摘? 要：廣州市何香凝紀(jì)念學(xué)校于2020年開(kāi)展無(wú)人機(jī)課程實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)祝智庭、余勝泉、劉清堂、余紅等教授的相關(guān)論文、講座資料的深入學(xué)習(xí)，對(duì)多個(gè)STEAM教育案例分析，設(shè)計(jì)了小學(xué)無(wú)人機(jī)校本課程。在課程實(shí)踐中，為了適應(yīng)疫情防控和響應(yīng)“雙減”政策的要求，培養(yǎng)學(xué)生自主探究的學(xué)習(xí)習(xí)慣，把胡小勇教授的“六把金鑰匙”翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式融入5E教學(xué)模式，形成“f5E教學(xué)模式”。通過(guò)無(wú)人機(jī)課程的設(shè)計(jì)、實(shí)踐、交流，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)，培養(yǎng)全面發(fā)展的人。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);STEAM;STEM;5E教學(xué)模式;校本課程

中圖分類(lèi)號(hào)：V279;G434? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）19-0174-06

Design and Practice of UAV School-based Course in Primary School Based on STEAM Education

RUAN Enrong

（Guangzhou He Xiangning Memorial School， Guangzhou? 510388， China）

Abstract： Guangzhou He Xiangning Memorial School carried out UAV course experiment in 2020. Through the in-depth study of relevant papers and lecture materials of professors Zhu zhiting， Yu Shengquan， Liu Qingtang and Yu Hong， analyzes several STEAM education cases， designs the school-based course of UAV in primary school. In the course practice， in order to meet the requirements of epidemic prevention and control and response to the “double reduction” policy， and cultivate students learning habits of independent inquiry， Professor Hu Xiaoyongs “six Golden Keys” flipped teaching mode is integrated into the 5E teaching mode to form the “f5E teaching mode”. Through the design， practice and communication of UAV course， students core literacy is developed and people with all-round development are cultivated.

Keywords： UAV; STEAM;? STEM; 5E teaching mode; school-based course

0? 引? 言

自國(guó)務(wù)院發(fā)布《中國(guó)制造2025》以來(lái)，智能機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等應(yīng)用技術(shù)開(kāi)始受到廣泛的關(guān)注[1]。從基礎(chǔ)教育到高等教育領(lǐng)域，融合了智能機(jī)器人、無(wú)人機(jī)的教學(xué)活動(dòng)廣泛開(kāi)展[2，3]。我校于2020年開(kāi)展無(wú)人機(jī)課程實(shí)驗(yàn)。我們?cè)谥W(wǎng)查詢(xún)相關(guān)的論文，以“無(wú)人機(jī)”和“STEAM”為關(guān)鍵字的研究論文有7篇。不過(guò)根據(jù)搜索到的相關(guān)資料顯示，作者都是高等院?；蚵氈谢蜓芯吭旱慕處?，論文的闡述比較深層次，設(shè)置的課程不適合小學(xué)生。在小學(xué)中能將STEAM（Science、Technology、Engineering、Art、Mathematics）元素結(jié)合，特別是加強(qiáng)技術(shù)素養(yǎng)和工程素養(yǎng)培養(yǎng)的無(wú)人機(jī)課程設(shè)計(jì)尚未開(kāi)發(fā)。因此我們希望能通過(guò)理論學(xué)習(xí)和行動(dòng)研究，探索出一套可行的教學(xué)理論及方法。通過(guò)對(duì)祝智庭、余勝泉、劉清堂、余紅等教授的相關(guān)論文、講座資料的深入的學(xué)習(xí)，對(duì)多所學(xué)校的STEAM教育案例歸類(lèi)分析，我們形成了本校的教學(xué)模式：f5E教學(xué)模式，提升STEAM課堂的教學(xué)效率與效果。希望通過(guò)無(wú)人機(jī)理論普及、實(shí)踐、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、對(duì)外交流等形式，進(jìn)行國(guó)防教育和愛(ài)國(guó)主義教育，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)，培養(yǎng)全面發(fā)展的人。

1? STEAM教育的內(nèi)涵

STEM是科學(xué)（ Science）、技術(shù)（ Technology）、工程（ Engineering） 和數(shù)學(xué)（ Mathematics）四門(mén)學(xué)科的簡(jiǎn)稱(chēng)，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合。STEM教育并不是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育的簡(jiǎn)單疊加，而是要將四門(mén)學(xué)科內(nèi)容組合形成有機(jī)整體，以更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力[4]。

