基于Arduino的小學＂智慧種植”項目式學習活動實踐探究

發布時間：2022-10-12 15:38

緒論 - 1 -

1.1研究背景 -1 -

1.1.1機器人編程教育符合國家教育現代化的戰略性目標 -1 -

1.1. 2項目式學習理念符合未來的人才培養方向 -1 -

1.1.3項目式學習是開展機器人編程教育的有效方法 -2 -

1.2國內外研究現狀 -2 -

1.2. 1國外研究現狀分析 -2 -

1.2.2國內研究現狀分析 -3 -

1.3研究目的與意義 -6 -

1.3. 1研究目的 -6 -

1.3.2研究意義 -6 -

1.4研究方法及內容 -6 -

1.4. 1研究方法 -6 -

1.4.2研究內容 -7 -

第一章概念界定與理論基礎 -8 -

1.1相關概念界定 -8 -

1.1. 1 Arduino - 8 -

1.1. 2項目式學習 -8 -

1.2理論基礎 -9 -

1.2. 1基于項目的學習理論 -9 -

1.2.2“做中學”理論 -9 -

1.2.3多元智能理論 -10 -

第二章基于Arduino的小學項目式學習活動設計 -12 -

2.1小學Arduino項目式學習活動設計基礎 -12 -

2.1. 1小學生的身心發展特點及學習特點 -12 -

2.1. 2 Arduino在項目式學習中的優勢 -12 -

2.1.3項目式學習的主要特征 -13 -

2.1. 4 Arduino與項目式學習的融合 -13 -

2.2小學Arduino項目活動設計原則 -15 -

2.2.1項目主題設計原則 -15 -

2.2.2教學環境設計原則 -15 -

2.2. 3內容框架設計原則 -15 -

2.2. 4教學評價設計原則 -15 -

2.3小學Arduino項目式學習活動設計流程 -17 -

2. 3. 1項目準備 -19 -

2.3.2項目實施 -19 -

2 3 3項目評價 … * - 20 -

第三章基于Arduino的“智慧種植”項目式學習活動設計•- 21 -

3.1 “智慧種植”項目式學習活動概述 -21 -

3.1.1 “智慧種植”項目式學習活動背景 -21 -

3.1.2“智慧種植”項目式學習活動簡介 -21 -

3.2“智慧種植”項目式學習活動現狀分析 -22 -

3.2. 1環境分析一 22 -

3.2.2學習者分析 -22 -

3.2. 3社團教師分析 -24 -

3.3“智慧種植”項目式學習活動設計思路 -26 -

3.3. 1 “智慧種植”項目式學習活動目標 ~ 26 -

3.3.2“智慧種植”項目式學習活動內容 -26 -

3.4“智慧種植”項目式學習活動評價設計 -28 -

3.4. 1學習效果評價表 -28 -

3.4. 2創造力傾向表 -29 -

3.4.3課程滿意度調査表 -30 -

第四章基于Arduino的“智慧種植”項目式學習活動實踐•- 31 -

4.1項目準備 -31 -

4.1.1選定項目 -31 -

4.1. 2制定計劃 -32 -

4.2項目實施 -35 -

4.2. 1活動探究 -35 -

4.2.2作品制作 -37 -

4.3項目評價 -38 -

4.3. 1成果交流 -38 -

4.3.2總結評價 -38 -

第五章基于Arduino的“智慧種植”項目式學習活動效果分析 - 39 -

5.1 “智慧種植”項目式學習活動效果分析 -39 -

5.1. 1創造力傾向表數據分析 -39 -

5.1.2課程滿意度調查數據分析 -41 -

5.1.3學習效果數據分析 -42 -

5.2“智慧種植”項目式學習活動設計實施反思 -43 -

5.2.1項目設計的一致性 - 43 -

5.2.2項目實施過程要完整 -44 -

5.2. 3項目實施要體現快樂學習 ~ 44 -

第六章總結與展望 -45 -

6.1研究總結與反思 -45 -

6.2研究展望 -46 -

參考文獻 - 47 -

附錄 -50 -

附錄一教學前端情況調查表 -50 -

附錄二威廉斯創造力傾向測量表（前后測） -51 -

附錄三課程滿意度調査表 -54 -

致謝一 55 -

緒論

1.1研究背景

1.1.1機器人編程教育符合國家教育現代化的戰略性目標

2017年7月，《新一代人工智能發展規劃》提出了新興人工智能技術的發展方向和在國家層面逐步實施的戰略目標。根據該計劃，到2025年，中國將在人工智能的基礎理論和技術方面取得突破，并使其成為經濟增長和轉型的支柱；到2030年，中國在人工智能方面的國際地位將是顛覆性的，在基礎理論、技術和應用方面將是世界級的©。

