佛山市顺德区北滘镇三桂小学 广东 佛山 528311
[摘要]：21世纪是一个倡导核心素养的时代。信息技术课堂的传统教学课程只限于知识的讲解，而忽视了学生综合能力的培养。本研究主要是以提高小学高年级学生的综合能力为研究目标，在小学阶段建立基于Arduino平台的创客课程，对挖掘小学生的创造性思维和实践能力具有重要的核心价值。通过对研究过程中搜集的文献和书籍进行整理分析，以“超声波测距仪”为例，探讨了基于 Arduino平台的教学设计研究。
关键词：Arduino；小学高年级；教学设计
绪论
引言
“开源”最早出现在20世纪90年代，是开放源代码的简称。1998 年 2 月，由 Bruce Perens 和 Eric S.Raymond 成立的开放源代码促进会（Open Source Initiative，缩写：OSI）积极与Netscape合作，促进了Netscape产品源代码的开放历程，并逐渐定义了开源软件的概念，明确了开源软件必须分发许可证[]以确保用户的阅读权，再分配过程以及后续更改的结果。随着开源软件的演变及快速发展、流行，深受人们的青睐，并逐渐在教育区域里受到关注，由此“开源”概念逐步从商业领域运用到教育领域。
研究背景
从2016年开始，全国中小学电脑制作活动首次明确了“创客项目”的评比，并明确要求必须作品是开源软硬件作品。Arduino的诞生无疑就是一个里程碑。通过Arduino平台的创客教育的多元化有利于开拓学生的视野，把学生由一个学习者角色进入到创造者角色，提高学生的综合能力。因此，在这个背景下，笔者以“超声波测距仪”为例做一个设计，解决Arduino硬件引入小学高年级的课堂解决策略。
国内研究现状
通过查询发现国内研究现状也具有一定的参考价值。例如：Zeng Xiangpan以Arduino为基础，为学习者设计了一个机器人微课程，分为三个部分：基础入门知识，各类传感器应用和应用主题设计。学习者需要在任务驱动下完成一系列过程，如设计，制作，编程，调试，完成场地任务等;又如易向东老师把Arduino的教学内容确定为两部分：组件的应用和智能车的设计。[]
研究目的和意义
华东师范大学陶曾乐教授曾提出，中小学信息技术课堂应以“信息技术素养”为基础。在小学阶段形成编程思维，需注重“算法与程序设计能力的培养”，要求学生能编制简单的程序。教师在进行开源硬件教学的前提是：教学目标明确，教学设计科学合理，教学评价模式成熟和教学环境良好。
研究目的：
根据学生的认知特点和实际教学情况、模型构建和教学设计，以提高小学教学效率，可供其他教学者参考，达到推广和普及小学开源硬件教育进课堂的目的。
研究意义：
一方面，激发兴趣，锻炼学生编程思维、团队协作精神、人工智能思维，促进学生的动手实践能力，想象力，多学科融合的科学素质和创新精神，为今后的工作和生活打下良好的基础。
另一方面，对于国家来说，在小学推广开源硬件教育是为人工智能走进小学提供了一种有效的途径，从小培养 AI人才。从长远来说有利于国家科教兴国的战略发展，为储蓄精英人才提供了后备力量，为我国走在科技前端提供了基础。
对于学生自身来说，学习开源硬件类型的课程可以帮助提升自己能力的同时也有助于升学，所以，在当前社会背景下要想开展开源硬件教育急需制定统一的课程标准，设计出适用于小学机器人教学的教学设计以及课程资源，本研究以小学的开源硬件教育为研究对象以 Arduino为教学平台结合相关教育理论拟设计出科学合理符合小学教育现状的教学设计和选择适合教学案例设计的课程。
研究方法
文献研究法：通过图书馆和数字资源库查阅和检索有关小学机器人教育、Arduino及教学设计相关的著作、硕博论文、学术期刊等文献资源，为本研究打下扎实的理论基础。
Arduino概念界定
Arduino是一款易于使用的开源电子原型制作平台。主要包含两个主要的部分：硬件部分是Arduino板，可用于电路连接;软件部分是Arduino IDE，即计算机上的程序开发环境。
理论基础
在沃森，桑德克和斯金纳之后，行为教学理论经历了新的变化，产生了一种新的行为主义教学理论——掌握学习教学模式
掌握学习是布鲁姆提出的教学模式，以确保所有学生都能实现它。掌握学习的准备和掌握学习的操作。
(1)掌握学习的准备。包括细化学习单元——确定目标——形成性活动测试——规划掌握标准等几个步骤。
(2)掌握学习的实施。拟采用分组教学的形式，根据细化后的教学目标实施教学。
(3)评定掌握等级。完成教学目标后，对每个学生的掌握情况进行评分。达到或超过预定掌握水平的学生可以获得A+等。
