基于Arduino的研究性學(xué)習(xí)教學(xué)研究

曾蓮娟

摘? ?要：研究性學(xué)習(xí)可以有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，文章以研究性學(xué)習(xí)的實(shí)施階段為指導(dǎo)，將Arduino融入高中物理研究性課題中，通過(guò)教學(xué)案例展示基于Arduino的研究性教學(xué)的一般流程，為其他研究性課題教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：研究性學(xué)習(xí)；Arduino；水位報(bào)警器

自2001年4月起，研究性學(xué)習(xí)開始作為必修課被納入高中課程，至此高中階段開始逐漸開展研究性學(xué)習(xí)[ 1 ]。研究性學(xué)習(xí)要求教師為學(xué)生創(chuàng)設(shè)開放的問(wèn)題情境，提供獲取知識(shí)的各種途徑以及解決實(shí)際問(wèn)題的機(jī)會(huì)，以培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題解決能力。研究性學(xué)習(xí)的開展目的在于改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。近年來(lái)，普通高中開始逐步實(shí)行綜合素質(zhì)評(píng)價(jià)，要求學(xué)校為每位剛?cè)雽W(xué)的高中生建立綜合素質(zhì)評(píng)價(jià)檔案，收集相關(guān)的事實(shí)材料并上傳，實(shí)事求是地記錄學(xué)生各方面的發(fā)展情況，教育評(píng)價(jià)方式的轉(zhuǎn)變進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了高中研究性學(xué)習(xí)開展的重要性。

研究性學(xué)習(xí)是以社會(huì)、生活和自然中的問(wèn)題作為研究專題，通過(guò)學(xué)生自己查找學(xué)習(xí)資料、學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)、最終應(yīng)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的學(xué)習(xí)活動(dòng)。研究性學(xué)習(xí)的實(shí)施一般可分三個(gè)階段：進(jìn)入問(wèn)題情境階段、實(shí)踐體驗(yàn)階段和表達(dá)交流階段[ 1 ]，本文以研究性學(xué)習(xí)的實(shí)施階段為指導(dǎo)，以“Arduino水位報(bào)警器”的研究為例，將Arduino融入高中物理研究性課題中，總結(jié)基于Arduino的研究性學(xué)習(xí)教學(xué)的一般流程，以期為其他研究性課題教學(xué)的開展提供參考。

1? 進(jìn)入問(wèn)題情境階段

1.1? 確定研究課題

本階段要求師生共同創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生在情境中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而確定研究課題。情境來(lái)源于生活實(shí)際，是能夠引導(dǎo)學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)生探究欲望，有價(jià)值的真實(shí)情境。如在生活中，很多城市會(huì)因?yàn)榻涤晏鞖鈱?dǎo)致道路積水，而有些車輛沒有安裝防浸水輔助系統(tǒng)，司機(jī)在行駛過(guò)程中很容易因道路積水深度判斷失誤，造成發(fā)動(dòng)機(jī)浸水，出現(xiàn)車輛損壞、人員被困的現(xiàn)象[ 2 ]。該情境來(lái)源于生活實(shí)際，學(xué)生在情境中很容易發(fā)現(xiàn)，要解決誤判問(wèn)題就需要一套報(bào)警裝置，由此自然地引出課題“水位報(bào)警器”的設(shè)計(jì)。

其次，調(diào)用學(xué)生原有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，分析目前研究的不足，從而確定研究課題的范圍或研究題目[ 1 ]。為學(xué)生提供利用電磁繼電器控制的簡(jiǎn)易水位報(bào)警器原理圖[ 2 ]（見圖1），分析該水位報(bào)警器的原理，討論其中的不足之處，如紅、綠燈信號(hào)不夠顯著，司機(jī)容易忽視報(bào)警信號(hào)；報(bào)警信號(hào)單一，不能顯示水位信息等。在分析研究不足的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改進(jìn)，確定研究題目為：設(shè)計(jì)一款“Arduino水位報(bào)警器”。

1.2? 提供研究案例

2? ?實(shí)踐體驗(yàn)階段

2.1? 學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)

