中学Arduino创客课堂环境新生态探微
张冬冬 蒋晓敏
摘 要：为解决以开源硬件Arduino为载体的创客课堂施教过程中出现的一系列问题，文章采用行动法和文献研究法，从硬件管理混乱、使用效率低、教师专业素养对接不准、网络空间支持下自主学习欠缺、课堂教授方式固化、课堂评价方式单一等问题出发，探讨了构建Arduino创客课堂环境新生态，为中学Arduino创客教育的普及与发展积累了丰富的经验，使创客教育在课堂教学中得到可持续发展。
关键词：Arduino;创客;课堂环境新生态
中图分类号：G434 ? ? ? ?文献标志码：B ? ? ? ? 文章编号：1673-8454（2020）12-0039-05
课堂环境新生态是指在教学中，与教学活动有关的自然环境、社会文化环境、人际关系环境、心理环境等相互作用产生的生态关系，形成一个有机整体。在课堂环境新生态中，只有参与者、教学设施、课程载体、课程内容、学习方式等因素达到教育生态平衡，才能有效促进教学目标的完成和教育理念的普及与延续。
一、Arduino开源硬件的创客课堂环境建设
1.硬件准备与分类
我校在信息技术创客课堂中使用的是定制的“Arduino开源硬件创客教育套装”，这个套装的硬件配备比较齐全，其中包括扩展板、Arduino Nano3.0、Dh11温湿度传感器模块、震动模块、光敏电阻模块、蜂鸣器、声音传感模块、130马达、RGB模块等传感模块和相应配件（见图1）。套件中配件和模块的数量较多，在现实中实现的功能也比较分散，如果以整套配件应用到课堂教学中会影响课堂管理，而且当前中山市中学生接触Arduino开源硬件的比较少，学生对设备不了解，可能损坏、丢失设备，对新事物的兴趣会造成学生可能不会按照课堂管理的程序进行学习等因素，从而影响教学的正常开展[1]。
为了解决创客套件准备的问题，需把所有创客套件进行分类整合：第一类，以小组顺序编排的套件盒子，里面是根据近期课程的进度放置好对应的模块。第二类，以模块种类进行分类，以模块名称为标签，重新装盒。这样就方便后期模块的补充和配件的更换。创客套件的分类整合不仅满足了创客课堂的需要，也为创客设备的管理找到了捷径（见图2）。
2.软件介绍与应用
Arduino是通过模块，像温湿度、人体红外、超声波等传感器来感知世界的，而通过LCD、LED、舵机等装置的反应来影响外部环境。这些感知和反馈都要通过Arduino程序语言控制这些模块之间功能的协调来实现，之后把设计好的程序烧录到Nano控制板，所以程序是硬件的灵魂，它决定了硬件以何种方式工作。
Arduino IDE是开源硬件Arduino的编程软件，可以用它编写程序，其语言基础是C/C++，不用太多单片机的知识。但对于没有接触过C/C++的学生来说，还有一款图像化编程软件名为Mixly，是由北京师范大学教育学部创客教育实验室的师生共同开发的，它是基于图形化的语言，通过各种图形的搭建实现程序的编写，为学生的程序编写带来了很大的便利，又能培养学生的编程思维，实现了人人都能写程序，程序人人都能懂的目的。目前该软件支持大部分Arduino的硬件型号。
在创客课堂的普及上，我们选择用Mixly软件编写程序，窗口中用图形编写程序的同时还自动生成Arduino代码，可以对照着图形学习Arduino程序，界面如图3所示。
3.创客课堂的设施设备
信息技术创客课堂要配备的设施设备，除了电脑桌椅、网络多媒体计算机、投影仪、功放音响、电子教鞭、课堂管理软件等之外，还要根据创客理念、创客课堂的特点等因素，对课堂的设施设备进行科学合理的需求评估，對影响课堂管理效果的设施设备进行增加或调整，对新加入的设备深入研究，使其功能在创客课堂教学中发挥到极致，具体设施如表1所示。