这一理论的主要缺点是学生需要花费较多时间来掌握教学内容。而我本次的教学设计主要参考了这一个“新行为主义的教学理论”，因为开源硬件的教学，是一个硬件与软件相结合的教学过程，所以不仅要求学生掌握理论性知识，同时还要结合硬件的操作。在这项研究中，“超声波测距仪”被用作研究的案例。[]
现状及存在问题
虽然说现有的实践可以为未来的实践提供了一定的参考价值。但是Arduino在小学的运用中，还存在如下的一些问题：
（1）在设备层面，目前学校拥有的的开源硬件设备数量严重不足，并很难保证每个学生都有一套设备。因此，团队需要共同使用一套设备。
（2）在教师层面，学校缺乏专业的开源硬件实力教师。
（3）在课程层面，开源硬件现有的课程体系不系统、不够完善。如果学生缺课的话就难以满足学习需求。
（4）在教学层面，由于学习者的时间和精力有限，项目的实施容易受到限制，导致学习深度不足。
教学模式设计
学习者分析
本研究的教学设计针对的是小学生，小学生的特点是活泼好动、课堂控制力差、知识储备量少等。
此阶段学生的学习风格：小学高年级的学生对于编程已有一点基本的能力，对于简单的板块也能清晰地理解，但是结合开源硬件，完成实际的效果出来需要一定的动手能力。
此阶段学生的学习需求：高年级的学生已经有一定的思维能力，因此在教学上，应软硬件结合，满足学生的需求。
此阶段学学生的学习情境：学生对新鲜事物非常好奇，考虑教学前设定相应的教学情境，以激发学生的学习兴趣。
教学目标分析
知识与技能目标：
(1)了解超声波测距的原理和基于IIC通信协议的LCD液晶屏的使用;
(2)认识和理解设备初始化；
(3)知道并能熟记本节课所需硬件：Arduino UNO、IO扩展板、LCD显示器、超声波测距模块等；
方法与过程目标：
学生通过看视频、动手操作、合作探究等活动，掌握和理解超声波测距的原理及基于 IIC通讯协议的 LCD液晶屏的使用，同时也发展学生动手、合作探究的能力。
情感态度价值观目标：
通过协作学习，提高学生小组协作的精神；
(1) 通过动手实践，增强学生对机器人的兴趣。
(2) 教学过程：
多媒体视频演示，介绍新课程，激发兴趣。
(1) 为了激发学生对探究的兴趣，作者在课前播放了一个名为“测量距离”的视频。并要求学生在接近或远离超声波传感器时考虑LED液晶显示屏上的数字有什么变化。在播放完毕之后随机提问学生，如果提问学生回答为数字为障碍物与超声波传感器的距离，笔者则继续提问：这个距离是如何测出来的？如果学生将传感器作为答案回答，那么进一步追问“什么是超声波传感器”和“传感器的功能是什么？”之类的问题，然后在本节中介绍一个新主题，同时揭示课题。
(2) 微课视频导入，讲授新知识。
(3) 为了使得学习取得理想的效果，笔者用微视频来介绍什么是超声波传感器，以及超声波测距的原理及基于IIC通讯协议的LCD液晶屏的使用。接着也是用视频介绍“超声波测距仪”是如何实现的，需要用到的软件有：Mixly。硬件有：Arduino UNO，IO扩展板，LCD显示屏，超声波测距传感器。硬件图 1和最终Mixly的程序图 2如下：
合作探究，编写程序，搭建硬件。
(4) 为了将上面获得的知识应用于具体实践，作者提供了Mixly和其他程序，以及Arduino UNO，IO扩展板，LCD显示器，超声波测距传感器和其他硬件。设计探究任务：通过软件与硬件结合，制作一个超声波测距仪，记录下所测的距离。并探究脉冲宽度检测方法。
展示交流，课堂总结。
(5) 根据教师安排的教学任务，邀请小组展示设计思路和成果，并在具体实践过程中谈谈自己的成果;其他学生在听的基础上对其进行评估，并提出修改和改进建议。展示成果阶段，教师应解释学生探究过程中出现的常见问题，总结和补充学生的解释，鼓励学生总结本课的操作知识、探讨问题的过程。
总结与展望
研究总结
Arduino是一个非常好的信息技术课程实践平台。基于Arduino平台将有助于更多学生打开学习视野，让他们不仅是学习者，也可以是创造者。但是目前Arduino在小学高年级的运用中还存在一些问题：如硬件设备数量不足，课程内容没有完整的系统。
不足与展望
由于时间和能力所限，本论文的研究还有不足与缺陷，有待在今后的研究工作中补充、修正和深入。另外，研究过程缺少科学准确的数字去支撑。在以后的时间里，笔者会继续完善，用更多的研究方法去研究以及设计一些调查来得出数据分析。
论文作者:彭海
论文发表刊物:《科技新时代》2019年1期
论文发表时间:2019/3/18
标签：学生论文; 开源论文; 硬件论文; 测距仪论文; 超声波论文; 小学论文; 教学设计论文; 《科技新时代》2019年1期论文;