王夢怡

（蘇州工業(yè)園區(qū)星港學校，江蘇 蘇州）

國務院《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中要求逐步開展人工智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育，建設人工智能學科，形成我國人工智能人才高地。然而，對大部分學校而言，創(chuàng)客教育缺乏系統(tǒng)的課程資源，這就對創(chuàng)客校本課程的設計和開發(fā)提出了要求。

一、校本課程內容選擇

隨著我國建設創(chuàng)新型國家過程的深入，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才成為亟需解決的問題。教育界為此正在進行積極的探索。就目前的狀況來看，創(chuàng)客教育屬于一個新興的理念，對如何落實到實踐中屬于摸著石頭過河的狀態(tài)。

有關創(chuàng)客課程的設計和實施，缺乏相應的課程標準，也沒有相應的配套教材。目前市場上大多數(shù)的創(chuàng)客課程是由一些教育公司進行設計開發(fā)，但由于公司人員缺乏一線教學經(jīng)驗，開發(fā)出的創(chuàng)客課程并不能很好地落實到創(chuàng)新人才的目標培養(yǎng)上。

對于學校來說，創(chuàng)客教育面臨課程缺乏、經(jīng)費緊張的困境。大部分學校因為沒有充足的資金購買設備，往往以社團形式規(guī)模開展創(chuàng)客課程，能夠參加創(chuàng)客課程的學生不足學生總人數(shù)的十分之一。部分學校甚至因為各種原因不開展創(chuàng)客課程。如此一來，大量學生的創(chuàng)造性思維無法得到開拓和發(fā)展，這對社會和國家而言是巨大的損失和資源浪費。

目前中小學普遍使用的編程平臺scratch相匹配的主流套件如Arduimo，Rasberry Pi等，一套設備動輒上千的價格令大多數(shù)勇于嘗試卻資金不足的學校、一線教師望而卻步。即便花大價錢買來了套件，其中所包含的課程和能制作出的作品卻是寥寥，無法滿足長期發(fā)展的課程需要。

為了滿足需求資金少、可發(fā)展性強這兩個需求，本次研究選用價格低廉的Micro:bit進行相應課程的開發(fā)，同時使用耗材便宜易買的激光雕刻技術制作相應配套設備。既滿足了以小經(jīng)費購置開源硬件設備的需求，又能保證在不同環(huán)境場景下，可根據(jù)學生的創(chuàng)意設計，不囿于套件提供的材料設備，制作出個性化作品，具有很強的發(fā)展性。

希望通過本課程的開發(fā)，使得大多數(shù)中小學校能使用較少的經(jīng)費開展創(chuàng)客教育或基于物聯(lián)網(wǎng)的程序設計教學。并在教學開展過程中，不囿于現(xiàn)有的課程和配套硬件，而是可以根據(jù)教師和學生的創(chuàng)意，隨時靈活地調整課程內容，實現(xiàn)創(chuàng)意作品的制作、調整和展示。我們相信，只有學生能把自己的創(chuàng)意變成現(xiàn)實，才是真正的創(chuàng)客教育，才能真正提升學生的學習水平和學習興趣。

二、校本課程授課對象

基于激光雕刻技術的Micro:bit校本課程教學對象主要為小學四至六年級學生。這個年齡階段的學生好奇心強、思維活躍、想象力豐富，有充足的課余活動時間，也喜歡自我表現(xiàn)，敢于嘗試。

四年級的學生已經(jīng)完成了一年的信息技術學習，有操作電腦的基本能力，能在教師的指導下進行簡單的可視化程序編輯。五年級安排學生進行激光雕刻技術的學習。激光雕刻技術涉及矢量圖的編輯，過程中需要在兩三個程序中進行切換和導出，過程比較復雜。五年級的學生相對而言邏輯思維能力比較完善，大部分學生能在教師的引導下完成圖形的設計和雕刻。六年級的學生經(jīng)過兩年的學習，不管是動手操作能力還是邏輯思維能力都有顯著的提升，在這個學年安排學生進行項目化的創(chuàng)客作品設計，著重提升學生項目規(guī)劃、圖形設計、程序編程、激光雕刻、細節(jié)調整、運行測試、再調整、項目反思這一系列能力。基于激光雕刻技術的Micro:bit校本課程為學生提供了自我展示的舞臺，并為以后更高層次的創(chuàng)客學習和實踐打下了堅實的基礎。