也有人提出 STEAM 的概念，強(qiáng)調(diào)在STEM中加入“Art”學(xué)科。這個(gè)“A”狹義上指美術(shù)、音樂(lè)等，廣義上則包括美術(shù)、音樂(lè)、社會(huì)、語(yǔ)言等人文藝術(shù)，實(shí)際代表了 STEM 強(qiáng)調(diào)的藝術(shù)與人文屬性[4]。佛羅里達(dá)大學(xué)研究認(rèn)為，在STEM教育中增加藝術(shù)教育更有助于學(xué)生能力的發(fā)展，尤其是在創(chuàng)造變革能力、批判性思維和問(wèn)題解決能力、交流合作能力、靈活適應(yīng)能力、社交和跨文化能力等方面[5]。STEAM教育主要培養(yǎng)四種能力：適應(yīng)未來(lái)的能力、問(wèn)題解決的能力、自主創(chuàng)新能力和深度學(xué)習(xí)的能力[6]。

2? 課程構(gòu)建

2.1? 課程目標(biāo)

《中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》以培養(yǎng)“全面發(fā)展的人”為核心，分為文化基礎(chǔ)、自主發(fā)展、社會(huì)參與3個(gè)方面，綜合表現(xiàn)為人文底蘊(yùn)、科學(xué)精神、學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)、健康生活、責(zé)任擔(dān)當(dāng)、實(shí)踐創(chuàng)新六大素養(yǎng)[7]。我?；赟TEAM教育的理念，制定了相應(yīng)的課程目標(biāo)[8]。

2.1.1? 促進(jìn)知識(shí)整合

通過(guò)項(xiàng)目學(xué)習(xí)，了解無(wú)人機(jī)飛行原理、無(wú)人駕駛技術(shù)、無(wú)線電圖形傳輸技術(shù)、藍(lán)牙收發(fā)原理、傳感器的工作原理、3D打印機(jī)的工作原理、檢測(cè)空氣質(zhì)量的方法等一系列知識(shí)原理，通過(guò)觀察、閱讀、探究學(xué)習(xí)方式，融合相關(guān)知識(shí)，并在一系列活動(dòng)中掌握學(xué)習(xí)的方法。

2.1.2? 學(xué)會(huì)使用工具

通過(guò)項(xiàng)目學(xué)習(xí)，學(xué)會(huì)使用蘿卜圈虛擬仿真軟件、FPV眼鏡、遙控?zé)o人機(jī)、編程無(wú)人機(jī)、3D打印機(jī)、Mind+等編程軟件、Audino等軟硬件工具。

2.1.3? 發(fā)展創(chuàng)新思維

發(fā)展創(chuàng)新思維需要多種知識(shí)融會(huì)貫通，需要大量的實(shí)踐，還需要科學(xué)精神，學(xué)會(huì)思考質(zhì)疑批判，更需要從微創(chuàng)新到創(chuàng)新積累的過(guò)程。而課程在各個(gè)方面都構(gòu)建有效的途徑、空間讓學(xué)生發(fā)展高階思維的深度學(xué)習(xí)，從知識(shí)的表面到內(nèi)涵深入發(fā)展，從而有效培養(yǎng)創(chuàng)新思維的形成發(fā)展。

2.1.4? 培育心理品質(zhì)

通過(guò)STEAM課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生愛(ài)國(guó)主義精神、正確的價(jià)值觀、人生觀，以及熱愛(ài)學(xué)習(xí)、勇敢、友善、謙虛、自律、協(xié)作等優(yōu)秀的品格，成為生活健康、有責(zé)任擔(dān)當(dāng)?shù)娜恕?/p>

2.2? 學(xué)習(xí)方式

STEAM教育課程的學(xué)習(xí)方式有多種，如項(xiàng)目學(xué)習(xí)法、創(chuàng)客教育、體驗(yàn)教育，把開(kāi)發(fā)、實(shí)踐、技術(shù)、創(chuàng)新等融合在一起。而STEAM教學(xué)活動(dòng)的核心是項(xiàng)目學(xué)習(xí)。設(shè)計(jì)課程遵循的特點(diǎn)有：真實(shí)情景、學(xué)習(xí)項(xiàng)目、階段成果、小組合作、成果分享。