2018年4月，教育文化體育科技部制定了《教育信息化2.0行動計劃》，在中小學教育中實施、應用和研究教育信息化，創新教育改革，更新教育理念，革新教育內容，更加重視師生的科技素養、創新思維和創造力，并提出了有效實施戰略行動©。

同一時間，我國的相關部門對于青少年編程相關教育也呈現出愈發重視的態度。2017年，《新一代人工智能發展規劃》表明：“在中小學設立人工智能相關科目，分階段推進編程教育，鼓勵社會參與，開發和傳播有教育意義的趣味性編程軟件和游戲”。2017年9月，教育文部在《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》的相關文件中提到，“編程入門”模塊和“首次體驗開源機器人”模塊被列入“設計和生產活動（信息技術）”的推薦主題中。

總的來說，與機器人相關的編程教育切實符合國家教育現代化的戰略目標。在小學信息技術課堂上引入Arduino開源硬件，有助于激發學習興趣，培養創新意識，優化學習體驗，提高學生的實踐能力。

1.1.2項目式學習理念符合未來的人才培養方向

《課標》中提到“以項目整合課堂教學”乳傳統的教學模式更多的是采用灌輸式教學，想要達到“幫助學習者學會學習”的目標，就必須對傳統的教學模式進行改革創新。基于項目的學習模式的優勢之一就在于能夠建立自由探索和獨立思考的場景，學習者在這樣的場景中通過一系列設計好的項目進行學習活動，從而培養了學習者的創新精神和獨立學習的精神。

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）征求意見稿》著眼于優化知識結構,

①《新一代人工智能發展規劃》[幾科技導^2018,36（17）:113.

②中華人民共和國教育部.教育部關于印發《教育信息化2.0行動計劃》的通知

[EB/OL].http://www.moe.govxn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425_334188.html/2018-4-18.

③田文倩，劉松梅.基于學科核心素養的信息技術項目式教學設計——以"程序的選擇結構”項目為例[幾中國信息技術教育,2020(18):58-59. 加強社會實踐，強化能力建設，提高學生的學習能力、實踐能力和創新能力，教育學生學知識、學技能，學會動手、動腦，學會生活、學會做事、學會做人，適應社會，創造美好未來。《意見稿》的重點是促進學生主動適應社會，創造美好未來©。

基于項目的學習的概念與上述政策的發展方向是一致的，都提倡通過一些適當的設計、計劃并實施的項目活動，來達到解決問題和完成任務的目的。

1.1.3項目式學習是開展機器人編程教育的有效方法

當前中國教育界非常重視機器人編程教育的應用和推廣，但鑒于現階段仍是一門新興學科，有很多問題需要考慮和解決。首先，缺乏教師，資金不足且不均衡，地區和學校之間存在巨大差異。其次，機器人教育體系不發達，理論研究匱乏，沒有科學有效的課程評估方法，很多學校的機器人課程還處于初期階段，沒有足夠的專業教師以及系統的教學模式和方法。

在這種情況下，機器人編程課程可以釆用基于項目的學習作為課程，鼓勵學生在動腦和動手的同時積極獲取知識和技能。基于項目的學習注重實踐經驗和項目的實際實施，幫助學生掌握實際技能，培養他們的創造力和協作精神。

機器人編程教育與項目學習有很多的共同之處，這也為項目式學習與機器人教育的融合提供了強有力的支持，基于Arduino的項目式學習活動強調學習過程的重要性，使學習者能夠有效地進行協作學習。