三、基于激光雕刻技術的Micro:bit校本課程開發(fā)

（一）課程目標

1.開發(fā)基于激光雕刻技術的Micro:bit校本課程

豐富傳統(tǒng)基于Micro:bit自帶傳感器的程序設計課程，將程序設計從PC端擴展到手工作品。通過在課程編寫過程中的頭腦風暴和實踐、試驗，提升課題組教師的研究水平與實際操作能力，提高學校的創(chuàng)客師資水平。

2.實施基于激光雕刻技術的Micro:bit校本課程

程序設計不再局限于電腦，而可以制作出拿在手上、運用在生活中的實實在在的物品。學生能了解到編程與邏輯思維的美妙之處，知曉程序與物聯(lián)網(wǎng)連接的方法，創(chuàng)作出可運用于實際生活的物聯(lián)網(wǎng)設備，并親身體驗物聯(lián)網(wǎng)對生活帶來的樂趣和便利。在學習和實踐過程中鼓勵學生學以致用，激發(fā)學生的創(chuàng)造熱情，培養(yǎng)他們從小養(yǎng)成學科學、愛科學、用科學的良好習慣。

3.調整、優(yōu)化基于激光雕刻技術的Micro:bit校本課程

通過課堂實踐發(fā)現(xiàn)校本課程設計中存在的問題，并解決問題，優(yōu)化基于激光雕刻技術的Micro:bit校本課程，使中小學信息教室能運用該校本課程正常、有效地開展創(chuàng)客、基于物聯(lián)網(wǎng)的程序設計教學活動。

（二）課程結構體系

根據(jù)學校教學的實際情況和學生的知識水平，我們將校本課程安排為六個學期的課程量，每個學期15課時，每周1課時。第一學期和第二學期基于Micro:bit編程校本課程學習，分為編程入門篇、外接傳感器篇和編程進階篇三個模塊。第三學期和第四學期基于激光雕刻技術校本課程學習，分為簡單雕刻篇、圖形設計篇、進階雕刻篇。第五學期和第六學期為綜合項目實踐，根據(jù)每組不同的情況，用兩個學期的時間完成5～6個項目作品。

1.Micro:bit編程校本課程

（1）編程入門篇。讓學生了解和熟悉Micro:bit的界面和基本操作，了解Micro:bit的特點和功能，學生能使用Micro:bit自帶的按鍵傳感器、溫度傳感器、振動傳感器、光線傳感器、LED顯示矩陣點，制作簡單的實用小程序。學生在這一階段除了了解程序編輯的模塊和一般邏輯外，還要能區(qū)分輸入傳感器和輸出傳感器。

（2）外接傳感器篇。主要介紹外接傳感器，如蜂鳴器、超聲波傳感器、紅外線傳感器、LED燈、外接按鍵傳感器等。學生在這一階段需要明確知悉信息從輸入傳感器進入，經(jīng)過Micro:bit處理后，由輸出傳感器輸出的流程。學生需要熟練連接傳感器，且在運行發(fā)生問題時，判斷出是由硬件導致的還是由程序導致的，有排除故障解決問題的能力。

（3）編程進階篇。通過這個階段的學習，學生需要熟練地運用傳感器編寫較為復雜的程序，掌握變量、列表、坐標、邏輯運算、對象等概念，設計出有創(chuàng)意、有使用價值的游戲或程序。引導學生充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，制作有個性的Micro:bit作品，并將作品與大家分享，感受創(chuàng)造的樂趣和成功的喜悅。