开源硬件创客课堂部分增加设施设备介绍以及在创客课堂管理中的功能体现具体如下：
（1）创客配套工具
创客课堂中所用到的辅助类工具，主要分为机械类、仪表类和粘合类，常用的有螺丝刀、小钳子、扳子、尺子、电路测量仪器、热熔枪、卡纸等工具。这些工具的应用可以增加课堂创作的效率。
（2）课堂直播教学设备
能进行视频直播的设备很多，效果和功能也不尽相同。在课堂教学实践中，我们应用了一款移动直播设备——微软的“无线显示视频适配器V2”（如图4所示），该设备不但体积小巧，而且只有HDMI和USB两个接口，HDMI实现同屏屏幕的视频接入，USB口进行供电，它使用的是Wi-Fi无线传输技术，实现屏幕与屏幕之间的传输，因此不受某些应用的限制。这个设备可以接到投影仪、一体机、电视机、显示器等用来演示的大屏幕上，要同屏的设备可以是笔记本电脑、平板电脑或者是智能手机。
在创客课堂上使用的是智能手机或者平板电脑，连接同屏设备和移动端同屏，用移动端的摄像头进行创客课堂直播，利用可移动设备灵活方便的特点，进行教师Arduino技术操作的直播、学生创客过程精彩瞬间的直播、学生操作不规范的直播、学生创客作品的分享直播等。直播的应用为Arduino创客课堂管理增色不少。
（3）自动课堂录制系统
根据本校创客课堂设备的配备需求，在原有信息技术课堂中加装了 “4K教学录播系统”，这套系统是由1个教师摄像机、1个双目学生摄像机、1台录播主机、1个教师主控端、2个拾音器和配套软件构成，能实现教师全景、教师特写、学生特写、教室全景、电脑画面的录制，而且这些镜头能自动跟踪，按照课堂角色执行任务的先后进行镜头的切换，最终自动合成课堂活动的整个过程。
该系统区别于传统课堂录制的特点是，全程不用辅助人员进行协助，既避免了前期的录像，也省去了后期的编辑，授课教师通过主控端的一键录制按钮就可开启录制，不仅能满足创客课堂教师进行常态性课堂视频录制，而且平时的课堂管理也培养了在场的学生、提高了自己的教授能力，同时也为以后要进行创客课堂教学的教师提供了可借鉴的经验，为创客课堂管理模式的推广打下了基础，如图5所示。
4.小组划分与座位编排
开源硬件的创客课堂是以微项目式的教学贯穿整个教学过程，学生的座位编排以小组为单位，本校的电脑桌和黑板是垂直式排列的，按照这种排列方式对学生进行编组入座，每组以3人为限，根据“同组异质、异组同质”的原则，安排男女生间隔一条龙座位表，每排座位结束处不足3人的独立成小组，正常以每小组中间座位的组员为小组长，负责创客套件的收发等管理工作。
小组成员分工根据成员的特长自主选定，在Moodle平台中填写“创客课堂项目小组任务方案”，任务明确后，不得随意更改个人任务。小组的分组方法是在Excel中进行的，拿到班级名单后按性别排序，添加一个辅助列，在辅助列中分别对“男”“女”性别进行奇数和偶数填充，如1、3、5……和2、4、6……再按辅助列进行升序排列，这样就实现了男女间隔，最后呈现给课堂中学生的为男女生间隔，且红色标记的为小组长，课堂座位的编排一目了然，实现了课堂纪律管理的以大化小，学生特点的相互补充，具体如表2、3所示。
5.创客课堂准则
具体准则如下：①按小组编排对号入座，没有特殊原因不得调换座位。②小组组长有分配项目任务的权利，且要负责小组秩序和设备的分发和回收。③每位学生都要爱护课堂设施设备，故意损坏者要加价赔偿，搭建Arduino套件時要在断电状态下进行。④课堂中禁止任何和网络游戏有关的活动。⑤离开课堂前自觉摆放好键盘和凳子。⑥下课前请自觉退出Moodle登录账号和网络认证账号。
