基于Arduino的智慧课堂教学模式研究

吴 艳 王庆丽 赵 琦

(1.镇江市外国语学校西津渡校区，江苏 镇江 212002；2.临沂市河东区梅家埠街道办事处，山东 临沂 276024)

智慧课堂是当前教育信息化发展的战略要点。《中国教育现代化2035》指出要利用现代技术加快推动人才培养模式改革，实现规模化教育与个性化培养的有机结合。《教育信息化2.0行动计划》则进一步强调要构建智慧学习支持环境，大力推进智能教育，开展以学习者为中心的智能化教学支持环境建设等。因此，现阶段探索智慧课堂如何开展无论是对于理论的进一步深化，还是对实践推广，都具有一定价值意义。镇江市外国语学校西津渡校区(简称“镇外”)自2016年引入智慧课堂教学以来，大力开展智慧课堂与学科教学融合，并取得了一定教学成果。本文基于这几年学校的实践经验，展开研究和探讨。

一、智慧课堂与Arduino的概念界定

智慧教育最早源于IBM提出的“智慧地球”战略构想，试图利用物联网技术、移动通信技术、传感技术实现万物的互联互通。随着这一构想的提出，“智慧城市”“智慧医疗”“智慧教育”等概念纷纷涌现。作为与传统课堂不同的新型课堂，智慧课堂是以传感技术、通信技术、人工智能技术、3D打印技术为载体的虚实混合的课堂环境。[1]为了研究和开展智慧课堂，“镇外”引入了Arduino课程，并开始探索基于Arduino的智慧课堂。Arduino不仅是全球最流行的开源硬件，也是一个优秀的硬件开发平台。Arduino包含了硬件和软件，它能通过各种各样的传感器来感知环境，很好地体现智慧课堂中传感技术、通信技术等技术特征，对于培养学生的探究能力、创新能力有重要价值。

目前虽然许多学校开展智慧课堂，但相关教师在实践过程中没有遵循发展学生创造能力的设计原则，教学设计活动很大程度上与传统教学活动没有区别。另外，基于Arduino的学习也只是看说明书组装完成任务，没有激发学生的创造力和探究力，最终导致智慧课堂整体定位模糊、目标方向混乱、成效不显著等问题。虽然国内一些学者关注到智慧课堂的教学设计模式，如刘邦奇的“三段十步”法[2]、尹苗基于ADDIE的教学设计框架[3]，但整体而言缺少针对某种技术的设计研究，如Arduino。因此，本研究试图回答“智慧课堂的教学设计应遵循哪些原则、以Arduino为平台的智慧课堂具体教学模式是怎样的”这两个核心问题。

二、智慧课堂的理论基础与设计原则

智慧课堂的主要理论包括认知学徒制理论和项目学习理论。认知学徒制理论是智慧课堂教学设计的基础，强调以问题为中心，通过提供复杂的情景，促进学生知行结合，使学生成为学习的主体。项目学习理论则是智慧课堂教学设计的具体依据，主张学习内容应是真实情景中多学科知识交叉的问题，并且该问题是学生有能力进行探究的。项目学习从发现问题开始，教师与学生共同在完成项目的过程中，确定问题、设定目标、寻找策略、总结反思等，最终产出项目方案或产品。基于这些理论，智慧课堂的基本教学设计原则主要包括以下几个方面：

1.以“创”为设计核心

在基于Arduino的智慧课堂教学中，很多都是教师讲解或演示一个案例(如光线传感器控制 LED 灯光亮度)，学生跟着模仿制作相同的作品，这偏离了创新创造的本质。智慧课堂的重心在于“创”，而不是“照样子造”。教师要利用人工智能创新人才培养方式，激发学生创新精神与实践能力。当然，教师也不能脱离“造”而抽象地学习“创”。“造”是“创”的基础，只有掌握了设备的运作原理、组装方式等，才有可能实现创新创造。因此，教师在教学设计时既要提供结构化、封闭化的基本知识技能指导，同时也要给予学生足够的探索空间、提问空间、反思空间等。