2.激光雕刻技術校本課程

（1）簡單雕刻篇。學生能掌握激光雕刻的基本操作和基本原理，能熟練使用激光雕刻機制作簡單的立體作品，如手機支架、木盒等。在制作過程中體會動手的樂趣，并能對平面圖形轉變?yōu)榱Ⅲw圖形有感性的認識。

（2）圖形設計篇。學生能自行設計圖案，通過網(wǎng)絡尋找資源并熟練運用多個圖形設計軟件導出矢量設計圖，并選擇適合的材料進行雕刻。在雕刻時，學生能了解不同材料需要的功率和頻率，并選擇適合的功率和頻率進行雕刻。

（3）進階雕刻篇。學生能根據(jù)需要設計出適合Micro:bit、傳感器的大小和使用功能的木制或亞力克外框架，使裝置能使用的同時不顯露內部結構和線路，有一定的美觀性，并能對外形做簡單的裝飾和設計。

3.綜合項目實踐

以需求為導向，教師提出某一使用需求，如制作一個小型樂器，學生以小組為單位，根據(jù)需求進行項目規(guī)劃、圖形設計、程序編程、激光雕刻、細節(jié)調整、運行測試、再調整、項目反思，最后得到項目成果，并在小組間進行分享和評價，通過交流，體驗成就感和成功的喜悅，激發(fā)學生學習和創(chuàng)新的動力。

（三）教材編寫案例

在編寫每一課時，盡量以項目化的形式進行。四、五年級以教師引導為主，讓學生形成項目的概念，了解完成項目的一般流程。六年級教師直接拋出問題，引導學生用不同的方法解決問題。學生以小組為單位，對教師提出的問題討論、思考，得到初步方案。根據(jù)小組得出的方案，小組成員分工進行傳感器連接、程序編輯、外結構設計和雕刻。運行程序，觀察存在的問題并嘗試解決；組合元器件和外結構，觀察存在的問題并嘗試解決。小組再次進行討論，提出改進的意見，根據(jù)改進意見分工調整，重復上述步驟。最后在小組間分享成果，相互探討經(jīng)驗和不足。

通過項目式學習，培養(yǎng)學生分析、想象、創(chuàng)新和解決問題的能力，促進學生獨立思考、自主創(chuàng)新與合作交流。

案例：“感應道閘”是基于激光雕刻技術的Micro:bit校本課程“綜合項目實踐”中的一課，需要花費4個課時。

教學目標是通過感應道閘的設計，讓學生了解感應道閘的基本工作原理，了解舵機的原理和基本工作方式，能通過程序控制舵機旋轉。

1.創(chuàng)設情境，提出問題

在小區(qū)門口、商場門口，為了識別來車是否進入，我們一般會采取怎樣的方法呢？播放視頻展示。這個裝置的名字叫作道閘，今天，我們要模仿這個道閘，制作一個簡易模型。

2.開闊視野，分析探究

提問：在開始制作之前，我們先來分析一下，這個設備是如何運作的呢？要求學生以小組為單位展開討論，得出結論：超聲波傳感器測出距離，交給處理器處理，處理器讓桿子抬起來。

除了我們都認識的部分之外，這個設備還使用了一個新的設備：舵機。提問：舵機是什么呢？播放舵機介紹視頻。得出結論：舵機是能夠在平面內改變角度的驅動器，相當于機器人的關節(jié)。舵機就是控制桿子抬起來的重要設備。

