徐廣情 謝天俠

2017年7月國(guó)務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確指出，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，在人工智能中，核心的一環(huán)無(wú)疑是編程。在培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的背景下，編程教育作為培養(yǎng)信息時(shí)代青少年基本素養(yǎng)的重要途徑，在全球范圍內(nèi)得到了高度重視與廣泛普及。

目前，深圳、廣州等城市編程教學(xué)體系較為完善，兼具趣味性、啟發(fā)性和遷移性。廣東省小學(xué)信息技術(shù)教材中包含Scratch和ArduinoScratch圖形化編程學(xué)習(xí)內(nèi)容，Scratch和ArduinoScratch這兩款面向青少年的圖形化編程學(xué)習(xí)工具簡(jiǎn)單易學(xué)，能夠綜合運(yùn)用多門學(xué)科知識(shí)進(jìn)行項(xiàng)目教學(xué)，符合STEAM教育主張跨學(xué)科來(lái)培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的教育理念。

STEAM教育是指科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)多學(xué)科融合，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)學(xué)科間內(nèi)在聯(lián)系的教育，注重培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科能力。小學(xué)信息技術(shù)教材中編程的內(nèi)容編排注重各單元與不同學(xué)科知識(shí)結(jié)合，每節(jié)課要求重點(diǎn)講授不同的腳本，讓學(xué)生理解腳本邏輯，理解編程思維。

筆者通過(guò)研究STEAM教育的核心理念與小學(xué)編程課堂特點(diǎn)，結(jié)合疫情防控的探索實(shí)踐，以“安全防疫距離監(jiān)測(cè)小衛(wèi)士”為例搭建基于STEAM教育的小學(xué)編程課堂，展開(kāi)小學(xué)編程課堂整合多學(xué)科知識(shí)的綜合性研究。

一、項(xiàng)目原理

防疫期間，如何更好地保護(hù)自己？人們普遍做到了戴口罩、勤洗手，但是在出入相對(duì)密閉或人群聚集的場(chǎng)所時(shí)總忘記與他人保持一定的距離。安全防疫距離監(jiān)測(cè)小衛(wèi)士能有效提醒用戶與他人保持1米以上的距離，避免與他人近距離接觸，潛移默化中做到主動(dòng)配合疫情防控。

安全防疫距離監(jiān)測(cè)小衛(wèi)士利用超聲波檢測(cè)與障礙物之間的距離，超聲波傳感器是根據(jù)超聲波碰到障礙物會(huì)反射的原理設(shè)計(jì)的，通過(guò)記錄發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)之間的時(shí)間差來(lái)計(jì)算與障礙物之間的距離。

二、任務(wù)設(shè)計(jì)

教師以STEAM教育理念為核心創(chuàng)設(shè)防疫距離監(jiān)測(cè)的教學(xué)情境，引導(dǎo)學(xué)生分析防疫學(xué)習(xí)主題，進(jìn)行ArduinoScratch與Arduino開(kāi)源硬件交互學(xué)習(xí)和應(yīng)用，增加同編程軟件進(jìn)行交互的拓展模塊，增強(qiáng)與外部環(huán)境交互。

學(xué)生討論后在Arduino開(kāi)源硬件與ArduinoScratch圖形化編程的基礎(chǔ)上利用結(jié)構(gòu)積木、電子模塊、編程軟件等技術(shù)工具實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距功能，通過(guò)控制燈光反饋或影響環(huán)境。為增強(qiáng)裝置效果，他們提出增設(shè)蜂鳴器拓展功能模塊，實(shí)現(xiàn)距離動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。他們大體上設(shè)計(jì)了兩種方案：1.無(wú)聲裝置：當(dāng)檢測(cè)到與前方物體距離小于1米時(shí)，LED燈閃爍報(bào)警;2.有聲裝置：當(dāng)檢測(cè)到與前方物體距離小于1米時(shí)，蜂鳴器報(bào)警。

三、材料工具

軟件：圖形化編程軟件ArduinoScratch（在Scratch軟件的基礎(chǔ)上增加了Arduino模塊）

硬件：主控器AS-Board-A測(cè)控板、傳感器模塊——超聲波測(cè)距模塊、執(zhí)行件模塊——LED燈模塊和有源蜂鳴器模塊、數(shù)據(jù)線材、電機(jī)、萬(wàn)向輪、結(jié)構(gòu)件和工具類硬件。

四、實(shí)施過(guò)程

安全防疫距離監(jiān)測(cè)小衛(wèi)士制作過(guò)程依據(jù)斯坦福大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院歸納的設(shè)計(jì)思維分成五大步驟，執(zhí)行裝置包括無(wú)聲監(jiān)測(cè)裝置和有聲監(jiān)測(cè)裝置。