2.3? 主題選擇

在選擇課程主題時(shí)，首先針對(duì)不同年齡層的學(xué)生，設(shè)計(jì)具有針對(duì)性的課程，如適合中低年級(jí)的《多旋翼無(wú)人機(jī)飛行原理》，在認(rèn)識(shí)各種各樣無(wú)人機(jī)同時(shí)，還可以使用模擬飛行軟件練習(xí)駕駛，使用虛擬仿真軟件設(shè)計(jì)飛機(jī)，充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

其次是通過(guò)漸進(jìn)式的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生能夠在每個(gè)階段都學(xué)習(xí)掌握不同的技能或進(jìn)階的技能。如中低年級(jí)學(xué)習(xí)遙控?zé)o人機(jī)，中高年級(jí)學(xué)習(xí)編程無(wú)人機(jī)、興趣社團(tuán)學(xué)習(xí)航拍無(wú)人機(jī)、單片機(jī)學(xué)習(xí)。

另外，要選擇與各學(xué)科核心內(nèi)容密切相關(guān)的內(nèi)容，如《基于單片機(jī)的無(wú)人機(jī)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析》，融合多學(xué)科內(nèi)容。雖然從主題看難度較高，但它的任務(wù)是生活中實(shí)際存在的，是可以分解的、是可行的，它的研究結(jié)果具有開(kāi)放性，非常適合學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。

2.4? 系列課程

無(wú)人機(jī)校本課程具體設(shè)置，如表1所示。

3? 教學(xué)案例

3.1? 教學(xué)項(xiàng)目

案例：基于單片機(jī)的無(wú)人機(jī)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析

年級(jí)：五、六年級(jí)

項(xiàng)目：制作空氣質(zhì)量PM2.5監(jiān)測(cè)器、無(wú)人機(jī)載重飛行、收集數(shù)據(jù)、分析空氣質(zhì)量PM2.5情況

3.2? 教學(xué)目標(biāo)

3.2.1? 認(rèn)知目標(biāo)

了解空氣質(zhì)量相關(guān)知識(shí)、主控板及傳感器工作原理、藍(lán)牙收發(fā)原理。

3.2.2? 技能目標(biāo)

深究空氣質(zhì)量測(cè)量技術(shù)、編程技術(shù)、無(wú)人機(jī)載重技術(shù)，制作基于單片機(jī)的無(wú)人機(jī)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置，使用折線統(tǒng)計(jì)圖、統(tǒng)計(jì)表分析空氣質(zhì)量情況。

3.2.3? 情感目標(biāo)

體會(huì)自主探究、動(dòng)手實(shí)踐的價(jià)值，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)分析能力和科學(xué)探究能力。學(xué)會(huì)溝通分享、增強(qiáng)環(huán)境意識(shí)，培養(yǎng)以學(xué)會(huì)的知識(shí)反饋社會(huì)的優(yōu)良品德。

3.3? f5E教學(xué)模式

5E教學(xué)模式是一種基于建構(gòu)主義的探究式教學(xué)模式。該模式由美國(guó)的生物學(xué)課程研究會(huì)（Biological Sciences Curriculum Study， BSCS）在 Atkin-Karplus 學(xué)習(xí)環(huán)的基礎(chǔ)上提出，包含參與（Engage）、探究（Explore）、解釋?zhuān)‥xplan）、遷移（Elaborate）和評(píng)價(jià)（Evaluate）五個(gè)環(huán)節(jié)[9]。

為了適應(yīng)疫情防控的要求和響應(yīng)“雙減”政策的號(hào)召，做好減量提質(zhì)增效工作，充分發(fā)揮智慧教育的作用。我校嘗試把胡小勇教授的“六把金鑰匙”翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式包含的“課程平臺(tái)、導(dǎo)學(xué)問(wèn)題、學(xué)習(xí)任務(wù)單、微視頻、小組合作、學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)”六個(gè)要素[10]，融入5E教學(xué)模式。翻轉(zhuǎn)課堂，英譯Flipped Classroom，故將此模式命名為“f5E教學(xué)模式”，如圖1所示。

3.4? 教學(xué)策略

3.4.1? 建立課程平臺(tái)實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂

使用UMU互動(dòng)平臺(tái)作為課程平臺(tái)，學(xué)生可以通過(guò)學(xué)習(xí)微視頻等資料更方便地進(jìn)行自主探究，對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行閱讀思考[11]。先學(xué)后教，以學(xué)定教，能更有效實(shí)施f5E教學(xué)模式。

