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        基于Arduino課程培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才的實踐研究

        2021-05-12 11:46:20冰潔
        中國教師 2021年5期
        關(guān)鍵詞:課程學(xué)生

        冰潔

        從“錢學(xué)森之問” “卡脖子技術(shù)”“強(qiáng)基計劃”這些高頻詞匯,不難看出中國一定要培養(yǎng)出一批有志向、有興趣、有潛能的青年學(xué)生來滿足國家重大戰(zhàn)略領(lǐng)域人才的需求。

        一些大學(xué)、中學(xué)甚至小學(xué)已經(jīng)在拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)方面進(jìn)行了有效嘗試與多樣化的探索,并取得了初步成效。

        小學(xué)階段拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的本質(zhì)是創(chuàng)新人才的早期識別與培養(yǎng)。2011年,成都師范銀都小學(xué)(以下簡稱“銀小”)本著立足高新區(qū),放眼全世界,走國際化發(fā)展道路的原則,與英國“2011全英杰出學(xué)?!盋oten End小學(xué)聯(lián)合向英國大使館文化教育處成功申請“中英友好課程共建項目”(英國大使館文化教育處全球教育項目之一),并把它作為學(xué)校內(nèi)涵發(fā)展項目進(jìn)行實踐,逐步推進(jìn)拔尖創(chuàng)新人才的早期識別與培養(yǎng)。

        一、圖形編程奠定早期識別培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才基礎(chǔ)

        在學(xué)校內(nèi)涵發(fā)展項目支撐下,我校信息組所做的第一項課程改革便是開設(shè)面向全體學(xué)生的STEM常態(tài)化課程。2011年,幾乎還沒有小學(xué)在選修課、特長隊開展編程教育,我校卻面向全校學(xué)生常態(tài)化開設(shè)圖形化編程課,這是因為創(chuàng)新不是少數(shù)人特有的能力,編程課必須面向全體,關(guān)注個體差異。如果不面向全體學(xué)生,不常態(tài)化開課,是不能更好地識別出拔尖創(chuàng)新人才的,因為多數(shù)人的潛能、志向猶如礦藏資源,埋得深,不易識別,更談不上培養(yǎng)了[1]。

        圖形化編程入門簡單,操作容易,制作過程很有趣,生成的作品多樣。低段小學(xué)生就可以毫不費力地將表示代碼命令的圖形塊,像搭積木一樣拖拽到一起來表達(dá)想法或?qū)崿F(xiàn)特定功能。課程讓小學(xué)生把編程當(dāng)作感知世界、理解世界的一種工具,在潛移默化中形成計算思維,培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、想象力、邏輯思維能力、創(chuàng)新能力和反思能力,識別拔尖創(chuàng)新人才。

        二、Arduino課程支撐早期識別培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才重任

        1. Arduino平臺

        Arduino硬件平臺可以連接各種傳感器及執(zhí)行器,人們通常借助軟件編程平臺對Arduino硬件編程,實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測與影響,或者開發(fā)各種互動項目[2]。作為教學(xué)的載體,Arduino硬件價格低,傳感器及LED、顯示屏、馬達(dá)、舵機(jī)等執(zhí)行器的通用性強(qiáng),投入小,入門快,能夠面向全體學(xué)生,實現(xiàn)綠色持續(xù)發(fā)展。我校選用的是Arduino UNO硬件。

        Arduino除了硬件,還有代碼編程軟件平臺,但因軟件平臺的專業(yè)性較強(qiáng),我校選用了北京師范大學(xué)傅騫老師團(tuán)隊的Mixly軟件平臺,這款軟件可以用搭建積木的方式對硬件編程,降低了技術(shù)門檻。

        2. Arduino課程設(shè)置

        我校在保證圖形化編程基礎(chǔ)性的同時,為不同發(fā)展方向的學(xué)生提供有選擇的課程,重點推出Arduino智能硬件課程,形成全校STEM、人人皆創(chuàng)客的氛圍,在校園的每一個角落營造歸屬感,保證每個學(xué)生在課堂上都有動手實踐的機(jī)會,保障無論課上課下人人都有成功的可能,促進(jìn)每個學(xué)生的個性化發(fā)展。

