吴清泉：Arduino创意机器人之传感器总动员（附教学案例）
创客教育理念下的教学模式应用与实践
——以“Arduino创意机器人之传感器总动员”为例
文 | 吴清泉
在全球创客运动和“大众创业、万众创新”战略的推动下，创客教育已成为推动经济转型、教育变革和社会发展的驱动力。笔者以“Arduino创意机器人之传感器总动员”课程为例，通过“学—仿—研—创—享”， 从教学目标、教学内容、教学方法和教学评价四个要素构建面向创客式教育的中学信息技术教学模式，做了创新探索，期待为创客教育提供新思路和新方法。
创客一词最早由《连线》杂志前主编Chris Anderson提出，是指热衷于创意、设计和制造并以创新满足人们需求的人群。创客教育的意义体现在运用先进的理念与方式改造教育。教师开展“协同探究”“项目合作”等方式的教学，使每个学生在课程学习中找到乐趣，进而激发学生的创造潜能。创客教育的特征及其对中学信息技术教学有以下几方面的启示。
创客教育与传统教育的差别之一就是创客教育能打破学科壁垒，强调结合多学科知识去理解问题、解决问题。创客教育理念指导下的信息技术学科教学目标和教学内容不再局限于某一学科知识，而要将多学科、多角度知识点串联起来因材施教，培养创新型人才。
创客教育使学习、研究和创造形成一个迭代式的良性循环，持续提升学生的创新、创造力。学校和教师结合信息技术学科强调动手及实践的特点，在真实情境中手脑并用，让学生在实践中学习、模仿中探索、研究中创造，逐步提升实践能力并发展创新精神和创造力。
课程的内容和活动设计常常围绕复杂的现实问题展开。教学方式多为项目式学习。教师应鼓励学生基于兴趣组成项目小组，开展协助探究，发挥自主能动性，共同解决问题，完成学习任务。
共享精神是创客精神的重要组成部分，也是创客教育的特征之一。教师基于创客理念，让学生参与分享与交流，积极踊跃地表达想法，让学生碰撞思维并产生创新的火花。
目前，国内关于创客教育的模式、创客课程的教学模式的研究层出不穷。在综合前人研究和实践的基础上，杨现民对比创客课程和传统课程后指出两者在四个维度上存在差异：课程目标定位、内容组织结构、开展方式和评价方式。笔者基于创客教育理念，从教学目标、教学内容、教学方法和教学评价四个要素构建中学信息技术教学新模式（如图1）。
图1 信息技术教学新模式
创客教育的目标是培养学生高阶思维能力。根据布卢姆教育目标分类中对学习目标的分类，其中分析、评价、创造属于高阶思维能力。信息技术教学强调对学生信息素养的培养。笔者认为基于创客教育的中学信息技术学科教学应注重沟通交流与协作能力、查找与鉴别信息能力、动手实践与问题解决能力以及创新思维与创造能力的培养，并以此为出发点，进行教学内容、教学方法的设计并做教学评价。
笔者基于创客教育理念，参考创客基础课程和目前的信息技术学科教学内容，将实践环节与有限的教学空间做有效整合，设计富有创意、带有挑战性的活动，让学生在实践过程中更好地学习和掌握教学内容。笔者设计了“学—仿—研—创—享”的迭代步骤（如图2），借由系列的学习活动，通过反复的知识习得、动手操作、信息处理、学习思考、组织规划、沟通表达、团队合作和自我管理等行为的训练促进学生主动学习、解决问题、创新创造。
图2 迭代步骤
在创客教育评价体系中使用评价量规，能够记录学生创作作品的过程、能力发展的变化以及在创作过程中暴露的问题。评价量规不应只在展示成果阶段使用。教学评价贯穿整个教学过程，因此不仅要注重结果性评价，还要关注学生在“学—仿—研—创—享”过程中的表现，将形成性评价和总结性评价相结合。此外，应该采用多元化的方式评价，在评价过程中，除了教师外，还有学生、家长等参与，多角度评价学生的学习效果。
当前，创客教育正成为促进学生由知识消费者向创造者转变的重要力量。依托信息技术课堂开展“人工智能”“3D打印”“开源硬件开发”教学已成趋势。笔者以学校建设“创客空间”为契机，成立了信息技术学科的创客兴趣小组，坚持创客教育理念，创新教学模式，开展了为期一学年的创客课程实践。下面以“Arduino创意机器人之传感器总动员”为例，阐述新模式在教学中的应用。
教学目标是教学内容和活动设计的方向，是教学评价的出发点和归宿。创客教育不同于传统的学习，它不仅关注理论知识的掌握和操作技能的提高，而且关注对解决问题的能力、创新能力以及协助交流能力的培养。
在本课程“传感器总动员”中，教学目标围绕创新和创意能力、探究和实践能力、协助和沟通能力展开。主要内容为：了解不同传感器的类型及用途；掌握不同传感器的使用方法；掌握积木式开源平台的使用；掌握创客项目制作的一般过程；根据指定主题提出创造性的解决方案；根据设计，实现原型；较好地实现小组成员及小组之间协助沟通和交流；能够评价项目成果优劣。
教学按照“学—仿—研—创—享”的迭代步骤进行。下面，以“传感器总动员”为例介绍教学内容与方法。
1. 学