3.4.2? 學(xué)生自主探究教師引導(dǎo)幫助

從建構(gòu)主義理論看，f5E教學(xué)模式以創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境、激發(fā)認(rèn)知沖突為引入，以學(xué)生自主探究，教師指導(dǎo)和幫助為核心，圍繞著新概念的建構(gòu)而開(kāi)展的一系列活動(dòng)，體現(xiàn)了以學(xué)生活動(dòng)為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主構(gòu)建的探究理念[6]。

3.4.3? 創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境新舊概念轉(zhuǎn)變

從概念轉(zhuǎn)變理論看，當(dāng)學(xué)習(xí)者在新的問(wèn)題情境中發(fā)現(xiàn)自己擁有的概念難以解釋當(dāng)前現(xiàn)象，也難以解決目前的問(wèn)題，就會(huì)對(duì)自己已有的概念（前概念）有不滿的情緒，從而激發(fā)頭腦內(nèi)部矛盾沖突，這種不滿促使個(gè)體主動(dòng)去探究概念的正確解釋?zhuān)瑥亩纬尚屡f概念的轉(zhuǎn)變[6]。

3.4.4? 探究貫徹全程評(píng)價(jià)貫穿始終

在f5E教學(xué)模式中，探究和評(píng)價(jià)貫穿于教學(xué)的整個(gè)過(guò)程，充分培養(yǎng)學(xué)生自主探究的學(xué)習(xí)習(xí)慣和方式，而評(píng)價(jià)則是有效引導(dǎo)學(xué)生健康發(fā)展的依據(jù)，使學(xué)生在正確的學(xué)習(xí)道路上前進(jìn)。

3.4.5? 設(shè)計(jì)導(dǎo)學(xué)問(wèn)題發(fā)揮提問(wèn)效用

學(xué)生的學(xué)習(xí)是否更有效、高效離不開(kāi)導(dǎo)學(xué)問(wèn)題設(shè)計(jì)的合理性、目標(biāo)性、嚴(yán)謹(jǐn)性和可解決性。不合適的問(wèn)題往往會(huì)錯(cuò)誤引導(dǎo)學(xué)習(xí)方向，浪費(fèi)寶貴的學(xué)習(xí)時(shí)間。

3.4.6? 設(shè)置小組活動(dòng)甄選協(xié)作方式

社會(huì)建構(gòu)主義者非常強(qiáng)調(diào)個(gè)體之間交互作用同個(gè)體獨(dú)自活動(dòng)相比的優(yōu)越性。將個(gè)體加入到社會(huì)交互活動(dòng)中后，會(huì)產(chǎn)生適應(yīng)社會(huì)活動(dòng)的更高個(gè)體發(fā)展?fàn)顟B(tài)[6]。知識(shí)不僅是在個(gè)體與物理環(huán)境的相互作用中建構(gòu)的，社會(huì)性的相互作用更加重要，人的高級(jí)心理機(jī)能的發(fā)展是社會(huì)性相互作用內(nèi)化的結(jié)果[6]。因此，學(xué)生在小組學(xué)習(xí)會(huì)得到更大的發(fā)展，而活動(dòng)也會(huì)在小組協(xié)作中得到更好的成果。不同的學(xué)習(xí)內(nèi)容應(yīng)該采用相應(yīng)的協(xié)作方式才會(huì)更有效。

3.5? 教學(xué)過(guò)程

3.5.1? Engagement：創(chuàng)設(shè)情境激發(fā)興趣

本環(huán)節(jié)的作用是課程的引入，激發(fā)學(xué)生的興趣，吸引學(xué)生的注意力，初次體驗(yàn)情境。 教師課前通過(guò)UMU互動(dòng)平臺(tái)問(wèn)卷調(diào)查了解學(xué)生對(duì)空氣質(zhì)量、可吸入顆粒物（PM10）、細(xì)顆粒物（PM2.5）的概念的認(rèn)識(shí)以及PM2.5我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)等的掌握情況。通過(guò)學(xué)生反饋的數(shù)據(jù)分析已掌握概念與即將學(xué)習(xí)形成的概念之間存在的差異及其形成差異的原因。然后設(shè)置導(dǎo)學(xué)問(wèn)題，如“空氣污染只源于肉眼可見(jiàn)的大顆粒物嗎？”，讓學(xué)生閱讀UMU平臺(tái)上預(yù)設(shè)的與大氣質(zhì)量相關(guān)知識(shí)。學(xué)生完成閱讀后在UMU討論區(qū)發(fā)表自己的見(jiàn)解。教師通過(guò)微視頻等手段創(chuàng)設(shè)情景，讓學(xué)生明白“直徑小于等于 2.5微米的顆粒物的濃度也會(huì)對(duì)空氣質(zhì)量產(chǎn)生重大影響”，這個(gè)結(jié)論與學(xué)生已知的“空氣污染只源于肉眼可見(jiàn)的大顆粒物”概念產(chǎn)生認(rèn)知沖突，由此激發(fā)學(xué)生的好奇心，產(chǎn)生探究的意愿。