        學(xué)校的課程設(shè)置要基于學(xué)生的現(xiàn)實,為未來的發(fā)展做準(zhǔn)備。具體做法是從學(xué)校的實際情況出發(fā),在先進(jìn)的教育理念指導(dǎo)下,以優(yōu)秀的教師團(tuán)隊為引領(lǐng),充分考慮學(xué)生的求知需求、興趣愛好,以學(xué)生最喜歡的編程學(xué)習(xí)和科學(xué)實驗為切入點,結(jié)合各類開源硬件和材料,以項目學(xué)習(xí)為主要學(xué)習(xí)方式,融合科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)等領(lǐng)域的知識開展Arduino課程的建設(shè)。我校信息組精選重組課程內(nèi)容,以學(xué)科大概念為核心,使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化,逐步形成完善的課程體系,以主題為引領(lǐng),以情景化為明線,以核心素養(yǎng)的落實為暗線,強(qiáng)調(diào)融合性,鼓勵團(tuán)體協(xié)作式學(xué)習(xí),充分培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神、創(chuàng)造性思維以及解決實際問題的實踐能力,嘗試用Arduino智能硬件等將創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實。

        3. Arduino課程實踐

        我校信息組研發(fā)了“六段雙環(huán)CIA教學(xué)模式”(見圖1)。“六段”,就是引入—陳述—模仿—創(chuàng)新—評估—拓展?!半p環(huán)”,是指小組合作—團(tuán)隊分享。其核心為“CIA”,即模仿—創(chuàng)新—評估。

        課堂僅僅是一個引子,精彩在學(xué)生的生活中。Arduino課程教師常常在課后留下一些選做的拓展小實踐任務(wù),既不給普通學(xué)生增加認(rèn)知負(fù)擔(dān),又能引發(fā)具有創(chuàng)新潛質(zhì)的學(xué)生的探索欲。拓展的任務(wù)不那么具體,而是較為模糊,這樣有助于學(xué)生對問題、標(biāo)準(zhǔn)、約束進(jìn)行自由解讀,從而在鉆研問題的過程中形成各種各樣的解決方案。從生活實際建立與抽象知識的連接,進(jìn)一步促進(jìn)創(chuàng)新性思維的形成。例如,我校五年級學(xué)生孫銘涔在課上習(xí)得批判性思維,放學(xué)后不斷審視筆筒與臺燈的利弊,利用Arduino課程中學(xué)到的聲音傳感器技術(shù),結(jié)合彈簧的彈力,多次進(jìn)行工程設(shè)計,3D打印“聲控彈筆筆筒式臺燈”,在成都市科技創(chuàng)新大賽中獲獎。后來銘涔進(jìn)一步研究改進(jìn),撰寫文案,獲得國家專利。

        科技創(chuàng)新大賽旨在培養(yǎng)青少年的創(chuàng)新精神和實踐能力,提高青少年的科技素質(zhì)[3]。這與我校早期識別與培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才的機(jī)制有著異曲同工之妙。同學(xué)們很快就發(fā)現(xiàn)在生活中,甚至在已有設(shè)備、已有技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行小改進(jìn)、小發(fā)明也屬于科技創(chuàng)新的范疇。他們不斷感知新型的科技與生產(chǎn)方式,然后自己嘗試去對生活做一些改變。

        我校六年級學(xué)生劉欣瑜在看新聞的時候,了解到河北張家口發(fā)生的交通事故:司機(jī)將車停在非機(jī)動車道后離開,坐在后排的妻子突然打開左側(cè)車門,后面一輛電動車躲避不及,被車門撞翻,騎車人經(jīng)搶救無效死亡。類似的交通事故在全球時有發(fā)生,雖然不是每次都會造成人員傷亡,卻暗藏兇險,不得不防。她在查新之后,利用Arduino制作一款車門報警裝置。這個裝置既可以在打開車門前提醒車內(nèi)人員觀察車外情況,又可以提醒車外人員避讓,防止路過行人及車輛撞上車門。