1.2國內外研究現狀

1.2.1國外研究現狀分析

1.國外Arduino研究現狀

1994年，麻省理工學院（MIT）首次嘗試將科學實驗納入機器人教育，開設了 “設計和建造樂高機器人”課程。

利用Arduino作為STEM教育的平臺，Alexander等人開發了一系列簡單的項目，讓K-12學生學習簡單的編程和電路Arduino是一個很好的電路和編程原理介紹工具®, Robert Shultz等人設計了一系列使用Arduino的課程，向高中學生介紹基本的計算機科學原理和網絡安全概念鐵此外，Arduino作為C語言編程工具被Brandin M.使用，向高中生教授STEM。他們利用Arduino 學習C語言編程的基礎知識，掌握各種電子元件的使用方法，學習重要的模擬和電子設備概念，并開發一系列Arduino項目，這才使電子和編程知識得以被廣大學習者理解和應用。

®中共中央國務院.國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年)[S].實驗室研究與探索,2017 (12):222.

②AR Rivera. Using Robotics with the Arduino Uno for Education in STEM.

③Shultz R.A Hands-On, Arduino-Based Approach to Develop Student Engineering Skills and Introduce Cybersecurity

Concepts to K-12 Students卩].ASEE Conferences,2015.

通過以上對國外Arduino相關文獻的分析，可以看出Arduino在國外的機器人教育領域得到了廣泛的應用，對Arduino教育的研究也比較多樣化，從基礎教育到工程教育都有相關涉獵，并形成了很多成熟的教育案例。國外的研究大多顯得比較實用，主要是以Arduino為平臺進行STEM 教育，設計機器人項目，應用相關技術，或者搭建相關機器人平臺，開發新的機器人課程。

2.國外項目式學習的相關研究

項目式學習（PBL）于1918年9月在美國紐約誕生，當時美國進步的教育家威廉-赫德-基爾帕特里克普及了基于項目的學習的概念，在當時被人們廣泛關注，隨后在美國創立了合作教育。威廉-赫德-基爾帕特里克基于杜威的"做中學”理論，并結合心理學的大量相關研究成果，最終創造了這種新的教育組織形式和組織方法。

20世紀60年代和70年代，美國開始在中小學教育科目中嘗試使用項目式學習。自此，國外教育界對項目式學習在學科教學中的設計與應用等相關研究產生了濃厚的興趣，并開始了廣泛研究。基于項目的學習和基于課堂的學習之間的主要區別是，大多數關于基于項目的學習的研究側重于學生的技能發展。

國際上的項目式學習研究不僅關注學生的學習，也關注教師的發展。Hazelton,MamieR.探討了基于項目的學習如何提高教師的自我效能感和如何提高學生的積極性和興趣相關的內容； Tanner, Andrea P.探討了高等教育課程中基于項目的學習有效性的案例研究。

1.2.2國內研究現狀分析

1.國內Arduino研究現狀

對國內關于Arduino的文獻進行主題搜索，發現截至2021年8月共發表了 7157篇論文。關于開源硬件和中小學項目式學習的研究很少，只發表了 258篇論文。隨后，筆者使用主題詞“項目式學習”并包含主題詞Arduino進行文獻檢索，截至2021年8月僅發現143篇文章，許多研究領域集中在Scratch和Mixly等圖形編程、人工智能、機器人教育等方面，中小學創新教育和教學領域的研究較少。目前，許多經濟發達地區的學校正在逐步引入機器人編程教學，作為教授機器人硬件和軟件的專業課程。

為了更好地了解中國在Arduino機器人編程教學法領域的研究成果，筆者對近五年來的機器人教育論文進行了總結，碩士論文的統計見表1-1。

表1-1關于Arduino機器人教學方法的研究碩士論文

論文題目研究者研究內容

基于創客教育的初

中Arduino機器人教學設

計與應用研究潘瑞娟構建了基于創客教育理念的教學模式，設計了基于創客教育的Arduino機器人教學項目并將教學案例付諸實踐，通過問卷與訪談的形式分析了教學效果。

基于Arduino的"能

移動的小車”拓展課教學

設計的研究鄧銳采用一般的教學流程，借助Arduino平臺的優勢，對“移動的小車”進行教學設計。

基于樂高4C教學法

的高中Arduino機器人教

學設計與實踐研究張曉通過問卷調査發現機器人課程存在的問題，將樂高4C教學法融入到Arduino機器人教學設計中并開展了綜合項目實踐研究，從作品和課程滿意度兩個方面分析了教學結果。