教師指導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)研究問(wèn)題“為什么要監(jiān)測(cè)PM2.5？有沒(méi)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)？怎樣監(jiān)測(cè)？”，學(xué)生圍繞這個(gè)主題進(jìn)行討論，組長(zhǎng)負(fù)責(zé)把組員們的主要觀點(diǎn)寫(xiě)在討論區(qū)。教師進(jìn)行巡視，觀察指導(dǎo)每個(gè)小組討論的情況。小組結(jié)束討論后教師組織全班交流，每個(gè)小組請(qǐng)1～2名學(xué)生發(fā)言，向全班學(xué)生介紹本組觀點(diǎn)。在學(xué)生充分討論的基礎(chǔ)上，教師相繼解鎖UMU平臺(tái)上的一些資料，學(xué)生了解PM2.5生成來(lái)源和指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、危害影響。讓學(xué)生知道我國(guó)的PM2.5與國(guó)際的差距，充分認(rèn)識(shí)到監(jiān)測(cè)PM2.5的重要性，進(jìn)一步提高環(huán)境意識(shí)。引導(dǎo)學(xué)生提出制作PM2.5監(jiān)測(cè)器，老師播放制作PM2.5監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的教學(xué)微視頻，激發(fā)學(xué)生對(duì)工程設(shè)計(jì)的興趣。

3.5.2? Exploration：探索實(shí)踐提出問(wèn)題

本環(huán)節(jié)教師是課堂活動(dòng)的主導(dǎo)，在平臺(tái)上設(shè)置一系列導(dǎo)學(xué)問(wèn)題。學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，通過(guò)平臺(tái)自主探究、小組討論交流、動(dòng)手實(shí)踐等活動(dòng)完成教師布置的任務(wù)，并提出本次任務(wù)相關(guān)的問(wèn)題。教師巡堂進(jìn)行個(gè)性化的指導(dǎo)，指導(dǎo)思考的方向。

活動(dòng)伊始，教師提出根據(jù)制作PM2.5監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的微視頻設(shè)計(jì)方案，提示學(xué)生把要準(zhǔn)備的材料和做哪些工作列出來(lái)。學(xué)生可能列不全，也可能不合理，這都沒(méi)有關(guān)系，重在培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)劃意識(shí)，不合理的地方會(huì)在接下來(lái)的探索活動(dòng)中修改。

活動(dòng)1：學(xué)生通過(guò)觀看微視頻，學(xué)會(huì)使用電腦的Mind+軟件，打開(kāi)擴(kuò)展，選擇主控板，然后小組討論眾多傳感器里面應(yīng)該選哪個(gè)？本活動(dòng)目的不只是學(xué)會(huì)閱讀分析，根據(jù)功能找到監(jiān)測(cè)PM2.5的傳感器，還要讓學(xué)生知道還有很多不同功能的傳感器，以后可以運(yùn)用更多的傳感器功能去解決生活中的問(wèn)題。

活動(dòng)2：是連接主控板、擴(kuò)展板、傳感器、電池和顯示屏。教師提示熟讀說(shuō)明書(shū)和示意圖。各個(gè)小組討論接法，最后確定接法。教師出示Linkboy圖形化編程系統(tǒng)，教學(xué)使用方法，讓學(xué)生在虛擬的環(huán)境下驗(yàn)證接法是否正確。最后教師公布答案，并分析原因。學(xué)生動(dòng)手操作實(shí)物，直至熟練掌握。