2.以“问题”为根本导向

基于Arduino的智慧课堂强调以“问题设计”为根本导向。问题是激发学生兴趣、形成知识聚焦的重要载体，其中问题的情境一定要真实、具体，与生活存在密切的联系。情境认知理论认为，基于现实世界的真实情境是学习者学习的基本条件，任何脱离特定情境或场合的知识都是毫无意义的。[4]传统课堂的Arduino课堂之所以死气沉沉、学生没有兴趣，主要原因就是课堂问题只是简单地组装或者围绕一些操作问题展开，学生体会不到学习的价值和意义。因而基于Arduino的智慧课堂一定要围绕真实问题和现实情境展开教学设计；同时教师也要进行必要的角色转变，不再是“教知识”，而应该是作为问题解决的引导者、促进者和帮助者。教师在教学设计时要围绕发现问题、聚焦问题、分析问题、解决问题来设计内容、组织材料、选择策略等。教师应避免只教学生进行“造”，而要更进一步去创设合适的情境，引导学生通过自主学习、师生互动、小组合作等形式来解决问题，进而在实践中提高创新能力和问题解决能力。

3.以“任务”为学习载体

基于Arduino的智慧课堂强调学生的课堂参与，教师在教学设计时一定要避免“长篇大论”“纸上谈兵”，要利用任务活动倒逼学生动笔、动手、动脑。如通过图样设计、方案撰写、组装拼接、测验调试、展示分享等一系列活动，充分发挥学生的积极性、主动性，不至于因为没事做而发呆、开小差等。其次，教师在设计任务时要遵循由浅入深、由简单到复杂、由应用到迁移的递进关系。例如教师在任务量上，可以将课堂的总任务分割成几个小任务，每个小任务的复杂性和综合性逐步增加；在教学支持上，可以前面进行示范演示，后续的任务逐渐撤去支架，让学生自主完成。另外，教师在教学设计时，一定要注意处理自主学习和小组合作之间的关系，既要给学生独立思考、自主完成的空间，同时也要有合作交流、共同完成的项目体验。尤其要注意避免因为小组合作而消解了自主思考的机会，因为少数优生的存在，而使普通学生可以浑水摸鱼、滥竽充数。每个学生在课堂中都应该有属于自己的任务和活动，每位学生通过这个课堂都应该有相应的提高和进步，学习的权利和机会开放给每位学生。

三、基于Arduino的智慧课堂教学模式

结合智慧课堂的设计原则及教学实践，“镇外”将基于Arduino的智慧课堂的教学模式分为工具准备、创设情景、发现问题、制订方案、交流探讨、产品制作、成功分享、评价反思八个步骤，下文将结合“智能家居控制”这一案例进行说明。

1.工具准备

为正常进行该学习活动，教师需提前进行一定的资源准备：提供Arduino：Arduino UNO R3；相关元件：面包板、数个JY-MCU蓝牙无线串口模块、USB线、接线、数个继电器、数个IR发射器、网络接口板、数个不同阻值的欧姆电阻等；Arduino相关函数的使用方法、IR发射器、网络接口板、继电器、蓝牙及相关资料等。

2.创设情境

根据学习活动主题，创设真实的或者接近于真实的情境，这对激发学生的学习兴趣以及创新意识的培养有着重要作用。教师可创设如下情境：展示带领学生参观智能家居展时的相关资料，引发学生对智能家居的兴趣，使其萌发体验智能家居的想法。随后引导学生进行思考：能否用Arduino实现智能家居体验？如何去实现这种功能呢？在这一过程中，教师不只是提供一个情境，其核心目的在于让学生能够置身于智能家居这一背景中，去思考智能家居的“智能”体现在哪些方面，是更安全？更方便？还是更经济？学生要像从业者或专家一样思考如何满足客户的需求、如何带给他们更好的体验等。如果纯粹告诉学生“今天的任务就是完成这个电路设计”，学生的思维就会局限于电路能否工作，但引入情境之后，学生就会有更多社会层面的、人文层面的考量，真正体现设计感，涌现“创”的味道。