基于STEM的

Arduino機器人教學項目

設計研究張麗芳基于STEM教育理念設計開發教學項目，以Arduino平臺和項目學習為載體開展了機器人教學實證研究。

ARCS模型視角下高中Arduino創客項目的設計與實施研究劉鑫平將ARCS模型應用到高中Arduino創客教育項目的設計中，開展了教學實驗。

如表所示，五篇碩士論文中關于Arduino機器人教學的分別涉及到了創客教育理念的教學模式、一般的教學流程、樂高4C教學法、STEM教育理念以及ARCS模型，對Arduino機器人的教學采用了多種教育教學理念，應用了多種教學方法。

上述研究表明，我國許多學者已經開始積極實施機器人編程教育教學，能夠利用Arduino平臺、微課、STEAM教育等優勢進行研究。

2.國內項目式學習研究現狀

筆者以中國知網為研究數據來源，以“項目式學習”、“基于項目的的學習”、“項目學習” 為主題詞進行精確搜索，截至2022年3月，共得到16448條搜索結果。關于“基于項目的學習”、 “項目式學習”、“項冃學習”的文章數量均呈上升趨勢，表明國內對項目式學習的研究正逐年升溫，具體情況可參考下圖。

+•項目式學習項目學習 f-甚于項目的學習

圖1-1中國知網“基于項目的學習”、“項目式學習”和“項目學習”近九年發文畳

圖1-1顯示了中國知網“基于項目的學習"，“項目式學習”和“項目學習”近九年的文章發表量相關的情況。從圖中不難看出，三個關鍵詞相關的發文量都呈現出了歷年增長的趨勢，并且在2018年之后，三種類型的文章增長量都出現了不同于往年的大幅增長，這其中發文量最多的就是以“項目學習”為關鍵詞的文章，由此可知，國內目前教育界對“項目學習”相關的教學方法抱有極大的熱忱。

關于項目學習的研究己經滲透到很多領域，教育部門主要關注“理論模型”和“評估系統”。在教育領域，對基于項目的學習的研究主要集中在“理論模型”、“評估系統”、“教學設計” 和“教學實施”。主要關注項目式學習的教學模式研究，其次是評估系統的研究，而教學設計和應用研究相對較少。

教育的模式一直是基于項目的學習理論的一個重要研究課題，基于項目的教學模式基本上包括三個重要方面：項目開發、項目實施和項目評估。

在教育設計方面，中國學者提出了一系列基于項目學習模式的教育設計過程：孔凡士等人認為，項目學習的實施過程分為項目背景、項目任務、項目任務、活動研究、項目制作、項目成果交流和項目評價六個部分，可以說是六位一體©。

在基礎教育階段，關于項目式學習的應用研究主要集中在語文、數學、英語和綜合實踐活動課程上。其他關于項目式學習的研究主要集中在教師培訓和項目式學習的其他方面。基于項目的學習主要是針對初中和高中學生，表明很少有研究將基于項目的學習應用于小學低年級學生。

總而言之，基于項目的學習在中國的學術界和教育界逐漸受到重視，但大多數研究都處于開發理論模型和課程設計的理論方法階段，應用于具體學科和教學實踐的成果還不夠豐富，進一步的開發亟待討論。在基于項目的學習實踐類別中，研究主要集中在中學生和大學生身上，規模一般較小，并在綜合實踐、語文、數學和英語的背景下進行研究，關于小學規劃中基于項目的學習的研究非常有限。

因此，對小學使用Arduino的項目式學習活動的設計和實踐進行研究是有價值的，本研究將豐富小學編程活動實踐中的項目式學習內容，并為今后項目式編程活動的實踐提供參考。

