基于激光雕刻技术的Micro:bit校本课程开发与研究

国务院《新一代人工智能发展规划》中要求逐步开展人工智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育，建设人工智能学科，形成我国人工智能人才高地。然而，对大部分学校而言，创客教育缺乏系统的课程资源，这就对创客校本课程的设计和开发提出了要求。

一、校本课程内容选择

随着我国建设创新型国家过程的深入，培养创新型人才成为亟需解决的问题。教育界为此正在进行积極的探索。就目前的状况来看，创客教育属于一个新兴的理念，对如何落实到实践中属于摸着石头过河的状态。

有关创客课程的设计和实施，缺乏相应的课程标准，也没有相应的配套教材。目前市场上大多数的创客课程是由一些教育公司进行设计开发，但由于公司人员缺乏一线教学经验，开发出的创客课程并不能很好地落实到创新人才的目标培养上。

对于学校来说，创客教育面临课程缺乏、经费紧张的困境。大部分学校因为没有充足的资金购买设备，往往以社团形式规模开展创客课程，能够参加创客课程的学生不足学生总人数的十分之一。部分学校甚至因为各种原因不开展创客课程。如此一来，大量学生的创造性思维无法得到开拓和发展，这对社会和国家而言是巨大的损失和资源浪费。

目前中小学普遍使用的编程平台scratch相匹配的主流套件如Arduimo，Rasberry Pi等，一套设备动辄上千的价格令大多数勇于尝试却资金不足的学校、一线教师望而却步。即便花大价钱买来了套件，其中所包含的课程和能制作出的作品却是寥寥，无法满足长期发展的课程需要。

为了满足需求资金少、可发展性强这两个需求，本次研究选用价格低廉的Micro：bit进行相应课程的开发，同时使用耗材便宜易买的激光雕刻技术制作相应配套设备。既满足了以小经费购置开源硬件设备的需求，又能保证在不同环境场景下，可根据学生的创意设计，不囿于套件提供的材料设备，制作出个性化作品，具有很强的发展性。

希望通过本课程的开发，使得大多数中小学校能使用较少的经费开展创客教育或基于物联网的程序设计教学。并在教学开展过程中，不囿于现有的课程和配套硬件，而是可以根据教师和学生的创意，随时灵活地调整课程内容，实现创意作品的制作、调整和展示。我们相信，只有学生能把自己的创意变成现实，才是真正的创客教育，才能真正提升学生的学习水平和学习兴趣。

二、校本课程授课对象

基于激光雕刻技术的Micro：bit校本课程教学对象主要为小学四至六年级学生。这个年龄阶段的学生好奇心强、思维活跃、想象力丰富，有充足的课余活动时间，也喜欢自我表现，敢于尝试。

四年级的学生已经完成了一年的信息技术学习，有操作电脑的基本能力，能在教师的指导下进行简单的可视化程序编辑。五年级安排学生进行激光雕刻技术的学习。激光雕刻技术涉及矢量图的编辑，过程中需要在两三个程序中进行切换和导出，过程比较复杂。五年级的学生相对而言逻辑思维能力比较完善，大部分学生能在教师的引导下完成图形的设计和雕刻。六年级的学生经过两年的学习，不管是动手操作能力还是逻辑思维能力都有显著的提升，在这个学年安排学生进行项目化的创客作品设计，着重提升学生项目规划、图形设计、程序编程、激光雕刻、细节调整、运行测试、再调整、项目反思这一系列能力。基于激光雕刻技术的Micro：bit校本课程为学生提供了自我展示的舞台，并为以后更高层次的创客学习和实践打下了坚实的基础。

三、基于激光雕刻技术的Micro：bit校本课程开发

（一）课程目标

1.开发基于激光雕刻技术的Micro：bit校本课程

丰富传统基于Micro：bit自带传感器的程序设计课程，将程序设计从PC端扩展到手工作品。通过在课程编写过程中的头脑风暴和实践、试验，提升课题组教师的研究水平与实际操作能力，提高学校的创客师资水平。

2.实施基于激光雕刻技术的Micro：bit校本课程

程序设计不再局限于电脑，而可以制作出拿在手上、运用在生活中的实实在在的物品。学生能了解到编程与逻辑思维的美妙之处，知晓程序与物联网连接的方法，创作出可运用于实际生活的物联网设备，并亲身体验物联网对生活带来的乐趣和便利。在学习和实践过程中鼓励学生学以致用，激发学生的创造热情，培养他们从小养成学科学、爱科学、用科学的良好习惯。

3.调整、优化基于激光雕刻技术的Micro：bit校本课程

通过课堂实践发现校本课程设计中存在的问题，并解决问题，优化基于激光雕刻技术的Micro：bit校本课程，使中小学信息教室能运用该校本课程正常、有效地开展创客、基于物联网的程序设计教学活动。

