吳 艷 王慶麗 趙 琦

(1.鎮(zhèn)江市外國(guó)語(yǔ)學(xué)校西津渡校區(qū)，江蘇 鎮(zhèn)江 212002；2.臨沂市河?xùn)|區(qū)梅家埠街道辦事處，山東 臨沂 276024)

智慧課堂是當(dāng)前教育信息化發(fā)展的戰(zhàn)略要點(diǎn)?！吨袊?guó)教育現(xiàn)代化2035》指出要利用現(xiàn)代技術(shù)加快推動(dòng)人才培養(yǎng)模式改革，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；逃c個(gè)性化培養(yǎng)的有機(jī)結(jié)合?！督逃畔⒒?.0行動(dòng)計(jì)劃》則進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)要構(gòu)建智慧學(xué)習(xí)支持環(huán)境，大力推進(jìn)智能教育，開(kāi)展以學(xué)習(xí)者為中心的智能化教學(xué)支持環(huán)境建設(shè)等。因此，現(xiàn)階段探索智慧課堂如何開(kāi)展無(wú)論是對(duì)于理論的進(jìn)一步深化，還是對(duì)實(shí)踐推廣，都具有一定價(jià)值意義。鎮(zhèn)江市外國(guó)語(yǔ)學(xué)校西津渡校區(qū)(簡(jiǎn)稱“鎮(zhèn)外”)自2016年引入智慧課堂教學(xué)以來(lái)，大力開(kāi)展智慧課堂與學(xué)科教學(xué)融合，并取得了一定教學(xué)成果。本文基于這幾年學(xué)校的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，展開(kāi)研究和探討。

一、智慧課堂與Arduino的概念界定

智慧教育最早源于IBM提出的“智慧地球”戰(zhàn)略構(gòu)想，試圖利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)、傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物的互聯(lián)互通。隨著這一構(gòu)想的提出，“智慧城市”“智慧醫(yī)療”“智慧教育”等概念紛紛涌現(xiàn)。作為與傳統(tǒng)課堂不同的新型課堂，智慧課堂是以傳感技術(shù)、通信技術(shù)、人工智能技術(shù)、3D打印技術(shù)為載體的虛實(shí)混合的課堂環(huán)境。[1]為了研究和開(kāi)展智慧課堂，“鎮(zhèn)外”引入了Arduino課程，并開(kāi)始探索基于Arduino的智慧課堂。Arduino不僅是全球最流行的開(kāi)源硬件，也是一個(gè)優(yōu)秀的硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。Arduino包含了硬件和軟件，它能通過(guò)各種各樣的傳感器來(lái)感知環(huán)境，很好地體現(xiàn)智慧課堂中傳感技術(shù)、通信技術(shù)等技術(shù)特征，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的探究能力、創(chuàng)新能力有重要價(jià)值。

目前雖然許多學(xué)校開(kāi)展智慧課堂，但相關(guān)教師在實(shí)踐過(guò)程中沒(méi)有遵循發(fā)展學(xué)生創(chuàng)造能力的設(shè)計(jì)原則，教學(xué)設(shè)計(jì)活動(dòng)很大程度上與傳統(tǒng)教學(xué)活動(dòng)沒(méi)有區(qū)別。另外，基于Arduino的學(xué)習(xí)也只是看說(shuō)明書(shū)組裝完成任務(wù)，沒(méi)有激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和探究力，最終導(dǎo)致智慧課堂整體定位模糊、目標(biāo)方向混亂、成效不顯著等問(wèn)題。雖然國(guó)內(nèi)一些學(xué)者關(guān)注到智慧課堂的教學(xué)設(shè)計(jì)模式，如劉邦奇的“三段十步”法[2]、尹苗基于ADDIE的教學(xué)設(shè)計(jì)框架[3]，但整體而言缺少針對(duì)某種技術(shù)的設(shè)計(jì)研究，如Arduino。因此，本研究試圖回答“智慧課堂的教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循哪些原則、以Arduino為平臺(tái)的智慧課堂具體教學(xué)模式是怎樣的”這兩個(gè)核心問(wèn)題。