1.同理心思考

教師引導(dǎo)學(xué)生思考在哪些場(chǎng)合會(huì)與他人近距離接觸，可以收集相關(guān)信息或列舉親身經(jīng)歷的例子，讓他們想一想：如果要避免這些情況發(fā)生，防疫防控從我做起，應(yīng)該采取什么措施？

2.需求定義

從學(xué)生的信息反饋中可以看出：搭乘公交、地鐵等公共交通工具，超市購(gòu)物、進(jìn)出電梯、排隊(duì)等候等情況下容易忽視安全距離的重要性。在收集調(diào)查信息的基礎(chǔ)上，提出及時(shí)避開(kāi)密閉空間、避免在人群聚集地與他人近距離接觸這一需求，明確安全防疫距離監(jiān)測(cè)小衛(wèi)士項(xiàng)目的重要性。

3.創(chuàng)意構(gòu)思

學(xué)生根據(jù)“安全監(jiān)測(cè)”的需求進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，跳出思維局限，打破常規(guī)，提出各種金點(diǎn)子，比如制作成手環(huán)、項(xiàng)鏈、胸章，進(jìn)行語(yǔ)音提醒、燈光閃爍等。

4.模型制作

學(xué)生運(yùn)用在信息技術(shù)學(xué)科中學(xué)習(xí)的圖形化編程知識(shí)和傳感器相關(guān)知識(shí)來(lái)制作簡(jiǎn)單的模型，進(jìn)行小規(guī)模的環(huán)境或過(guò)程的簡(jiǎn)單模擬，比如設(shè)計(jì)無(wú)聲監(jiān)測(cè)裝置和有聲監(jiān)測(cè)裝置，或者集成這兩種裝置。

5.測(cè)試

制作模型后，教師組織學(xué)生在不同的模擬環(huán)境下測(cè)試問(wèn)題是否得到解決，需求是否得到滿足，記錄學(xué)生在測(cè)試階段產(chǎn)生的不同想法或新問(wèn)題。這有利于重新定義問(wèn)題需求，改進(jìn)作品。

五、反思與評(píng)價(jià)

在安全防疫距離監(jiān)測(cè)小衛(wèi)士實(shí)際模擬情景中，學(xué)生配戴距離監(jiān)測(cè)裝置，如果采用有聲裝置，就會(huì)大范圍影響大眾;如果采用無(wú)聲裝置，則提醒級(jí)別不是很高。

六、改進(jìn)與完善

1.目前我校實(shí)驗(yàn)室提供的超聲波傳感器檢測(cè)范圍有限，為0.5米～2.5米，所以在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定1米的測(cè)試距離。也可以根據(jù)傳感器來(lái)設(shè)定預(yù)測(cè)值。

2.將提醒模式拓展設(shè)計(jì)為振動(dòng)模式，支持手動(dòng)切換提醒模式。

七、STEAM要素對(duì)接

科學(xué)原理：安全防疫距離監(jiān)測(cè)小衛(wèi)士啟動(dòng)后，利用超聲波傳感器有效監(jiān)測(cè)與物體之間的距離，當(dāng)距離超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，無(wú)聲裝置LED燈關(guān)閉，有聲裝置的狀態(tài)是蜂鳴器不鳴叫;當(dāng)距離較小時(shí)，無(wú)聲裝置LED燈亮起，有聲裝置的狀態(tài)是蜂鳴器鳴叫，提醒人們與他人保持安全距離。

科學(xué)知識(shí)：LED燈又稱發(fā)光二極管，可以將電能轉(zhuǎn)化為光能，具有低功耗、高亮度的特性，用于照明、信號(hào)指示等。蜂鳴器是通過(guò)電信號(hào)控制發(fā)聲的模塊，可以發(fā)出不同的音調(diào)。

技術(shù)難點(diǎn)：編寫實(shí)現(xiàn)程序腳本，設(shè)計(jì)組裝傳感器相關(guān)模式裝置。

設(shè)計(jì)思維：斯坦福大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院歸納的設(shè)計(jì)思維。

工程應(yīng)用：倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)、危險(xiǎn)地帶安全警報(bào)、機(jī)房重地安全警示等。

藝術(shù)化呈現(xiàn)：制作手環(huán)、項(xiàng)鏈、胸章等穿戴產(chǎn)品。

八、總結(jié)與思考

教師著重貫徹以ArduinoScratch編程為技術(shù)基礎(chǔ)，重構(gòu)信息技術(shù)課堂和機(jī)器人社團(tuán)課堂，運(yùn)用STEAM教育理念，加入頭腦風(fēng)暴、工程建模、藝術(shù)設(shè)計(jì)、創(chuàng)客造物等多學(xué)科融合環(huán)節(jié)，進(jìn)行交互性情景教學(xué)，讓學(xué)生從重構(gòu)課堂中獲得編程知識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)造性解決實(shí)際問(wèn)題的能力，在“做中學(xué)”的過(guò)程中收獲編程樂(lè)趣。