活動(dòng)3：學(xué)生碰到最難掌握的編程。教師根據(jù)學(xué)習(xí)金字塔學(xué)習(xí)理論，讓學(xué)生自主探究、動(dòng)手實(shí)踐、展示講解、教授別人，使學(xué)生的學(xué)習(xí)效果更明顯。首先引導(dǎo)學(xué)生思考：怎樣讓主控板和傳感器工作？使用什么軟件？學(xué)生在老師的引導(dǎo)下明白是編程，使用Mind+圖形化編程、Arduino語(yǔ)句等軟件均有優(yōu)缺點(diǎn)，采取圖形化和語(yǔ)句結(jié)合，更靈活。在教師的指導(dǎo)下，完成監(jiān)測(cè)的語(yǔ)句和讀取顯示的語(yǔ)句。學(xué)生在讀懂程序的基礎(chǔ)上為每一句編程語(yǔ)句添加注釋?zhuān)⒃谧约旱墓P記本畫(huà)出編程流程圖幫助理解。教師請(qǐng)學(xué)生在UMU的AI作業(yè)上展示并講解自己的程序。之后已經(jīng)學(xué)會(huì)的學(xué)生主動(dòng)教還沒(méi)懂的同學(xué)。學(xué)生運(yùn)行監(jiān)測(cè)器檢測(cè)是否有數(shù)據(jù)顯示，從而驗(yàn)證程序正確性。最后，教師安排在操場(chǎng)監(jiān)測(cè)PM2.5濃度。

活動(dòng)4：教師收集全體同學(xué)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并展示，請(qǐng)學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)提出問(wèn)題。有學(xué)生發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的PM2.5數(shù)據(jù)有些不同，紛紛產(chǎn)生疑問(wèn)。教師引導(dǎo)學(xué)生提問(wèn)，PM2.5監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理是什么？高空中的PM2.5濃度會(huì)是多少？

3.5.3? Explanation：辨析問(wèn)題解釋原理

本環(huán)節(jié)會(huì)對(duì)之前提出的問(wèn)題進(jìn)行辨析并解釋原理，形成新的概念。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下對(duì)問(wèn)題進(jìn)行小組探究、辯論，展示小組研究的結(jié)果，形成初步的解釋。教師接著通過(guò)微視頻的演示，對(duì)PM2.5監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行補(bǔ)充解釋時(shí)，整合多學(xué)科的知識(shí)。然后，引導(dǎo)學(xué)生思考應(yīng)該如何監(jiān)測(cè)高空中的PM2.5濃度。學(xué)生思考討論：PM2.5監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用什么作為載體？要監(jiān)測(cè)的高度是多少？經(jīng)過(guò)學(xué)生討論，載體最好是能夠移動(dòng)的，能達(dá)到一定的高度的載體只能是飛行器了，最好是能遙控的，所以就是無(wú)人機(jī)。接著學(xué)生動(dòng)手操作，尋找能夠搭載主控板和傳感器的無(wú)人機(jī)，把手頭上的比賽用的FPV無(wú)人機(jī)、編程無(wú)人機(jī)、大疆a(chǎn)ir2進(jìn)行了吊礦泉水測(cè)試，最后確定要使用動(dòng)力較大的大疆a(chǎn)ir2。

3.5.4? Elaboration：遷移應(yīng)用引發(fā)思考

本環(huán)節(jié)學(xué)生會(huì)對(duì)新概念和新知識(shí)進(jìn)行遷移運(yùn)用，拓展提高，獲得更多的信息和技能。

活動(dòng)1：教師預(yù)設(shè)問(wèn)題：怎樣固定主控板和傳感器以及電池盒？采取怎樣的措施，避免螺旋槳打到電線、綁繩？學(xué)生通過(guò)動(dòng)手操作，進(jìn)行嘗試，用了多種線繩去固定都失敗，老師及時(shí)引導(dǎo)，為什么會(huì)松？能不能鎖定？提示百度搜索。學(xué)生通過(guò)搜索找到自鎖式尼龍?jiān)鷰А?/p>

活動(dòng)2：扎帶不能阻擋無(wú)人機(jī)自檢高度的鏡頭，有沒(méi)有其他的扎法？這個(gè)活動(dòng)也非常重要，否則無(wú)人機(jī)將不能起飛。學(xué)生通過(guò)不同角度、不同方法多次實(shí)踐，最終找到最佳方案。