二、智慧課堂的理論基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)原則

智慧課堂的主要理論包括認(rèn)知學(xué)徒制理論和項(xiàng)目學(xué)習(xí)理論。認(rèn)知學(xué)徒制理論是智慧課堂教學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)以問(wèn)題為中心，通過(guò)提供復(fù)雜的情景，促進(jìn)學(xué)生知行結(jié)合，使學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體。項(xiàng)目學(xué)習(xí)理論則是智慧課堂教學(xué)設(shè)計(jì)的具體依據(jù)，主張學(xué)習(xí)內(nèi)容應(yīng)是真實(shí)情景中多學(xué)科知識(shí)交叉的問(wèn)題，并且該問(wèn)題是學(xué)生有能力進(jìn)行探究的。項(xiàng)目學(xué)習(xí)從發(fā)現(xiàn)問(wèn)題開(kāi)始，教師與學(xué)生共同在完成項(xiàng)目的過(guò)程中，確定問(wèn)題、設(shè)定目標(biāo)、尋找策略、總結(jié)反思等，最終產(chǎn)出項(xiàng)目方案或產(chǎn)品?；谶@些理論，智慧課堂的基本教學(xué)設(shè)計(jì)原則主要包括以下幾個(gè)方面：

1.以“創(chuàng)”為設(shè)計(jì)核心

在基于Arduino的智慧課堂教學(xué)中，很多都是教師講解或演示一個(gè)案例(如光線傳感器控制 LED 燈光亮度)，學(xué)生跟著模仿制作相同的作品，這偏離了創(chuàng)新創(chuàng)造的本質(zhì)。智慧課堂的重心在于“創(chuàng)”，而不是“照樣子造”。教師要利用人工智能創(chuàng)新人才培養(yǎng)方式，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力。當(dāng)然，教師也不能脫離“造”而抽象地學(xué)習(xí)“創(chuàng)”?！霸臁笔恰皠?chuàng)”的基礎(chǔ)，只有掌握了設(shè)備的運(yùn)作原理、組裝方式等，才有可能實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新創(chuàng)造。因此，教師在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)既要提供結(jié)構(gòu)化、封閉化的基本知識(shí)技能指導(dǎo)，同時(shí)也要給予學(xué)生足夠的探索空間、提問(wèn)空間、反思空間等。

2.以“問(wèn)題”為根本導(dǎo)向

基于Arduino的智慧課堂強(qiáng)調(diào)以“問(wèn)題設(shè)計(jì)”為根本導(dǎo)向。問(wèn)題是激發(fā)學(xué)生興趣、形成知識(shí)聚焦的重要載體，其中問(wèn)題的情境一定要真實(shí)、具體，與生活存在密切的聯(lián)系。情境認(rèn)知理論認(rèn)為，基于現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)情境是學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的基本條件，任何脫離特定情境或場(chǎng)合的知識(shí)都是毫無(wú)意義的。[4]傳統(tǒng)課堂的Arduino課堂之所以死氣沉沉、學(xué)生沒(méi)有興趣，主要原因就是課堂問(wèn)題只是簡(jiǎn)單地組裝或者圍繞一些操作問(wèn)題展開(kāi)，學(xué)生體會(huì)不到學(xué)習(xí)的價(jià)值和意義。因而基于Arduino的智慧課堂一定要圍繞真實(shí)問(wèn)題和現(xiàn)實(shí)情境展開(kāi)教學(xué)設(shè)計(jì)；同時(shí)教師也要進(jìn)行必要的角色轉(zhuǎn)變，不再是“教知識(shí)”，而應(yīng)該是作為問(wèn)題解決的引導(dǎo)者、促進(jìn)者和幫助者。教師在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)要圍繞發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、聚焦問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題來(lái)設(shè)計(jì)內(nèi)容、組織材料、選擇策略等。教師應(yīng)避免只教學(xué)生進(jìn)行“造”，而要更進(jìn)一步去創(chuàng)設(shè)合適的情境，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)、師生互動(dòng)、小組合作等形式來(lái)解決問(wèn)題，進(jìn)而在實(shí)踐中提高創(chuàng)新能力和問(wèn)題解決能力。