查閱相關(guān)資料，自主學(xué)習(xí)是實(shí)踐體驗(yàn)的一部分，教師在學(xué)生自主學(xué)習(xí)過(guò)程中是組織者，組織學(xué)生搜集資料，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)與研究課題相關(guān)的知識(shí)。首先，要求教師為學(xué)生提供查閱資料的途徑，如B站、各種交流網(wǎng)站、Arduino官方學(xué)習(xí)網(wǎng)站、書籍等，為學(xué)生指引正確的學(xué)習(xí)方向。其次，劃定學(xué)習(xí)內(nèi)容，了解Arduino程序與驅(qū)動(dòng)的安裝、Arduino UNO板的連接、UNO板工作電壓、UNO板上各個(gè)接口的功能和特點(diǎn)、各種元器件的功能和連接方式、學(xué)習(xí)相關(guān)程序代碼的含義與實(shí)現(xiàn)方式等等。

2.2? 確定設(shè)計(jì)方案

通過(guò)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)后，組織學(xué)生討論或者查閱資料尋找靈感，發(fā)揮小組每個(gè)成員的聰明才智，設(shè)計(jì)“Arduino水位報(bào)警器”，確定設(shè)計(jì)方案。

2.3? 進(jìn)行產(chǎn)品制作

確定課題研究方案后，學(xué)生將進(jìn)入制作產(chǎn)品階段，產(chǎn)品的制作過(guò)程實(shí)質(zhì)是學(xué)生解決問(wèn)題的過(guò)程。在學(xué)生的實(shí)踐過(guò)程中，必然會(huì)遇到這樣或那樣的問(wèn)題，如學(xué)生在連接電路時(shí)出現(xiàn)電路連接失誤或者某個(gè)元器件的代碼書寫錯(cuò)誤，就會(huì)達(dá)不到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果（如蜂鳴器不響或者繼電器不工作等）。然而學(xué)生問(wèn)題解決能力只有在遇到問(wèn)題、思考問(wèn)題、解決問(wèn)題中不斷提高。因此，在小組制作產(chǎn)品過(guò)程中，教師不應(yīng)該“代替”學(xué)生解決問(wèn)題，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題出現(xiàn)的可能原因，讓學(xué)生自己尋找問(wèn)題解決途徑。

3? 表達(dá)和交流階段

完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)后，學(xué)生應(yīng)對(duì)自己的設(shè)計(jì)方案以及產(chǎn)品功能進(jìn)行總結(jié)，形成書面材料，并在課堂上展示和介紹自己的作品。對(duì)學(xué)生制作的作品教師要及時(shí)做出反饋，引導(dǎo)學(xué)生交流討論，反思制作過(guò)程，提高學(xué)生的批判性思維。鑒于篇幅原因，本文僅展示一組學(xué)生的“Arduino水位報(bào)警器”（圖5），其中主要元器件包含蜂鳴器、水位模塊、電磁繼電器模塊以及Arduino UNO板（圖6）。

以研究性學(xué)習(xí)實(shí)施三個(gè)階段為指導(dǎo)的Arduino水位報(bào)警器的研究性學(xué)習(xí)課題，其一般教學(xué)流程包含師生共同創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境、提供研究案例、學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)、確定設(shè)計(jì)方案、進(jìn)行產(chǎn)品制作以及表達(dá)和交流，提供研究案例環(huán)節(jié)可以有效的引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)的方向，但也會(huì)使學(xué)生的思維受到一定的限制，可根據(jù)研究性課題自由選擇是否提供案例。

本文提供了一種將Arduino與物理課程融合的研究性學(xué)習(xí)的一般教學(xué)流程，然而教學(xué)有法、教無(wú)定法，在教學(xué)過(guò)程中不同的研究性課題應(yīng)靈活地調(diào)整相應(yīng)的教學(xué)流程，才能收獲最佳的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 教育部.教育部關(guān)于印發(fā)《普通高中研究性學(xué)習(xí)實(shí)施指南（試行）》的通知[Z].教基[2001]6號(hào).

［2］ 蘇炳超.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)防浸水簡(jiǎn)易報(bào)警器的設(shè)計(jì)和制作[J].物理教學(xué)探討，2020，38（9）：51-52，54.

［3］ 李玲.核心素養(yǎng)視角下的高中STEM特色課例研究：以“智能寵物喂食器設(shè)計(jì)與開發(fā)”為例[J].中學(xué)物理，2021，39（1）：47-49.