活動(dòng)3：放飛與自動(dòng)監(jiān)測(cè)分析。學(xué)生遙控?zé)o人機(jī)飛上10米空中，監(jiān)測(cè)完后降落，顯示屏上顯示讀數(shù)。對(duì)于一次只測(cè)量一個(gè)數(shù)據(jù)，而且高度都是10米，學(xué)生已經(jīng)不耐煩了，教師馬上問(wèn)學(xué)生有什么想法。學(xué)生躍躍欲試想測(cè)量不同高度，而且想飛行一次測(cè)量多個(gè)數(shù)值。

活動(dòng)4：教師提示，無(wú)人機(jī)10米的高度是用測(cè)量到的氣壓轉(zhuǎn)換成高度的，其他的高度也是一樣設(shè)置，只要增加程序塊就可以了。學(xué)生打開(kāi)程序源代碼尋找相關(guān)的語(yǔ)句作出修改。但試飛后發(fā)現(xiàn)只得到最后一個(gè)數(shù)據(jù)。小組思考討論，得出的結(jié)論是顯示屏數(shù)據(jù)不斷刷新的結(jié)果。

活動(dòng)5：由于涉及較高的難度，在網(wǎng)絡(luò)上查找不到相關(guān)解決方案有學(xué)生氣餒了。教師及時(shí)鼓舞激勵(lì)學(xué)生不要怕失敗，并建議電話請(qǐng)教專(zhuān)業(yè)的技術(shù)開(kāi)發(fā)工程師。工程師提出取消顯示屏顯示改用手機(jī)讀取數(shù)據(jù)。并建議在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)增加藍(lán)牙模塊，使用藍(lán)牙技術(shù)讀取測(cè)量的數(shù)據(jù)，并教授了如何修改現(xiàn)有的程序。教師布置小組競(jìng)賽，看哪個(gè)小組首先完成改良后的系統(tǒng)。

活動(dòng)6：初步完成后，就進(jìn)行測(cè)試，成功后正式投入使用，研究PM2.5濃度的變化情況。教師布置學(xué)生調(diào)查學(xué)校同一地點(diǎn)同一時(shí)段PM2.5濃度情況，分10次進(jìn)行，每次監(jiān)測(cè)檢測(cè)10米、20米、30米、40米，4個(gè)數(shù)據(jù)，形成曲線圖，并寫(xiě)出校園PM2.5濃度的變化情況。學(xué)生經(jīng)過(guò)多次調(diào)試調(diào)整，得出測(cè)試數(shù)據(jù)，制作出折線統(tǒng)計(jì)圖，并撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，如圖1所示。

3.5.5? Evaluation：設(shè)問(wèn)總結(jié)與評(píng)價(jià)反饋

本環(huán)節(jié)教師通過(guò)提出開(kāi)放性的問(wèn)題來(lái)評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)新知識(shí)或方法的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用情況。問(wèn)題（1）：如何增加要測(cè)量的高度？問(wèn)題（2）：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的連線太多，如何設(shè)計(jì)一個(gè)合適美觀的盒子收納裝置？問(wèn)題（3）：使用藍(lán)牙接收和使用顯示屏顯示，差別在哪里？

評(píng)價(jià)是貫穿于教學(xué)的整個(gè)過(guò)程的，包括過(guò)程性評(píng)價(jià)、總結(jié)性評(píng)價(jià)、發(fā)展性評(píng)價(jià)、學(xué)習(xí)分析、自評(píng)互評(píng)和教師評(píng)價(jià)。由于使用了UMU互動(dòng)平臺(tái)，大量的多元化的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)都能即時(shí)生成。學(xué)生在評(píng)價(jià)中認(rèn)識(shí)了自我能力，認(rèn)識(shí)了他人的水平，認(rèn)識(shí)了團(tuán)隊(duì)合作的重要性，認(rèn)識(shí)了學(xué)習(xí)方法，認(rèn)識(shí)了自然規(guī)律。

4? STEAM分析

本案例聚焦于現(xiàn)實(shí)世界中的問(wèn)題即基于單片機(jī)的無(wú)人機(jī)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析，以工程設(shè)計(jì)PM2.5監(jiān)測(cè)系統(tǒng)過(guò)程為導(dǎo)向，將學(xué)生的自主探究和動(dòng)手實(shí)踐融合，以有效的小組活動(dòng)作為支撐，充分應(yīng)用所學(xué)的各科知識(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果多元化、也允許失敗，符合STEM課程的六大特征。