3.以“任務(wù)”為學(xué)習(xí)載體

基于Arduino的智慧課堂強(qiáng)調(diào)學(xué)生的課堂參與，教師在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)一定要避免“長(zhǎng)篇大論”“紙上談兵”，要利用任務(wù)活動(dòng)倒逼學(xué)生動(dòng)筆、動(dòng)手、動(dòng)腦。如通過(guò)圖樣設(shè)計(jì)、方案撰寫(xiě)、組裝拼接、測(cè)驗(yàn)調(diào)試、展示分享等一系列活動(dòng)，充分發(fā)揮學(xué)生的積極性、主動(dòng)性，不至于因?yàn)闆](méi)事做而發(fā)呆、開(kāi)小差等。其次，教師在設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)要遵循由淺入深、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由應(yīng)用到遷移的遞進(jìn)關(guān)系。例如教師在任務(wù)量上，可以將課堂的總?cè)蝿?wù)分割成幾個(gè)小任務(wù)，每個(gè)小任務(wù)的復(fù)雜性和綜合性逐步增加；在教學(xué)支持上，可以前面進(jìn)行示范演示，后續(xù)的任務(wù)逐漸撤去支架，讓學(xué)生自主完成。另外，教師在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，一定要注意處理自主學(xué)習(xí)和小組合作之間的關(guān)系，既要給學(xué)生獨(dú)立思考、自主完成的空間，同時(shí)也要有合作交流、共同完成的項(xiàng)目體驗(yàn)。尤其要注意避免因?yàn)樾〗M合作而消解了自主思考的機(jī)會(huì)，因?yàn)樯贁?shù)優(yōu)生的存在，而使普通學(xué)生可以渾水摸魚(yú)、濫竽充數(shù)。每個(gè)學(xué)生在課堂中都應(yīng)該有屬于自己的任務(wù)和活動(dòng)，每位學(xué)生通過(guò)這個(gè)課堂都應(yīng)該有相應(yīng)的提高和進(jìn)步，學(xué)習(xí)的權(quán)利和機(jī)會(huì)開(kāi)放給每位學(xué)生。

三、基于Arduino的智慧課堂教學(xué)模式

結(jié)合智慧課堂的設(shè)計(jì)原則及教學(xué)實(shí)踐，“鎮(zhèn)外”將基于Arduino的智慧課堂的教學(xué)模式分為工具準(zhǔn)備、創(chuàng)設(shè)情景、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、制訂方案、交流探討、產(chǎn)品制作、成功分享、評(píng)價(jià)反思八個(gè)步驟，下文將結(jié)合“智能家居控制”這一案例進(jìn)行說(shuō)明。

1.工具準(zhǔn)備

為正常進(jìn)行該學(xué)習(xí)活動(dòng)，教師需提前進(jìn)行一定的資源準(zhǔn)備：提供Arduino：Arduino UNO R3；相關(guān)元件：面包板、數(shù)個(gè)JY-MCU藍(lán)牙無(wú)線串口模塊、USB線、接線、數(shù)個(gè)繼電器、數(shù)個(gè)IR發(fā)射器、網(wǎng)絡(luò)接口板、數(shù)個(gè)不同阻值的歐姆電阻等；Arduino相關(guān)函數(shù)的使用方法、IR發(fā)射器、網(wǎng)絡(luò)接口板、繼電器、藍(lán)牙及相關(guān)資料等。