通過前面的學習，我們已經(jīng)知道，超聲波傳感器是用來采集“距離”信息的設備，信息被輸入設備采集到，傳到處理器，經(jīng)過處理后再由輸出設備導出。

首先，我們要完成兩個任務：連接設備，并能夠使用程序控制舵機運轉。

（四）自主設計，搭建程序

1.連接舵機

舵機介紹——舵機是能夠在平面內旋轉角度的驅動器。

任務一：連接各個傳感器

學生根據(jù)過去的學習經(jīng)驗嘗試連接超聲波傳感器、電源和舵機，連接完成后，小組間相互檢查和評價連接是否正確。

2.控制舵機運轉

一般，我們通過控制脈沖的方式控制舵機的運轉角度?？刂泼}沖的積木塊是紅色的，在紅色的引腳木塊中。脈沖和舵機運轉角度的對應關系。

任務二：通過不同的脈沖控制舵機旋轉

學生嘗試設置不同的脈沖，觀察舵機的旋轉角度。調整脈沖，使舵機可以從平行位置旋轉到垂直位置。小組成員討論最適合的程序編寫方式，并在小組間相互評價。

3.讀取超聲波傳感器數(shù)值

通過之前的學習，我們已經(jīng)知道如何讀取超聲波傳感器的“距離”信息。如果“距離”＜10，舵機旋轉到90°，否則舵機旋轉到0°。

任務三：通過讀取超聲波傳感器數(shù)值，控制舵機旋轉

學生嘗試通過讀取超聲波傳感器數(shù)值控制舵機旋轉。在不斷的測試過程中，學生反復嘗試最適合的感應距離，實現(xiàn)當“汽車”開到道閘前時，道閘感應打開，停留一段時間后，道閘自動關閉。

4.調整數(shù)值，優(yōu)化程序

提問：觀察這個感應道閘的運動狀態(tài)，有什么可以改進的地方嗎？會不會落下得太快了？應該怎么辦呢？

學生根據(jù)教師提出的問題，組內進行討論，得出解決辦法：停留幾秒后再落下道閘，或者感應到道閘附近沒有“汽車”后，道閘再落下，等等。每個小組根據(jù)自己的水平和預估的效果，選擇適合自己小組的改進方法，在不斷地調試中改進程序。

“讀取超聲波傳感器數(shù)值”和“調整數(shù)值，優(yōu)化程序”兩個階段因為需要學生反復測試和調整，所以會花費比較多的時間。完成這個環(huán)節(jié)后，安排班內分享，欣賞每個小組完成的作品，相互提出改進意見。

（五）設計結構，創(chuàng)新活動

1.測量尺寸，繪制雕刻圖形

學生測量在前面環(huán)節(jié)中搭建的設備的尺寸，為設備設計適合大小的容器。教師需要提醒學生為各個傳感器和充電口預留位置，防止遮擋超聲波傳感器讀取數(shù)值或舵機的旋轉。

任務四：設計感應道閘的外部結構

圖紙和現(xiàn)實往往有很大差距，為了避免耗材損耗，教師可以引導學生多考慮容易遺漏的傳感器位置、充電口位置、各個面拼接時需要的接口。在小組完成設計后，教師可以請小組其他成員檢查圖紙是否有明顯的錯誤。

2.切割圖形，嘗試拼接

學生導出設計好的文件，導入激光雕刻機，設置適合的激光雕刻參數(shù)，開始切割圖形。完成切割后，嘗試組合感應道閘和外部結構，尋找其中的問題，并尋求解決方法。

3.反復調整，尋找最佳方案

在上一步的拼接過程中，學生往往會發(fā)現(xiàn)許多問題，如給傳感器、充電口預留的位置和大小不夠準確，設計出的外部結構無法容納感應道閘所有元器件等。學生需要在本環(huán)節(jié)中多次反復設計，多次雕刻作品并嘗試拼接，以求達到最佳的效果。

（六）作品展示，活動評價

小組完成作品后，輪流上臺展示本小組的作品。教師需要引導學生從“效果展示”“作品亮點”“反思與發(fā)展”等幾點出發(fā)，全面地介紹本小組作品的亮點以及在完成作品過程中付出的努力。其他小組需要認真傾聽，并提出有效的評價和改進意見。

基于Micro:bit設計面向小學四至六年級的創(chuàng)客課程，在一定程度上豐富了基礎教育中關于創(chuàng)客教育方面的研究，為今后創(chuàng)客教育的發(fā)展研究提供了可靠的實踐基礎。