【教学内容与活动】“学”强调学生理论知识的习得，教师可将传感器的关键性知识制作成微课供学生学习。这一阶段可分为两部分：教师引导和学生探究。教师引导：教师针对四位数码管的知识进行讲解，包含其特点、使用方法及注意事项；与此相对应的编程知识（重复执行命令）。
学生探究体现在按照前期学习安排，学生以小组为单位自主学习不同传感器的知识（如舵机、超声波传感器、倾斜角传感器、红外传感器、温湿度传感器、霍尔传感器、三轴加速度传感器等），并充当小老师将所了解的相关传感器知识（含特点、使用方法、注意事项及对应编程知识）向同伴讲解（每组讲解时间20分钟）。
【教学方法】搭脚手架，引导自主探究。
【设计意图】引导学生学习相关的传感器知识，培养学生对创意设计的兴趣。
2. 仿
【教学内容与活动】“仿”体现在学生以模仿的方式完成一项简单的作品设计，协助学生将知识和技能主动内化。在此阶段，教师需向学生呈现模仿型任务资料，包括任务介绍、任务功能、实现路径及操作技能讲解等。
如在讲解四位数码管时，教师抛出任务：制作并应用“智能指示器”，即利用该传感器和编程中重复执行命令制作一部适用于厨房蒸煮严格控制时间的倒计时器。完成该任务的过程中，教师侧重讲解智能指示器实现的功能、制作思路和制作流程。
【教学方法】任务驱动，模仿设计。
【设计意图】通过模仿加深学生对所学知识的了解和应用；维持创新热情，培养学生的操作技能，提高学生的实践能力。
3. 研
【教学内容与活动】“研”建立在“学”与“仿”的基础上，目的是引导学生针对主题运用发散性思维自由联想，以萌发具有创新性的想法。教师（小老师）在演示模仿任务结束时，布置一道与讲解的传感器相关的研讨题目（题目以劣构性问题为主），让学生以小组为单位交流讨论、头脑风暴。
如：A小组在讲解超声波传感器知识后，给其他学生演示了模仿任务——距离检测仪的使用。学生通过模仿后基本掌握了超声波传感器的特点及使用方法。随后，A小组学生提出了研讨题目：距离检测仪除了用于检测车辆追尾外，还能用于其他领域吗？学生通过发散思维自由联想，认为超声波传感器在检测等待红绿灯车辆数、检测学生学习时与桌子距离、检测拐杖前方障碍物等方面都能发挥作用。
【教学方法】头脑风暴，交流讨论。
【设计意图】鼓励学生发散思维自由联想，以萌发具有创新性的想法；引导学生观察学习和生活，尝试发现问题。
4. 创
【教学内容与活动】“创”是学生实现创意。在创意形成后，学生需要对所制作的作品进行分析与设计，将问题列出来，逐项解决。
例如：B小组打算用超声波传感器制作一只智能红绿灯，即通过超声波传感器检测当前等待绿灯车辆数，如车辆数超过一定范围则将数据返回给红绿灯控制端，由控制端按比例延长绿灯时间。根据设想，B小组提出以下3个问题：（1）除了超声波传感器外，还需要哪些传感器？（2）控制端之间通过何种方式通信？（3）实际应用中超声波传感器的放置位置及个数情况如何？B小组学生根据问题，与同伴探讨、向教师请教、利用互联网收集资料甚至向社会上的创客空间寻求帮助，实现跨界合作，并完成了作品。
【教学方法】协助探究，发现与解决问题。
【设计意图】鼓励学生开动脑筋积极思考，有创造性地列出问题和提出解决问题的角度和思路；在解决问题的过程中学会自主探究、分工协助、跨界合作。
5. 享
【教学内容与活动】“享”的阶段是借助工具或平台分享学习成果、展示作品和交流心得阶段。在此阶段，教师通过生动有趣的方式让学生展示作品，观看和评价其他小组的作品。如：本课程“传感器总动员”在分享阶段的活动名为“造物拍卖会”。以拍卖会的形式让学生介绍和展示作品，并以虚拟价格“价高者”的方式作为评价作品的其中一项指标。通过模拟真实的拍卖场景，展示和评价作品外，还能促使学生思考和认清创造的价值和意义，激发学生创造的兴趣，引发学生进行价值评估和思考。
【教学方法】模拟情景。
【设计意图】通过分享让学生回忆创作思路、表达创意想法、探讨创造技能，有利于学生反思能力提高，培养沟通交流能力，扩大学习影响力。
教师应基于信息技术学科核心素养考查学生在创新思维和操作实践等方面的能力。教学评价要做到多元化和多维度，重点关注：（1）对学生探究过程、完成任务情况的评价；（2）对学生学习态度、合作学习能力的评价。为此，笔者制作了表格对作品创作、小组教学和分享等方面进行评价（见表1），并按照每个小组在每项指标中获得的等级比例最终确认小组等级。
表1 教学评价
笔者通过分析创客教育的内涵和特征，结合信息技术学科的教学需求，提出基于“学—仿—研—创—享”迭代学习步骤的教学模式，并在课堂上实践应用，取得一定成效。学生通过主动学习和小组协作探究完成项目，提高了编程、沟通协助、和创新创意等方面的能力。
（作者系广东省惠州大亚湾经济技术开发区第一中学教师）
文章来源：《中小学数字化教学》2019年第3期，文章有删改
责任编辑：祝元志
微信编辑：李中华
监 制：朱哲
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