2.創(chuàng)設(shè)情境

根據(jù)學(xué)習(xí)活動(dòng)主題，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的或者接近于真實(shí)的情境，這對(duì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)有著重要作用。教師可創(chuàng)設(shè)如下情境：展示帶領(lǐng)學(xué)生參觀智能家居展時(shí)的相關(guān)資料，引發(fā)學(xué)生對(duì)智能家居的興趣，使其萌發(fā)體驗(yàn)智能家居的想法。隨后引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考：能否用Arduino實(shí)現(xiàn)智能家居體驗(yàn)？如何去實(shí)現(xiàn)這種功能呢？在這一過(guò)程中，教師不只是提供一個(gè)情境，其核心目的在于讓學(xué)生能夠置身于智能家居這一背景中，去思考智能家居的“智能”體現(xiàn)在哪些方面，是更安全？更方便？還是更經(jīng)濟(jì)？學(xué)生要像從業(yè)者或?qū)＜乙粯铀伎既绾螡M足客戶的需求、如何帶給他們更好的體驗(yàn)等。如果純粹告訴學(xué)生“今天的任務(wù)就是完成這個(gè)電路設(shè)計(jì)”，學(xué)生的思維就會(huì)局限于電路能否工作，但引入情境之后，學(xué)生就會(huì)有更多社會(huì)層面的、人文層面的考量，真正體現(xiàn)設(shè)計(jì)感，涌現(xiàn)“創(chuàng)”的味道。

3.發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

問(wèn)題是貫穿整個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)的主線，教師要幫助學(xué)生提煉問(wèn)題的核心要素。在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，我們建議先從問(wèn)題的目標(biāo)分析開(kāi)始。在傳統(tǒng)課堂中問(wèn)題的目標(biāo)狀態(tài)幾乎都是給定的，例如“求方程的解”“按照電路圖完成實(shí)物安裝”。但在真實(shí)情境中，“如何用Arduino實(shí)現(xiàn)智能家居體驗(yàn)”目標(biāo)狀態(tài)是未知的，根本沒(méi)有給定的要求和是非判斷。問(wèn)題的解決目標(biāo)隱藏在學(xué)生對(duì)于智能家居的理解中，因此，教師可先組織學(xué)生討論智能家居的特點(diǎn)，例如系統(tǒng)控制、操作簡(jiǎn)單、材料經(jīng)濟(jì)、相對(duì)安全等。在這過(guò)程中，主要的目的是開(kāi)拓學(xué)生思維，因此建議教師給予學(xué)生安全舒服的心理氛圍。課堂越是自由，越有利于學(xué)生分享觀點(diǎn)和看法。當(dāng)然，并不是所有目標(biāo)都能實(shí)現(xiàn)，問(wèn)題的解決也依賴于既有材料和學(xué)生水平，因而，下一步工作就是組織學(xué)生討論哪些目標(biāo)是可以實(shí)現(xiàn)的。學(xué)生可以結(jié)合已有材料，初步分享自己的設(shè)計(jì)思路和想法。通過(guò)這兩步教學(xué)活動(dòng)，學(xué)生就可以聚焦智能家居的關(guān)鍵要素，從而使問(wèn)題具體化。

4.制訂方案

制訂方案是問(wèn)題解決過(guò)程中的重要步驟，它在某種程度上直接決定最終結(jié)果的成功與否，因而教師必須通過(guò)教學(xué)引導(dǎo)確保學(xué)生能夠認(rèn)真對(duì)待方案設(shè)計(jì)。我們總結(jié)了這一環(huán)節(jié)有效的幾種教學(xué)策略：一是4～5人展開(kāi)小組合作，成員過(guò)多或過(guò)少都不利于項(xiàng)目的開(kāi)展。分組后，先每人獨(dú)立完成方案設(shè)計(jì)，然后組內(nèi)交叉評(píng)議，選出最合理的方案或者先進(jìn)行組內(nèi)分工，按照問(wèn)題分解、方案設(shè)計(jì)、文字撰寫(xiě)等形式進(jìn)行角色分工，共同完成方案設(shè)計(jì)。二是引導(dǎo)學(xué)生按照“功能—電路—材料”的思路撰寫(xiě)方案設(shè)計(jì)，并仔細(xì)核查可行性。三是同一個(gè)問(wèn)題有不同的解決方法，但并非所有的解決方法都可行，教師需要進(jìn)到每個(gè)小組，檢查或評(píng)估方案的可行性。