3.发现问题

问题是贯穿整个学习活动的主线，教师要帮助学生提炼问题的核心要素。在实践教学过程中，我们建议先从问题的目标分析开始。在传统课堂中问题的目标状态几乎都是给定的，例如“求方程的解”“按照电路图完成实物安装”。但在真实情境中，“如何用Arduino实现智能家居体验”目标状态是未知的，根本没有给定的要求和是非判断。问题的解决目标隐藏在学生对于智能家居的理解中，因此，教师可先组织学生讨论智能家居的特点，例如系统控制、操作简单、材料经济、相对安全等。在这过程中，主要的目的是开拓学生思维，因此建议教师给予学生安全舒服的心理氛围。课堂越是自由，越有利于学生分享观点和看法。当然，并不是所有目标都能实现，问题的解决也依赖于既有材料和学生水平，因而，下一步工作就是组织学生讨论哪些目标是可以实现的。学生可以结合已有材料，初步分享自己的设计思路和想法。通过这两步教学活动，学生就可以聚焦智能家居的关键要素，从而使问题具体化。

4.制订方案

制订方案是问题解决过程中的重要步骤，它在某种程度上直接决定最终结果的成功与否，因而教师必须通过教学引导确保学生能够认真对待方案设计。我们总结了这一环节有效的几种教学策略：一是4～5人展开小组合作，成员过多或过少都不利于项目的开展。分组后，先每人独立完成方案设计，然后组内交叉评议，选出最合理的方案或者先进行组内分工，按照问题分解、方案设计、文字撰写等形式进行角色分工，共同完成方案设计。二是引导学生按照“功能—电路—材料”的思路撰写方案设计，并仔细核查可行性。三是同一个问题有不同的解决方法，但并非所有的解决方法都可行，教师需要进到每个小组，检查或评估方案的可行性。

5.交流探讨

生生、师生之间要进行合作交流，教师需鼓励学生主动探索，让学生完成意义建构，这才是真正的学习。每个步骤的实施过程中都可能出现困难，教师要引导学生解决困难。对于学生确实解决不了的问题，可以为学生提供线索或者引导学生搜集相关材料，而非直接告诉学生解决办法。传统教学中，交流探讨似乎更多地集中于师与生的互动，并不关注生生互动，而且教师一般都是有问必答。新课改强调“把课堂还给学生”，那如何还呢？我们结合实践经验总结了几种方式(如表1所示)。

表1 交流类型整理

6.产品制作

制作是思维、方案具象化的过程，也是培养学生动手能力、实践能力的关键。在制作过程中，学生可能会遇到许多问题，教师需要反复思考和总结学生遇到的常见问题，尽可能地整理成资料，在需要时提供给学生，这样能培养学生自主解决问题的良好习惯。该案例中硬件方面可能需要的资料包括IR发射器、继电器、蓝牙和网络接口板的使用方法等；软件上有Arduino引脚的连接方式、pulseIR()函数、delayMicroseconds()函数的调用方式以及故障排除方法等。

7.成果分享

现代社会不光强调“埋头苦干”，还需要学会如何将“产品推销给别人”。成果分享的方式有很多种，例如可以采取展览会、报告会等形式。如果说制作培养的是学生的动手能力，那么成果分享则强调的是语言表达能力、演说能力等。学生要关注汇报的逻辑性、清晰性、流畅性，以吸引听众兴趣。教师甚至可以引导学生采用制作PPT、视频等形式来辅助汇报，从而增加项目的真实性、趣味性，而不是简单地完成任务。对于有新意的作品，教师也可以引导学生参加竞赛，更有利于调动学生的积极性。

8.评价反思

普通课堂可能关注的是知识掌握，但基于Arduino的智慧课堂强调的是问题解决，也就是它的评价对象应是围绕着问题解决展开来的一系列过程，如方案设计、产品制作、小组合作、成果分享等，它强调过程与结果的统一。在具体的操作上，教师可以根据上述的评价要素细化为评分表，采用自评、互评和师评相结合的形式进行。表2是评分框架示例，教师可以结合具体案例进行调整和改编。

表2 评分框架示例

目前智慧课堂的实践大多“重建设、轻应用”，缺乏对于教学模式、教学设计等的探索，这也导致了信息技术与学科教学融合困难，深层次的教学效益始终无法取得。“镇外”虽然经费有限、智慧课堂的实践规模也不大，但通过聚焦教学模式、做精做细每个教学环节，取得了良好效果，成为镇江市唯一一所被评为“中央电化教育馆智慧课堂应用创新试点”的学校。