（二）课程结构体系

根据学校教学的实际情况和学生的知识水平，我们将校本课程安排为六个学期的课程量，每个学期15课时，每周1课时。第一学期和第二学期基于Micro：bit编程校本课程学习，分为编程入门篇、外接传感器篇和编程进阶篇三个模块。第三学期和第四学期基于激光雕刻技术校本课程学习，分为简单雕刻篇、图形设计篇、进阶雕刻篇。第五学期和第六学期为综合项目实践，根据每组不同的情况，用两个学期的时间完成5～6个项目作品。

1.Micro：bit编程校本课程

（1）编程入门篇。让学生了解和熟悉Micro：bit的界面和基本操作，了解Micro：bit的特点和功能，学生能使用Micro：bit自带的按键传感器、温度传感器、振动传感器、光线传感器、LED显示矩阵点，制作简单的实用小程序。学生在这一阶段除了了解程序编辑的模块和一般逻辑外，还要能区分输入传感器和输出传感器。

（2）外接传感器篇。主要介绍外接传感器，如蜂鸣器、超声波传感器、红外线传感器、LED灯、外接按键传感器等。学生在这一阶段需要明确知悉信息从输入传感器进入，经过Micro：bit处理后，由输出传感器输出的流程。学生需要熟练连接传感器，且在运行发生问题时，判断出是由硬件导致的还是由程序导致的，有排除故障解决问题的能力。

（3）编程进阶篇。通过这个阶段的学习，学生需要熟练地运用传感器编写较为复杂的程序，掌握变量、列表、坐标、逻辑运算、对象等概念，设计出有创意、有使用价值的游戏或程序。引导学生充分发挥想象力和创造力，制作有个性的Micro：bit作品，并将作品与大家分享，感受创造的乐趣和成功的喜悦。

2.激光雕刻技术校本课程

（1）简单雕刻篇。学生能掌握激光雕刻的基本操作和基本原理，能熟练使用激光雕刻机制作简单的立体作品，如手机支架、木盒等。在制作过程中体会动手的乐趣，并能对平面图形转变为立体图形有感性的认识。

（2）圖形设计篇。学生能自行设计图案，通过网络寻找资源并熟练运用多个图形设计软件导出矢量设计图，并选择适合的材料进行雕刻。在雕刻时，学生能了解不同材料需要的功率和频率，并选择适合的功率和频率进行雕刻。

（3）进阶雕刻篇。学生能根据需要设计出适合

Micro：bit、传感器的大小和使用功能的木制或亚力克外框架，使装置能使用的同时不显露内部结构和线路，有一定的美观性，并能对外形做简单的装饰和设计。

3.综合项目实践

以需求为导向，教师提出某一使用需求，如制作一个小型乐器，学生以小组为单位，根据需求进行项目规划、图形设计、程序编程、激光雕刻、细节调整、运行测试、再调整、项目反思，最后得到项目成果，并在小组间进行分享和评价，通过交流，体验成就感和成功的喜悦，激发学生学习和创新的动力。

（三）教材编写案例

在编写每一课时，尽量以项目化的形式进行。四、五年级以教师引导为主，让学生形成项目的概念，了解完成项目的一般流程。六年级教师直接抛出问题，引导学生用不同的方法解决问题。学生以小组为单位，对教师提出的问题讨论、思考，得到初步方案。根据小组得出的方案，小组成员分工进行传感器连接、程序编辑、外结构设计和雕刻。运行程序，观察存在的问题并尝试解决;组合元器件和外结构，观察存在的问题并尝试解决。小组再次进行讨论，提出改进的意见，根据改进意见分工调整，重复上述步骤。最后在小组间分享成果，相互探讨经验和不足。

通过项目式学习，培养学生分析、想象、创新和解决问题的能力，促进学生独立思考、自主创新与合作交流。

案例：“感应道闸”是基于激光雕刻技术的Micro：bit校本课程“综合项目实践”中的一课，需要花费4个课时。

教学目标是通过感应道闸的设计，让学生了解感应道闸的基本工作原理，了解舵机的原理和基本工作方式，能通过程序控制舵机旋转。

1.创设情境，提出问题

在小区门口、商场门口，为了识别来车是否进入，我们一般会采取怎样的方法呢？播放视频展示。这个装置的名字叫作道闸，今天，我们要模仿这个道闸，制作一个简易模型。

2.开阔视野，分析探究

提问：在开始制作之前，我们先来分析一下，这个设备是如何运作的呢？要求学生以小组为单位展开讨论，得出结论：超声波传感器测出距离，交给处理器处理，处理器让杆子抬起来。