5.交流探討

生生、師生之間要進(jìn)行合作交流，教師需鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)探索，讓學(xué)生完成意義建構(gòu)，這才是真正的學(xué)習(xí)。每個(gè)步驟的實(shí)施過(guò)程中都可能出現(xiàn)困難，教師要引導(dǎo)學(xué)生解決困難。對(duì)于學(xué)生確實(shí)解決不了的問(wèn)題，可以為學(xué)生提供線索或者引導(dǎo)學(xué)生搜集相關(guān)材料，而非直接告訴學(xué)生解決辦法。傳統(tǒng)教學(xué)中，交流探討似乎更多地集中于師與生的互動(dòng)，并不關(guān)注生生互動(dòng)，而且教師一般都是有問(wèn)必答。新課改強(qiáng)調(diào)“把課堂還給學(xué)生”，那如何還呢？我們結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了幾種方式(如表1所示)。

表1 交流類型整理

6.產(chǎn)品制作

制作是思維、方案具象化的過(guò)程，也是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、實(shí)踐能力的關(guān)鍵。在制作過(guò)程中，學(xué)生可能會(huì)遇到許多問(wèn)題，教師需要反復(fù)思考和總結(jié)學(xué)生遇到的常見(jiàn)問(wèn)題，盡可能地整理成資料，在需要時(shí)提供給學(xué)生，這樣能培養(yǎng)學(xué)生自主解決問(wèn)題的良好習(xí)慣。該案例中硬件方面可能需要的資料包括IR發(fā)射器、繼電器、藍(lán)牙和網(wǎng)絡(luò)接口板的使用方法等；軟件上有Arduino引腳的連接方式、pulseIR()函數(shù)、delayMicroseconds()函數(shù)的調(diào)用方式以及故障排除方法等。

7.成果分享

現(xiàn)代社會(huì)不光強(qiáng)調(diào)“埋頭苦干”，還需要學(xué)會(huì)如何將“產(chǎn)品推銷給別人”。成果分享的方式有很多種，例如可以采取展覽會(huì)、報(bào)告會(huì)等形式。如果說(shuō)制作培養(yǎng)的是學(xué)生的動(dòng)手能力，那么成果分享則強(qiáng)調(diào)的是語(yǔ)言表達(dá)能力、演說(shuō)能力等。學(xué)生要關(guān)注匯報(bào)的邏輯性、清晰性、流暢性，以吸引聽(tīng)眾興趣。教師甚至可以引導(dǎo)學(xué)生采用制作PPT、視頻等形式來(lái)輔助匯報(bào)，從而增加項(xiàng)目的真實(shí)性、趣味性，而不是簡(jiǎn)單地完成任務(wù)。對(duì)于有新意的作品，教師也可以引導(dǎo)學(xué)生參加競(jìng)賽，更有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

8.評(píng)價(jià)反思

普通課堂可能關(guān)注的是知識(shí)掌握，但基于Arduino的智慧課堂強(qiáng)調(diào)的是問(wèn)題解決，也就是它的評(píng)價(jià)對(duì)象應(yīng)是圍繞著問(wèn)題解決展開(kāi)來(lái)的一系列過(guò)程，如方案設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制作、小組合作、成果分享等，它強(qiáng)調(diào)過(guò)程與結(jié)果的統(tǒng)一。在具體的操作上，教師可以根據(jù)上述的評(píng)價(jià)要素細(xì)化為評(píng)分表，采用自評(píng)、互評(píng)和師評(píng)相結(jié)合的形式進(jìn)行。表2是評(píng)分框架示例，教師可以結(jié)合具體案例進(jìn)行調(diào)整和改編。

表2 評(píng)分框架示例

目前智慧課堂的實(shí)踐大多“重建設(shè)、輕應(yīng)用”，缺乏對(duì)于教學(xué)模式、教學(xué)設(shè)計(jì)等的探索，這也導(dǎo)致了信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)融合困難，深層次的教學(xué)效益始終無(wú)法取得?！版?zhèn)外”雖然經(jīng)費(fèi)有限、智慧課堂的實(shí)踐規(guī)模也不大，但通過(guò)聚焦教學(xué)模式、做精做細(xì)每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，取得了良好效果，成為鎮(zhèn)江市唯一一所被評(píng)為“中央電化教育館智慧課堂應(yīng)用創(chuàng)新試點(diǎn)”的學(xué)校。