案例實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，探究得出的空氣質(zhì)量相關(guān)知識(shí)原理、主控板及傳感器工作原理、藍(lán)牙收發(fā)原理屬于科學(xué)（S）;空氣質(zhì)量測(cè)量技術(shù)、編程技術(shù)屬于技術(shù)（T）;制作基于單片機(jī)的無(wú)人機(jī)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)屬于工程（E）;制作監(jiān)測(cè)系統(tǒng)盒子屬于藝術(shù)（A）;使用統(tǒng)計(jì)圖、統(tǒng)計(jì)表分析、速度和高度計(jì)算屬于數(shù)學(xué)（M）。這個(gè)STEM項(xiàng)目案例中，凸現(xiàn)科學(xué)權(quán)重100分，工程和技術(shù)約80分，數(shù)學(xué)和藝術(shù)60分。說(shuō)明比較強(qiáng)調(diào)了科學(xué)性，其次是工程和技術(shù)，數(shù)學(xué)和藝術(shù)性方面略有欠缺。使用雷達(dá)圖分析如圖2所示。

5? 結(jié)? 論

我校根據(jù)STEAM教育理念的內(nèi)涵，在無(wú)人機(jī)教學(xué)實(shí)踐中將STEAM元素結(jié)合，并加強(qiáng)了技術(shù)素養(yǎng)和工程素養(yǎng)培養(yǎng)，設(shè)計(jì)出基于STEAM教育的小學(xué)無(wú)人機(jī)校本課程。通過(guò)理論學(xué)習(xí)和行動(dòng)研究，探索出“f5E教學(xué)模式”及教學(xué)方法。在國(guó)防教育和愛(ài)國(guó)主義教育，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)，培養(yǎng)全面發(fā)展的人等方面取得良好的效果。今后將繼續(xù)加強(qiáng)技術(shù)素養(yǎng)和工程素養(yǎng)的培養(yǎng)，關(guān)注工程產(chǎn)品的一體化設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)出融合度更高的無(wú)人機(jī)STEAM課程。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王利改.高職人才培養(yǎng)與“中國(guó)制造2025”環(huán)境下人才需求特點(diǎn)的融合分析 [J].河北職業(yè)教育，2018，2（3）：38-41.

[2] 閻世梁，張華，肖曉萍，等.高等工程教育中的機(jī)器人教育探索與實(shí)踐 [J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（8）：149-152+196.

[3] 呂佳，范曦，張春燕.基于無(wú)人機(jī)項(xiàng)目的高職產(chǎn)教融合發(fā)展研究 [J].知識(shí)經(jīng)濟(jì)，2018（6）：131-132.

[4] 余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學(xué)科整合模式 [J].開(kāi)放教育研究，2015，21（4）：13-22.

[5] University of Florida. STEM and STEAM [EB/OL].（2017-11-05）.http： //elearninginfographics.com/wp-content/uploads/STEAM-notjust-STEM-Infographic.jpg

[6] 高云峰.創(chuàng)客與STEAM教育結(jié)合的實(shí)踐 [J].力學(xué)與實(shí)踐，2016，38（1）：74-77.

[7] 人民日?qǐng)?bào).《中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》發(fā)布 [J].上海教育科研，2016（10）：1.

[8] 關(guān)雪晶.STEM視角下創(chuàng)新人才培養(yǎng)路徑探析 [J].產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新，2020，2（25）：26-27.

[9] BYBEE R W，TAYLOR J A，GARDNER A，et al. The BSCS 5E Instructional Model：Origins，Effectiveness，and Applications [R/OL].（2010-6-10）.https： //www.researchgate.net/publication/281412517_The_BSCS_5E_instructional_model_Origins_and_effectiveness.

[10] 華南師范大學(xué).《學(xué)會(huì)在線教學(xué)》系列公益課：面向疫情的SPOC翻轉(zhuǎn)教學(xué)設(shè)計(jì) [EB/OL].（2020-02-23）.https： //www.cctalk.com/v/15824386054244？sid=1582190827193291.

[11] 阮恩榮.在線混合教學(xué)在小學(xué)無(wú)人機(jī)校本課程中的應(yīng)用 [J].現(xiàn)代信息科技，2020，4（19）：160-165+169.

作者簡(jiǎn)介：阮恩榮（1977—），男，漢族，廣東臺(tái)山人，中小學(xué)一級(jí)教師，理學(xué)學(xué)士，研究方向：教育技術(shù)。