二、教师自我能力的提升
一门新课程的开设，不仅包含着新知识、新教法、新经验、新应用、新目标，而且还包括新理念和新管理。教师不仅仅要钻研学习、深入实践，更要走出去、请进来，去创客示范学校多交流、多见识，请专家教师讲授Arduino专业知识、课堂管理的经验和常见问题，不断开拓自己的视野，提高自己的专业素养。并带动其他教师一起了解Arduino开源硬件创客课堂，一起研究开源硬件的专业知识，一起探讨创客课堂管理经验，逐步形成开源硬件创客课堂研究的“共同体”，利用集体智慧提升团体的专业能力。
除此之外，还要进行课外兴趣班的组建和培养，以参加创新创客大赛为支点，以培养学生创新创造能力为目的，以影响创客课堂文化为前提，让在创客方面有兴趣、有特长的学生得到充分发展。这样就形成了创客课堂课上普及、课外突破的好局面。教师自己也在课堂管理和教学实践中得到提升。
三、Arduino创客课堂环境新生态初步形成
1.教师专业素养要先行
在创客课堂管理过程中，教师是参与者、引导者、鼓励者，教师的专业素养直接影响着课堂管理的效果。创客课堂把自主权交给了学生，但中学阶段的学生各种行为观念还处在形成变化的不稳定阶段，而且信息技术课程的性质、课程内容的兴趣度、相对自由的互联网环境等都增加了课堂管理的难度，所以教师的专业素养显得至关重要。
首先，教师要有眼界，要站在把握创客课堂全局的高度，引领课堂管理的理念、瞄准课堂管理的方向、明确课堂管理的目标;其次，教师要具备专业的信息技术实战能力，要对开源硬件Arduino创客课程有足够的了解，才能把握好课程知识体系和重难点。这些重难点往往就是课堂学习的“十字路口”，教师的指引犹如黑夜中为学生点亮了一盏明灯;最后，教师要有对课堂的把控能力、生动有趣的语言亲和力、随机应变的协调能力、科学合理的组织能力等，都能影响到课堂管理的效果。
开源硬件Arduino才刚刚走入中学课堂，要对创客课堂管理的教师制定专业的发展计划，多交流、常研学、深实践，让教师的专业素养提升走在课堂管理的前面。
2.合理的项目式教学内容设计
开源硬件Arduino创客是信息技术课堂中的新课程，《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》的课程结构中第一次把“开源硬件项目设计”写入了选择性必修模块，但是相应配套教材还没出版，这样对项目式教学内容的设计增加了难度。我们在走访开源硬件实验学校、参加开源硬件的专题培训、购入开源硬件Arduino创客套件进行深入研究基础上，根据课程标准的要求，认真考虑本校学生层级、教学环境等情况，研发了基于Moodle平台的Arduino创客校本课程，课程开发的思路遵循程序设计学习的一般规律，以微项目为主要课程内容承载方式，注重课程知识体系之间的联系、注重微项目的兴趣性和完成度。例如，从创客的源渊说起，顺序结构—会跳舞的LED灯，选择结果—制作一个“暗号”门铃，循环结构—想起美妙的曲子，认识传感器完成自主项目，开发有创新点的智能家居等课程内容设计。
3.期待更好用的Arduino电子硬件的诞生
在本校的课堂实践中，笔者发现Arduino开源硬件还存在以下一些不足之处：
首先，拿在手中的扩展板和各种模块都是裸露的电路，开课初期出现了大量扩展板微处理器被烧坏的现象，这种现象的出现可能是操作不当、短路、电子设备质量问题、电路板设计缺陷（没有电路保护开关）等问题，后来在实践中发现大多是因为带电插拔模块造成的。
