基于STEM 的中职Arduino 机器人教学设计——以“实时温湿度检测器”为例

周志宏 柳州市第一职业技术学校信息技术系

1. STEM 教育

STEM 教育是将科学、技术、工程和数学四门学科内容组合形成有机整体，以更好地培养学生的创新精神与实践能力。STEM 教育理念源于美国，并且逐渐发展。如今，STEM 已经成为科学教育的发展趋势，主导着许多国家科学教育的研究方向与相关政策，促进了各国科学课程的改革。目前，我国在基础教育、尤其是中等职业教育阶段。STEM 教育提倡整合各领域的知识、技能，强调实践探究与工程设计。可以肯定，分科课程在系统、高效学习学科的基础知识和基本方法方面，有不可替代的优势；STEM 教育在综合运用知识解决实际问题，提高应对未来社会挑战的能力方面，有显而易见的发展前景。在学校课程中，确保综合课程与分科课程恰当互补，充分发挥各自的优势，是实施STEM 教育的前提。

2. Ard uion 机器人编程

Arduino 是2005 年由一个欧洲开发团队开发便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。包含硬件（各种型号的Arduino 板）和软件（Arduino IDE)。在硬件方面，Arduino 是一款印刷电路板。电路板上装有专用集成电路，并将集成电路的功能引脚引出方便我们外接使用。同时，电路板还设计有USB 接口方便与电脑连接。在软件方面，Arduino 提供了专门的程序开发环境Arduino IDE。其界面设计简洁，对于初学者来讲比较轻松上手，而且贴近现实，大大的激发了学生的兴趣。最大的特点就是Arduion 是一款开源的软件资源，并且其功能强大。

3. 基于STEM 的中职Ard uion 机器人教学设计

STEM 跨学科项目设计模式以问题或项目为中心，以某一具体教学任务为教学目标。由于 STEM 的跨学科属性，因而，在学情分析当中包括了教学目标分析、跨学科知识地图（图谱）分析以及学习者分析，目的在于明晰教学任务、学科间的关联和了解学习者特征。教学任务分析完成后，学习者和助学者则针对问题或项目完成一系列学习活动，包括资讯引入、 过程分析、尝试与答疑、小组讨论、任务再实施、展示与评价六方面的内容。

3.1 资讯引入

这个过程主要是激发学生的创作热情与兴趣，所以老师以任务驱动法的情景进行导入，让学生积极思考问题后能发挥想象。这些情景贴近现实，源于生活，能让学生从生活中得到启发，贴近生活与自然。比如开发温湿度实验中，我们可以从现实生活中的大棚蔬菜作为一个切入点，让学生能在实际应用中了解任务的实质性，增强学生的兴趣。

3.2 过程分析

画流程图，了解任务执行的过程。整个过程中，教师要确保任务的循序渐进，从易到难，层层递进。通过学生的学情分析，确定基础任务、拓展任务再到发展任务，能较好的对良构问题的解决逐渐过度到劣构问题的解决的方案实施。教师通过让学生画流程图，可以让学生明确本节课的重难点。

3.3 尝试与答疑

学生通过画流程图，了解任务的执行过程，头脑中已经有了一定的思路。这个过程中主要考察的就是学生对自己创意的发挥，是否利用新的知识点完成任务。这个过程中老师应该给予学生充分的时间进行探索。在一定时间内进行任务的尝试，加强同学对知识点的理解和掌握。而在这个过程，老师主要为辅导作用，指导学生完成任务，注重作品的“多样性”。真正做到以“学生为主体，教师为主导”的教育理念。

3.4 小组讨论

在这个过程中，老师可以采用螺旋式、迭代式的方法引导学生学习。此过程是在小组中进行展示自己的成果，也是属于一个任务实施过程。学生通过在小组内展示自己的成果，可以相互交流经验，相互学习。展示完后，学生总结程序执行成功的经验并且提炼知识点，寻找失败的原因并且找同学或者老师来解决问题，总结经验。通过这样，学生可以既可以验证知识的真实性，也可以巩固知识，使知识从量变达到质变，超越原有的认知水平，构建新的知识点。

3.5 任务再实施

教师通过学情分析，结合学生课堂任务完成情况，了解整节课中学生的差异性，给程序执行失败的同学继续完成基本任务，直至成功。而任务已经执行成功的学生，教师要确定好拓展任务给这些学有余力的同学，让他们进一步发挥自己的创意。比如开发温湿度实验中，学生已经完成了温湿度的监控，那么学生可以发挥自己的创意，如果温度高于40℃时，温度显示时亮绿灯等。这个过程中对学生的创新能力得到了提高。

3.6 展示与评价

这个过程中，老师把舞台交给学生，学生将自己的成果在班上与同学们一起分享。这个过程中，学生可以通过自评与他评进行组合评价，评价过程中以过程性评价为主，结果性评价为辅。通过这个过程，教师可以得出教学反思，明确学生本次课存在的问题以及收获。这个过程，对知识的巩固得到了提高。

4. 结语

STEM 教育目前在我国的教育领域中越来越受重视，Arduion机器人编程也在我们越来越贴近集成电路的开发。将两者结合在一起，充分利用STEM 跨学科的知识结构性，对学科知识以及项目设计进行总体规划，实现跨学科知识的均衡覆盖。充分利用以“学生为主体教师为主导”的教育理念，有针对性的改进措施，促进教学的多元化与专业化。