基于Arduino的小学创客教育应用与实践探究
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【摘要】近年来，随着《教育信息化十三五规划》《教育部教育装备研究与发展中心2017年工作要点》以及《义务教育小学科学课程标准》等文件的发布，中小学开展创客教育已经势在必行。而随着人工智能的大力发展，以Arduino为代表的开源硬件的创客教育成为了一种发展趋势。文章从Arduino编程语言教学、Arduino电子电路教学、创新能力培养等方面总结了基于Arduino开展小学创客教育的成功经验。
【关键词】创客教育；Arduino；小学
创客教育是创客思想与现代教育的结合，开展项目式学习，使用计算机、3D打印机、手机等现代信息化工具及金工、木工等传统工具相结合的方式，鼓励学生追求个人创意的实物化、产品化，倡导互相分享、共同促进，培养跨学科解决问题能力、综合实践能力、信息技术能力、合作交流能力和创新能力的一种创新教育。而Arduino 作为一款开源电子原型平台，通过编程实现丰富多样的交互设计，能够极大地提升学生的技术意识、创新思维和物化能力，其特点与创客教育相互吻合，是中小学开展创客教育的优秀载体。那么如何能开展好基Arduino的小学创客教育呢？笔者通过分析学校学生现状及实际情况，认为必须做到三个有效一个鼓励。
一、有效开展编程语言教学
编程语言是Arduino教学的重点，也是未来人工智能的核心。但对于小学阶段的学生，复杂的编程语言往往很难理解，而使用图形化编程能帮助小学教师们更有效的开展编程语言教学。什么是图形化编程？它是由Arduino 编程环境的第三方软件 ArduBlock 上包装的，以图形化的模块，将Arduino的编程方式由敲写代码转变为搭建积木式的编程。它主要的作用是能够将许多复杂难懂的英语编程语言进行简化，通过逻辑关系进行装嵌、叠加等，极大地减低了编写程序的难度，让小学生也能够快速学会程序编写，既提高课堂教学的有效性，也能够最大地发挥出学生的创意。
有了图形化编程但缺少了逻辑思维培养，图形化编程也不过是拼图游戏。现阶段各中小学还在摸索相关的教学模式，往往会看到在教学时只是通过让小学生根据已有的编程图来进行编程，然后再解释编程中的逻辑关系。在这种教学模式下，学生自身的逻辑思维并没有得到培养，虽然其仍然能较好的完成项目，但一旦要其进一步创新项目或改变项目确很难做到。所以笔者认为在编程语言教学中重点并不在于项目中编程语言的学习，而是通过编程语言来培养学生的逻辑思维。
例如，在入门课程高温报警器的项目学习时，教师并没有一开始就展示出编程语言，而是组织学生研究任务内容，并让学生发散思维，讨论出各种逻辑关系。有部分学生会想出“当温度大于25℃时，蜂鸣器响起。小于25℃时，蜂鸣器关闭”“当温度大于或等于25℃时，蜂鸣器响起”“当温度大于25℃时蜂鸣器响起，反之则关闭”等等的逻辑关系。这时，当教师将各种逻辑关系及正确的逻辑关系收集起来进行对比时，每个学生都能发现自身逻辑思维的不足之处或者优点，并得到进一步的提升，从而达到有效提高学生逻辑思维的效果。
二、有效开展电子电路教学
电子电路是Arduino教学的基础，也是学生实现创意物化的关键。现阶段，
在实施创客教育时往往会非常关注编程语言的教学而忽略了Arduino套件本身的电子电路的教学，在编程语言的教学中费尽心思，但之后的教学只是让学生按照设计图进行组装，许多相关的硬件介绍也只是简单带过，对于连正极和负极都分不清楚的低年级小学生而言简直就是天书一样难懂，学生虽然能完成相关的项目制作，但是一旦要求其对项目进行改进或创新时就会难以实现自己的想法。所以有效的电子电路教学非常重要。
例如，在开展Arduino项目学习前，教师先组织学生学习完基本的电路知识，让学生对于电路中的正负极、短路、串联、并联、电路连接等知识熟练掌握并能很好的组装电路，而事实证明这些知识对于一年级的孩子来说都不难。然后教师再用简单的电路知识进一步简化Arduino主板中那20多项不同接口的功能，如Arduino主板中3.3V、5V等接口表示连接电器正极、GND接口连接电器负极，又如0-13接口表示连接传感器正极等等。而直到学生能够完全掌握Arduino电路的连接后，教师才正式开展Arduino项目的学习，这样学生在完成项目的过程中就能很好地理解项目中的电子电路，并且不但能很好完成Arduino项目，还能举一反三优化Arduino项目的电路甚至通过融入不同的电子元件实现自己想要的功能，从而实现创新。
三、有效开展创新能力培养
创新能力的培养是Arduino教学的核心，也是创客教育的要求。其实现阶段已经有许多小学的Arduino课程示范过如何通过Arduino套件来培养学生的创新能力。比较流行的一类教法就是在教学完一个Arduino范例项目后，教师通过提出一个功能类型相似的项目，学生运用起刚学过的知识并根据自己的创意进行设计与制作，不断探索并完善方案，最终完成项目并提高自身的创新能力。
例如，在“高温报警器”的Arduino范例项目教学过后，教师再要求学生运用相关原理制作出“智能温控宠物窝”“温湿度监控种植箱”等等的创意项目。又如在“避障小车”的Arduino范例项目教学过户，教师也可以要求学生运用相关原理制作出“障碍警报盲人手杖”“扫地机器人”等等的创意项目。学生在进行创意制作中，除了要摸索出有效的程序代码外，还要自行设计出Arduino的电子电路以及改造各类的生活材料。在整个项目的制作过程中学生的信息技术能力、动手实践能力以及创造力都能得到很好的锻炼。
当然对于小学生而言，要完成任何一个项目都会感觉难度较大，所以在教学中教师要给予学生们更多的细心指导和物质上的帮助。过程虽然艰辛，但当孩子们结出累累硕果时，这一切都是值得的。
四、鼓励交流、互相学习
开展创客教育，是为了开拓学生的眼界，拓展学生的思维。我们可以鼓励、帮助学生通过网上学习、实地参观和经验交流等办法帮助学生去提升自我。所以，除了平时的教学中鼓励学生加强交流外，我们可以带领学生到一些比较有名的创客空间，如智创空间、柴火创客空间等网站学习，也可以组织学生参加各种科技创作竞赛，积累创意，开阔视野，为学生个人的梦想加满科技的力量，让学生走上创客之路，并走得更高、更远。
以Arduino开展小学创客教育，能使学生充分挖掘自己的创意，在探索、设计、试验、制作、交流中不断提高、成长。学生的信息技术能力、动手实践能力、创新能力、分析问题能力、解决问题能力都能得到了全面培养，而上述能力是未来人才必须具备的能力，所以相信随着我国科技的进一步发展，创客教育必将受到全体中小学校的高度重视。作为创客教育的探索者，我们仍需继续钻研，力争帮助我校的创客教育更上一层楼，为教育事业做出自己的奉献。
[本文为广州教育政策研究课题“农村小学开展创客教育的实践研究”（ZCYJ18118）课题研究成果]
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