1.3研究目的與意義

1.3.1研究目的

本研究的目的是基于項目式學習的理念，在Arduino平臺軟件與硬件的基礎上針對小學高年級學生學習特點和心理取向，進行“智慧種植”項目式學習活動的設計、實施與分析，向小學階段開展Arduino機器人編程教育提供可以參考的案例，更好地促進小學階段Arduino編程教育的實施。

1.3.2研究意義

本研究的項目式學習活動立足于真實的生活情境中，能夠更好地拉近課堂知識與實踐應用之間的距離，從而進一步提高學習者應用知識、遷移知識的能力。本研究中運用到的Arduino開源平臺在提供編程教育軟硬件的基礎上，其特色的開源性能夠大大降低學習者設計的成本與難度。

1.4研究方法及內容

1.4.1研究方法

本研究主要運用的研究方法是文獻研究法、問卷調查法和訪談法。

1.文獻研究法

在本研究的初始階段，作者對國內外文獻進行了檢索。通過閱讀和分析檢索到的文獻，筆者總結了國內外Arduino和基于項目的學習的相關研究現狀，從而為本研究提供了理論和實踐支持。

2.問卷調查法

為了掌握學習者的學習情況與基本信息，本研究在實施前對即將參與“智慧種植”項目式學習活動的48位學習者發放了調査問卷。

在全部項目活動內容實施結束后，對這48位學習者進行了第二次問卷調査，從而對比分析學習者的學習成果是否達到預期目標以及多種能力的變化情況。

3.訪談法

本研究在實施前，為了更好地了解筆者研究所在的E小學的Arduino教學的教學環境與實施現狀，筆者對E小學負責Arduino課程的兩位教師進行訪談。據此，對教學設計的制定與修正提供參考。

1.4.2研究內容

本研究針對當前項目式學習缺乏小學編程教育教學實踐研究的問題，根據小學高年級學生的身心特點、學習情況與基本信息，基于多種理論進行小學Arduino項目式學習活動的設計、實施與檢驗分析。具體研究內容如下：

第一、進行項目式學習與Arduino的現狀調查。查閱并整理國內外相關文獻，了解項目式學習和Arduino的相關研究現狀。

第二、進行基于Arduino的小學項目式學習“智慧種植”活動設計。從學生的興趣點出發，結合學校實際教學情況，構建面向小學生Arduino “智慧種植”項目式學習的活動設計。

第三、進行基于Arduino的小學項目式學習“智慧種植”教學實施與效果分析，并根據項目式學習的活動，提出建議。

第一章概念界定與理論基礎

1丄相關概念界定

1.1.1Arduino

Arduino可以看作是一個硬件和軟件的平臺,并且是開源的，其特點是利用傳感器檢測環境, 用適當的編程代碼，就可以控制電機、蜂鳴器、小型節能燈之類的簡單元件，并且能夠提供環境影響的反饋©。

目前，作為物聯網和創客教育的主要參與者之一，Arduino平臺可以從眾多硬件設備中脫穎而出，這要歸功于以下主要特點：

成本低所帶來的高性價比：例如，用開源的Arduino制作的自動灌溉泵的硬件成本不到20 元，是具有相同功能的微型灌溉系統價格的10倍。

高度兼容性：Arduino IDE可以在所有主要的電子平臺上工作，包括Windows、Linux和Mac OS,但大多數其他控制器只能在Windows上開發。

開源性非常廣泛：Arduino庫文件和硬件原理圖作為開放源碼發布，允許用戶在協議內修改原始設計和相應的代碼以適應他們的需要。有100種不同的Arduino平臺可用，包括ArduinoUno、 Arduino Nano> Arduino Mega 2560> Arduino Ethernet 和 Arduino Leonardo 等等。

學習成本低：Arduino語言不需要太多的微控制器或編程的基本知識，所以即使是初學者也可以掌握，并通過簡單的學習曲線開發基本項目。

1.1.2項目式學習

美國BIE對項目式學習最早的定義是：“項目式學習從現實世界的問題入手，在一段時間內組織學習小組，利用計算機工具和各種資源進行調査，解決一系列相互關聯的問題，并以具體方式展示結果。”國內的研究人員對基于項目的學習提出了一個類似的定義，教授黎加厚指出項目式學習注重學習的理念和原則，學生通過參與項目活動發現需要解決的問題，建立自己的知識，并將知識應用于社會實踐。

本文中的項目學習是指以Arduino機器人學習為手段，組建學生主導的學習小組，學習者在真實的項目活動中通過協作學習，運用跨學科知識解決相關的實際問題。基于項目的學習通常分為六個主要階段：選定項目、制定計劃、活動探究、作品制作、成果交流和總結評價。

®張麗芳.基于STEM的Arduino機器人教學項目設計研究回.南京:南京師范大學,2015.