        第一步:準(zhǔn)備好材料。包括Arduino UNO板、超聲波傳感器(2個)、MP3模塊(內(nèi)置SD卡,里面保存三個通過語音轉(zhuǎn)換軟件得到的提醒語音)、揚(yáng)聲器、無源蜂鳴器、按鍵模塊(2個)、杜邦線、奧松板等。第二步:通過Mixly軟件編寫程序,實現(xiàn)當(dāng)司機(jī)打開前門時按鍵被觸發(fā),揚(yáng)聲器先對外播放第一段提示語音,同時超聲波傳感器會對前門外部情況進(jìn)行檢測,如果檢測到后方有車輛駛來,播放第二段提示語音提醒此時勿開車門;如果沒有車輛駛來,則播放第三段提示語音,告知此時可以打開車門。第三步:復(fù)制相同程序,賦予位于后門的按鍵與超聲波傳感器。第四步:用3D打印或激光切割技術(shù)完成汽車外殼及能開合的門的制作,固定好Arduino智能硬件,形成完整作品。第五步:撰寫專題報告,總結(jié)反思,準(zhǔn)備展示及答辯等。最終,此作品獲得成都市科技創(chuàng)新大賽一等獎。

        說起來容易,其實在實踐過程中,欣瑜經(jīng)歷了各種失敗與挫折。比如,在制作車的模型時,一開始她只做了一個簡易版的車門模型,模型很小,光是按鍵就把車門全部蓋住了,安裝傳感器非常不方便,而且沒有車頂和車底,無法讓人認(rèn)出是車,只好重新做。她從網(wǎng)上搜索并下載了一個汽車側(cè)面的素描圖,根據(jù)素描圖做了一個相對完整的大一些的模型。在繪制側(cè)面圖的時候,發(fā)現(xiàn)車頂是流線型的,一塊一塊的木板無法直接做出車頂,幾經(jīng)周折找到了一種折彎結(jié)構(gòu),將堅硬平直的木板變成可以彎曲的柔軟結(jié)構(gòu),鋪在車頂上,這樣車輛模型才算完成(見圖2)。

        欣瑜的同班同學(xué)楊錦成在網(wǎng)上看到深圳福田發(fā)生的一起高空墜物事件:住宅樓20層的玻璃窗墜落,砸中樓下男童,導(dǎo)致男童死亡。錦成感覺這不是個例。隨著人口密度的增加,在高樓林立的城市里,高空墜物成了常見的“城市病”。他想在靠近地面的挑檐上安裝一個高空墜物攔截裝置,這個裝置可以在檢測到有高空墜物時發(fā)出警報,提醒附近行人,并快速對墜物進(jìn)行攔截,以降低高空墜物的危險性,減少人員傷亡,同時在液晶屏顯示墜物的樓層數(shù),幫助公正處理民事糾紛。

        錦成先準(zhǔn)備好Arduino UNO板、舵機(jī)、激光傳感器、揚(yáng)聲器、液晶屏、按鍵、時鐘模塊、太陽能光板、面包板、杜邦線、電池等,將此裝置分為五步進(jìn)行搭建。第一步,將兩個激光傳感器接到Arduino UNO板,檢測有無墜物。第二步,將兩個180°舵機(jī)連到Arduino UNO板上,粘上一個泡沫板,插上一根木棒當(dāng)穩(wěn)定軸進(jìn)行墜物攔截。第三步,將揚(yáng)聲器焊好,線接到Arduino UNO板上,進(jìn)行報警。第四步,將液晶屏連接到Arduino UNO板上,顯示計算出的樓層數(shù)。第五步,將按鍵連接到UNO板上,工作人員清理完墜物,按下按鍵,裝置收回墻體(見圖3)。接著在Mixly平臺進(jìn)行編程,錦成一時間不知道該如何寫計算樓層的程序,在網(wǎng)上搜了各種自由落體的物理公式,包括重力加速度原理等,費了很大的工夫,終于在程序上通過公式實現(xiàn)了算法。最后打造場景設(shè)定的外觀,使用Lasermaker激光切割設(shè)計軟件畫出房子的圖紙,用激光切割機(jī)切割出來,并拼接組合成一個模擬的高樓,把已經(jīng)搭好的硬件,用膠槍和焊接槍固定好。錦成還不忘利用高層陽光充沛的特點,使用太陽能光板給電池充電,達(dá)到環(huán)保持久的目的。這一設(shè)計也獲得成都市科技創(chuàng)新大賽一等獎。