其次，Arduino开源硬件的引脚插线问题，数字和模拟引脚分别由G（底线）、V（电压）、S（控制）三根针构成，而且之间距离很小，这样就给插线带来了难度，在考验学生耐力的同时也浪费了时间。如果设计成热插拔的标准接口，就可以把连线的精力放到创意和程序设计方面，这种更人性化的电路板设计相信很快就会有。
4.培养良好的课堂秩序
课堂秩序也是影响课堂管理效果的重要因素，课堂是学生和教师的双边活动，好的课堂秩序能为教师的课堂发挥提供有力的条件，也能培养学生自律的习惯。课堂纪律、学生合理的座位编排、师生积极的课堂交流、生生深入的协助分享等，都是影响课堂秩序的因素。
夸美纽斯在《创建纪律严明的学校的准则》一文中提到：准则制定出来不是供人欣赏，而是要被切实地执行才能起到作用。[2]影响课堂纪律的因素很多，但课堂纪律准则的严格执行能最有效地维持课堂纪律。根据男生易动、实践操作能力强和女生易静、思维缜密的特点，把男女生隔开编排座位，并分小组且指定小组长，小组长负责本组Arduino开源硬件的管理和小组组员职责的分工。鼓励学生大胆地提出问题，创造和谐的课堂气氛。良好课堂秩序的养成重在遵循课堂管理准则的前提下，多鼓励、多引导，提高学生从“他律”到“自律”的转变。
5.用直播的方式点评，增强课堂的互动性和趣味性
美国学者沃勒在研究教学过程中的师生关系时，强调师生关系是一种制度化的“支配—从属”关系，彼此之间含有潜在的对立情感，不断进行着权力斗争。[3]课堂中有趣真实的互动可以烘托课堂气氛，拉近师生关系，提升学生的自信，改善这种潜在的对立关系。
Arduino创客课堂中存在很多有趣的创作瞬间，把这些瞬间用移动终端进行实时直播，比如：某个小组有了新奇的模型搭建，某个学生编出了高效的程序，某个小组完成了项目制作，某个学生犯了严重的错误等等问题，都可以用直播的方式展现到课堂中，直观、高效、生动地总结了课堂中学生作品的优缺点，让课堂的评价更灵活、更能被大家接受。
6.多元的课堂评价方式，促进每个学生的发展
及时客观的课堂评价，能给学生的学习带来很大的帮助，对学生的创客课堂进行多角度的评价，不仅有教师的评价，也让学生参与其中。不仅有实践作品的评价，同时也有Moodle平台下理论知识点的测评，作品评价和知识性评测按照一定的比例构成了本项目的评价。总结性评价也不仅仅是由学期末最后一次课堂中的项目评价而定，而是在课堂教学中每次项目评价的平均分。最终形成以教师评价、学生自评、学生互评、Moodle在线评测相互结合的评价方式。这样在整个课堂活动中，让学生参与到自评和互评中，充分发挥学生在课堂中的主观能动性，在互评的过程中也培养学生发现问题、解决问题的能力，同时可以互动交流、增进友情。
7.鼓励学生用课堂作品参加科技创新创客大赛
鼓励学生参加科技创新创客大赛，参加大赛的过程就是学生综合素质提升的过程，不仅有利于创客课堂中学生对自己的严格要求，课堂学习氛围的提升，而且能让学生和课堂产生更大的默契，用榜样的力量激励学生，产生学生影响学生的现象。获奖的学生增加了实战经验，也为创客课堂的可持续发展贡献了力量。
参考文献：
[1]张冬冬.Moodle平台支持下的高中Arduino创客教学模式探索及实践[J].中国教育信息化，2020（4）：39-42.
[2]汪辰欣.如何看待课堂纪律——夸美纽斯论纪律的启示[J].学理论，2013（20）：227-228.
[3]李國强，周月朗.关于教师权威功能的主要理论取向之审视[J].湖南人文科技学院学报，2004（5）：129-132.
（编辑：李晓萍）
