STEAM 视域下重构小学Arduino 创意编程课堂——以“安全防疫距离监测小卫士”为例进行分析

◆广东省深圳市坪山实验学校 徐广情 谢天侠

2017 年7 月国务院印发的《新一代人工智能发展规划》明确指出，在中小学阶段设置人工智能相关课程，在人工智能中，核心的一环无疑是编程。在培养创新型人才的背景下，编程教育作为培养信息时代青少年基本素养的重要途径，在全球范围内得到了高度重视与广泛普及。

目前，深圳、广州等城市编程教学体系较为完善，兼具趣味性、启发性和迁移性。广东省小学信息技术教材中包含Scratch 和ArduinoScratch图形化编程学习内容，Scratch 和ArduinoScratch 这两款面向青少年的图形化编程学习工具简单易学，能够综合运用多门学科知识进行项目教学，符合STEAM 教育主张跨学科来培养学生综合能力的教育理念。

STEAM 教育是指科学、技术、工程、艺术、数学多学科融合，帮助学生发现学科间内在联系的教育，注重培养学生跨学科能力。小学信息技术教材中编程的内容编排注重各单元与不同学科知识结合，每节课要求重点讲授不同的脚本，让学生理解脚本逻辑，理解编程思维。

笔者通过研究STEAM 教育的核心理念与小学编程课堂特点，结合疫情防控的探索实践，以“安全防疫距离监测小卫士”为例搭建基于STEAM教育的小学编程课堂，展开小学编程课堂整合多学科知识的综合性研究。

一、项目原理

防疫期间，如何更好地保护自己？人们普遍做到了戴口罩、勤洗手，但是在出入相对密闭或人群聚集的场所时总忘记与他人保持一定的距离。安全防疫距离监测小卫士能有效提醒用户与他人保持1 米以上的距离，避免与他人近距离接触，潜移默化中做到主动配合疫情防控。

安全防疫距离监测小卫士利用超声波检测与障碍物之间的距离，超声波传感器是根据超声波碰到障碍物会反射的原理设计的，通过记录发射信号和接收信号之间的时间差来计算与障碍物之间的距离。

二、任务设计

教师以STEAM 教育理念为核心创设防疫距离监测的教学情境，引导学生分析防疫学习主题，进行ArduinoScratch 与Arduino 开源硬件交互学习和应用，增加同编程软件进行交互的拓展模块，增强与外部环境交互。

学生讨论后在Arduino 开源硬件与ArduinoScratch 图形化编程的基础上利用结构积木、电子模块、编程软件等技术工具实现超声波测距功能，通过控制灯光反馈或影响环境。为增强装置效果，他们提出增设蜂鸣器拓展功能模块，实现距离动态监测。他们大体上设计了两种方案：1. 无声装置：当检测到与前方物体距离小于1米时，LED 灯闪烁报警；2.有声装置：当检测到与前方物体距离小于1 米时，蜂鸣器报警。

三、材料工具

软件：图形化编程软件ArduinoScratch（在Scratch 软件的基础上增加了Arduino 模块）

硬件：主控器AS-Board-A 测控板、传感器模块——超声波测距模块、执行件模块——LED 灯模块和有源蜂鸣器模块、数据线材、电机、万向轮、结构件和工具类硬件。

四、实施过程

安全防疫距离监测小卫士制作过程依据斯坦福大学设计学院归纳的设计思维分成五大步骤，执行装置包括无声监测装置和有声监测装置。

1. 同理心思考

教师引导学生思考在哪些场合会与他人近距离接触，可以收集相关信息或列举亲身经历的例子，让他们想一想：如果要避免这些情况发生，防疫防控从我做起，应该采取什么措施？

2. 需求定义

从学生的信息反馈中可以看出：搭乘公交、地铁等公共交通工具，超市购物、进出电梯、排队等候等情况下容易忽视安全距离的重要性。在收集调查信息的基础上，提出及时避开密闭空间、避免在人群聚集地与他人近距离接触这一需求，明确安全防疫距离监测小卫士项目的重要性。

3. 创意构思

学生根据“安全监测”的需求进行头脑风暴，跳出思维局限，打破常规，提出各种金点子，比如制作成手环、项链、胸章，进行语音提醒、灯光闪烁等。

4. 模型制作

学生运用在信息技术学科中学习的图形化编程知识和传感器相关知识来制作简单的模型，进行小规模的环境或过程的简单模拟，比如设计无声监测装置和有声监测装置，或者集成这两种装置。

5. 测试

制作模型后，教师组织学生在不同的模拟环境下测试问题是否得到解决，需求是否得到满足，记录学生在测试阶段产生的不同想法或新问题。这有利于重新定义问题需求，改进作品。

五、反思与评价

在安全防疫距离监测小卫士实际模拟情景中，学生配戴距离监测装置，如果采用有声装置，就会大范围影响大众；如果采用无声装置，则提醒级别不是很高。

六、改进与完善

1.目前我校实验室提供的超声波传感器检测范围有限，为0.5 米～2.5 米，所以在设计时设定1 米的测试距离。也可以根据传感器来设定预测值。

2. 将提醒模式拓展设计为振动模式，支持手动切换提醒模式。

七、STEAM 要素对接

科学原理：安全防疫距离监测小卫士启动后，利用超声波传感器有效监测与物体之间的距离，当距离超过预设值时，无声装置LED 灯关闭，有声装置的状态是蜂鸣器不鸣叫；当距离较小时，无声装置LED 灯亮起，有声装置的状态是蜂鸣器鸣叫，提醒人们与他人保持安全距离。

科学知识：LED 灯又称发光二极管，可以将电能转化为光能，具有低功耗、高亮度的特性，用于照明、信号指示等。蜂鸣器是通过电信号控制发声的模块，可以发出不同的音调。

技术难点：编写实现程序脚本，设计组装传感器相关模式装置。

设计思维：斯坦福大学设计学院归纳的设计思维。

工程应用：倒车雷达系统、危险地带安全警报、机房重地安全警示等。

艺术化呈现：制作手环、项链、胸章等穿戴产品。

八、总结与思考

教师着重贯彻以ArduinoScratch编程为技术基础， 重构信息技术课堂和机器人社团课堂，运用STEAM 教育理念，加入头脑风暴、工程建模、艺术设计、创客造物等多学科融合环节，进行交互性情景教学，让学生从重构课堂中获得编程知识，培养创造性解决实际问题的能力，在“做中学”的过程中收获编程乐趣。