        我校四年級學(xué)生趙湘琳,先后學(xué)習(xí)了創(chuàng)新實踐、計算思維、創(chuàng)意編程、Arduino創(chuàng)客、3D打印、STEM課程,積極申報了特長隊訓(xùn)練活動,在成都市創(chuàng)客大賽中一舉奪取五個一等獎,包括創(chuàng)想畫、圖形化編程、小創(chuàng)客方案、Arduino、人工智能五大領(lǐng)域。這些賽事激發(fā)了她對生活的好奇心,并在好奇心的驅(qū)使下不斷解決問題,逐漸養(yǎng)成創(chuàng)新型人格。趙湘琳積極參加學(xué)校組織的各項科創(chuàng)活動,經(jīng)中國教科院全國初賽、決賽層層遴選,代表學(xué)校赴北京參加全國創(chuàng)造大賽,在中國科學(xué)院大學(xué)為期兩天半的創(chuàng)客馬拉松賽事中成為最具創(chuàng)新精神的小學(xué)生之一。隨后她通過遴選,代表學(xué)校赴北京中國宋慶齡青少年科技文化交流中心參加“未來工程師”博覽活動。

        三、多元評價引領(lǐng)早期識別培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才方向

        銀都小學(xué)的課程多渠道、多方式、多樣態(tài)地評價學(xué)生,如自評、他評、量化評價、質(zhì)性評價、過程性評價、終結(jié)性評價等。同時鼓勵學(xué)生以各種變通方式呈現(xiàn)特定學(xué)習(xí)內(nèi)容,如產(chǎn)品策劃、工程設(shè)計圖、產(chǎn)品說明書、宣傳海報、情景劇表演、產(chǎn)品發(fā)布會、申請專利、參加賽事等,以此內(nèi)化學(xué)習(xí)方法,生成智慧,提升能力。善用多元評價可以很好地引領(lǐng)早期識別培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才的方向。

        課程的實施,幫助一批批銀小學(xué)子成為各領(lǐng)域的拔尖創(chuàng)新人才。參與Arduino課程的教師團(tuán)隊也迅速成長,十余人獲得全國STEM十佳教師、中國STEM種子教師、四川省特級教師、成都市學(xué)科帶頭人、成都市優(yōu)秀青年教師、高新區(qū)優(yōu)秀青年教師、高新區(qū)科技創(chuàng)新十佳教師、教壇新秀等榮譽(yù)稱號,四人獲全國賽課一等獎,主編了16本信息技術(shù)省編教材和9部STEM教程,發(fā)表十余篇國家級學(xué)術(shù)論文。學(xué)校獲得國際青少年創(chuàng)新競賽中國區(qū)特色學(xué)校、全國STEM領(lǐng)航學(xué)校、全國創(chuàng)造基地、四川省編程示范校、四川省高新區(qū)科技創(chuàng)新十佳學(xué)校等榮譽(yù)。

        我校將繼續(xù)探索拔尖創(chuàng)新人才的早期識別與培養(yǎng)路徑,完善機(jī)制,讓更多學(xué)生成為各行各業(yè)領(lǐng)軍人物,成為拔尖創(chuàng)新人才。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 王歡.對小學(xué)拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的實踐探索和理性思考[J].中小學(xué)校長,2011(10):65-67+3.

        [2] 冰潔.借助Arduino在小學(xué)高段開展STEM教育——以研發(fā)超聲波傳感器智能穿戴設(shè)備為例[J].中國民族教育,2018(Z1):57-58.

        [3] 陳宏程.青少年科技創(chuàng)新三十六計[M].合肥:安徽科學(xué)技術(shù)出版社,2020:43.

        (作者單位:四川省成都師范銀都小學(xué))

        責(zé)任編輯:趙繼瑩

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