除了我们都认识的部分之外，这个设备还使用了一个新的设备：舵机。提问：舵机是什么呢？播放舵机介绍视频。得出结论：舵机是能够在平面内改变角度的驱动器，相当于机器人的关节。舵机就是控制杆子抬起来的重要设备。

通过前面的学习，我们已经知道，超声波传感器是用来采集“距离”信息的设备，信息被输入设备采集到，传到处理器，经过处理后再由输出设备导出。

首先，我们要完成两个任务：连接设备，并能够使用程序控制舵机运转。

（四）自主设计，搭建程序

1.连接舵机

舵机介绍——舵机是能够在平面内旋转角度的驱动器。

任务一：连接各个传感器

学生根据过去的学习经验尝试连接超声波传感器、电源和舵机，连接完成后，小组间相互检查和评价连接是否正确。

2.控制舵机运转

一般，我们通过控制脉冲的方式控制舵机的运转角度。控制脉冲的积木块是红色的，在红色的引脚木块中。脉冲和舵机运转角度的对应关系。

任务二：通过不同的脉冲控制舵机旋转

学生尝试设置不同的脉冲，观察舵机的旋转角度。调整脉冲，使舵机可以从平行位置旋转到垂直位置。小组成员讨论最适合的程序编写方式，并在小组间相互评价。

3.读取超声波传感器数值

通过之前的学习，我们已经知道如何读取超声波传感器的“距离”信息。如果“距离”<10，舵机旋转到90°，否则舵机旋转到0°。

任务三：通过读取超声波传感器数值，控制舵机旋转

学生尝试通过读取超声波传感器数值控制舵机旋转。在不断的测试过程中，学生反复尝试最适合的感应距离，实现当“汽车”开到道闸前时，道闸感应打开，停留一段时间后，道闸自动关闭。

4.调整数值，优化程序

提问：观察这个感应道闸的运动状态，有什么可以改进的地方吗？会不会落下得太快了？应该怎么办呢？

学生根据教师提出的问题，组内进行讨论，得出解决办法：停留几秒后再落下道闸，或者感应到道闸附近没有“汽车”后，道闸再落下，等等。每个小组根据自己的水平和预估的效果，选择适合自己小组的改进方法，在不断地调试中改进程序。

“读取超声波传感器数值”和“调整数值，优化程序”两个阶段因为需要学生反复测试和调整，所以会花费比较多的时间。完成这个环节后，安排班内分享，欣赏每个小组完成的作品，相互提出改进意见。

（五）设计结构，创新活动

1.测量尺寸，绘制雕刻图形

学生测量在前面环节中搭建的设备的尺寸，为设备设计适合大小的容器。教师需要提醒学生为各个传感器和充电口预留位置，防止遮挡超声波传感器读取数值或舵机的旋转。

任务四：设计感应道闸的外部结构

图纸和现实往往有很大差距，为了避免耗材损耗，教师可以引导学生多考虑容易遗漏的传感器位置、充电口位置、各个面拼接时需要的接口。在小组完成设计后，教师可以请小组其他成员检查图纸是否有明显的错误。

2.切割图形，尝试拼接

学生导出设计好的文件，导入激光雕刻机，设置适合的激光雕刻参数，开始切割图形。完成切割后，尝试组合感应道闸和外部结构，寻找其中的问题，并寻求解决方法。

3.反复调整，寻找最佳方案

在上一步的拼接过程中，学生往往会发现许多问题，如给传感器、充电口预留的位置和大小不够准确，设计出的外部结构无法容纳感应道闸所有元器件等。学生需要在本环节中多次反复设计，多次雕刻作品并尝试拼接，以求达到最佳的效果。

（六）作品展示，活动评价

小组完成作品后，轮流上台展示本小组的作品。教师需要引导学生从“效果展示”“作品亮点”“反思与发展”等几点出发，全面地介绍本小组作品的亮点以及在完成作品过程中付出的努力。其他小组需要认真倾听，并提出有效的评价和改进意见。

基于Micro：bit设计面向小学四至六年级的创客课程，在一定程度上丰富了基础教育中关于创客教育方面的研究，为今后创客教育的发展研究提供了可靠的实践基础。

参考文献：

[1]张琪.基于Micro：bit的小学创客课程设计与实践研究[D].武汉：华中师范大学，2019.

[2]王莉莉.基于Scratch+的小学创客校本课程的开发[J].中国信息技术教育，2020（12）.

注：本文系江苏省现代教育技术研究2020年度课题“基于激光雕刻技术的Microbit校本课程开发与研究”（82635）成果。

作者简介：王梦怡（1993—），女，汉族，江苏苏州人，本科，中小学二级教师，研究方向：青少年创意编程。