引導學生分析LED廣告燈的設計原理，進而讓學生思考如何設計出有特色的作品。

（二）構建創意

教師先對選修課成員進行分組，以小組為研究單位，討論如何利用Arduino主板、LED元器件等材料構建任務，以實現廣告宣傳燈的效果，商定本小組的創意并電腦設計草圖。教師參與部分小組的討論，引導學生合理分工，鼓勵學生天馬行空，激發學生創想動機，并且以此來培養學生的創新意識。

（三）創意變現

小組根據商定的設計構想，分步搭建、線路連接、程序編寫及下載測試、作品改進調試及封裝，將創意由思路設想變成現實作品。教師巡視指導，對線路連接、程序編寫、作品系統調試進行適當的指導，培養學生的應變思維和動手能力。

（四）分享交流

各小組派代表面向全體成員展示作品，分享作品創作思路和創作過程所遇到的問題及解決方式、途徑，教師偶爾進行點撥和鼓勵。

（五）拓展提升

LED廣告燈在通電的情況下可以反復運行，而不是運行一次。教師展示程序，引導學生分析、改進，如，增加延時功能、添加多組LED小燈、添加變量等。學生在原來基礎上繼續完善作品或者進行新的創意探究。

（六）總結評價

教師提煉、總結課堂教學中所出現的創新點，組織學生進行個體評價、組內評價、組間互評。

四、Arduino校本選修課創客活動實踐

科創教育一方面要打破學科限制，另一方面要打通校內與校外的互聯，為學生提供多樣豐富的項目實踐體驗。因此，我們在開展Arduino校本選修課教學的同時，也引導、鼓勵學生和教師參加鎮、區組織的創客相關項目的比賽，以賽促教、以賽促創，孕育科創人才、創新成果。

（一）分析創客比賽項目

根據上級部門的創客節活動方案，我們結合學生學習Arduino校本選修課的進度及學生掌握的水平和能力，再有針對性地組織學生參加Arduino選修課內容相關的創客比賽項目研究培訓，進一步拓寬學生的視野，提升學生的思維和認知能力。

（二）開展項目研究實踐

教師有目的地對選修課成員按比賽項目要求分組組隊，以隊伍為實踐研究單位，討論、構建創客比賽項目主題所需要的器材和要掌握的學科知識和能力，利用Arduino主板、傳感器、舵機，配合使用3D設計、打印、切割等初步制作比賽作品。教師參與創客比賽項目研究，引導學生合理分工、如何更有效設計、制作以更好實現比賽的主題要求。

（三）編程測試改進實踐

各個參賽隊伍通過編程調試，初步實現所制作作品的各項功能和目的。當然，在測試過程中，成員要做好出錯和完成情況的記錄，及時調整作品結構，更有效、更好地完成創客項目的比賽要求。如小車循線創客項目，就是要利用Arduino掌控板、馬達和紅外傳感器完成小車的制作與控制程序的編寫以實現在一個模擬街道實景地圖中快速、安全前進到達終點的任務。此創客項目活動，學生需學習掌握切割機軟件制圖設計小車的結構件，還需研究組裝符合比賽要求的小車，再不斷地對小車進行場地測試，以達到最好的解決方案與作品。

又如馬拉松項目，使用活動方提供的Arduino掌控板、攝像頭等器材與工具，通過電腦編程、建模，硬件搭建、造型設計等創作實物作品，如，趣味電子裝置、AI人臉識別、智能機器等。鼓勵學生在智能校園、智能家居、智能穿戴、智能醫療等方向實現創意創新。學生需要在規定時間內完成作品后并分享演示和講解設計想法與所實現的功能。

（四）模擬比賽交流

在各隊伍的創客項目實踐研究并生成作品后，教師有目的、有方向地組織模擬比賽的內部活動，一方面，讓學生初步全方位感受自己所設計的Arduino創客作品的成果。另一方面，讓參賽隊伍通過模擬比賽更多地發現問題，待后續改進。同時，訓練學生現場創客比賽心理承受能力和團隊配合能力。

（五）賽后分享提升

歷經Arduino創客項目現場比賽活動后，在選修課課堂上，教師讓每個參賽隊伍分享自己隊伍的比賽復盤，及時總結分享比賽心得。教師再組織交流與討論，帶領學生重溫現實賽場，進一步分析每個隊伍在比賽過程中出的異常和所發現的缺陷，為后續研究出更合理、更優的方案和作品成果。

五、課堂教學與創客活動實踐思考

Arduino校本選修課教學內容源于生活真實案例，激發學生綜合應用Arduino主控板、傳感器、LED、舵機、電機、顯示管、攝像頭等電子元器件，在課堂教學中整合科學、技術、工程、藝術和數學零碎知識解決面向未來的真實問題，更好地培養學生的創新能力。

項目式任務實踐探究，可以讓學生深刻體驗一次次的失敗與成功，更有效地激發學生去主動摸索多種可能的解決途徑。讓學生在項目中學習了解、體驗、掌握PWM、Arduino電子元器件的針腳位置、基本電路連接等知識，逐步熟悉變量、循環語句等編程語言的規律，并且進行反思和領悟Arduino人工智能創客，培養學生問題解決能力和合作探究能力。

創客活動比賽是對Arduino校本選修課程教學內容的拓展與升華實踐，但由于個體差異，學生小組在比賽過程中所完成的任務有明顯的差距。教師應在教學與比賽中設置多種目標，分層教學和指導，讓學生更有信心和能力不斷完善作品和完成比賽任務，促進學生個性化和能力快速成長。

六、結束語

基于科創教育Arduino校本選修課的實踐探究，我們無論在課堂上，還是在課外的創客活動中，在培養學生創新意識和能力方面都取得顯著成果。目前，還需要進一步探索校本課程教學、活動培訓、現場實踐、校內外結合等方式，以全面提升學生創新素養，著力培養科創英才，做好人工智能時代跨學科知識多維度、多層次、立體化的科創教育課程體系建構，走科創教育的品牌化發展之路。

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