1.2理論基礎

121基于項目的學習理論

基于項目的學習理論是一種新的探究式學習模式，學習者在這種模式下設計的任務集中在某一特定主題的概念和原理上，利用各種資料進行實際研究活動，并在一定時間內解決一系列相關問題靄 .

學生的學習在基于項目的學習理論指導下，分為以下幾個階段：

1選定項目：項目的選擇對于課程的成功至關重要。首先，好的項目通常與學生有相關經驗的生活現象有關，其學習與學生的認知發展最為吻合。其次，并不是所有的生活現象都與學生的學習相適應，這些不適宜的生活現象并不值得調查，所以教師在選擇項目時要有充分的準備和實驗性，它們需要經過教師的反復測試，并在引入學生的課堂之前做好實驗與準備。

2.制定計劃：在選擇了一個項目后，下一步是制定計劃。需要根據項目的性質，制定一個詳細的時間表，然后進一步劃分團隊或小組。首先，根據教室的容量，小組規模為4至6名學生為宜。其次，有必要確定小組的組成，有必要進行“混合分組”，即給小組分配不同類型的角色，這樣才能使參與者能夠充分發揮自己的長處，互補對方的長處，避免對方的短處®。

3.活動探究：這是最重要的階段，在這個階段中，學生們展示了他們單獨思考、表達自己的想法和合作的能力。在教師給出的現象基礎上，小組成員收集信息，分析和處理信息，然后提出對問題的解釋(有時稱為假設)。

4.作品制作：在檢查研究時，學生不僅要反思過程并安排作業和項目，同時也要深入研究這個過程。

5•成果交流：學生進行自評和互評的過程是此流程最重要的目的，形式多樣不拘于一種，可以是比賽、匯報、展覽等等。

6.活動評價：主要用于解決“過于強調選擇而忽略了課堂改進，過于強調評估結果而忽略了評估過程，過于強調評估結果而忽略了評估過程本身的意義”的問題。

傳統課程和PBL在教學方法上有很大區別。由于PBL保留了學生的個性，學生可以采用自己的學習方式、學習風格、學習策略等，并取得更好的學習效果，學生可以在一個相對輕松的環境中學習相應的知識，有效提高學習效率。

1.2.2"做中學”理論

“做中學”是杜威實用主義教育思想中對“知與行”關系的闡述，“做中學”也指“從經驗中學”和“從活動中學”。

“從經驗中學習”是教育的目的，即通過經驗學習，以適應外部環境的變化，如果學生在學習環境中的經驗與所學的知識沒有關聯，那么從學生的角度來看是沒有意義的。另一點是，經驗

®劉景福，鐘志賢.基于項目的學習(PBL)模式研究[J].外國教育研究,2002(11):18-22.

«陳向明.小組合作學習的組織建設卩】.教育科學研究,2003,(2):5.

是教育的一種方法，其基本理念是，學生通過合作、探索和參與實踐活動獲得知識和經驗，在實踐中學習“理論最重要的含義是強調學習者的'做'”。由于杜威堅信教育來自于實踐經驗，自己的經驗和知識積累是教育的起點，所以“做中學"的理論可以理解為學習的目的是積累經驗, 經驗的積累本身可以成為學習的基礎，杜威認為，人與自然之間互動的結果就是獲得相應的經驗。

在設計教育活動的過程中，應注意將活動與學生的經驗聯系起來，以便他們在學習的同時考慮自己的需要。關于活動的設計，杜威提出首先應鼓勵學生的創造性和主動性，教師在設計教育活動時應考慮到學生，而不是給出僵硬的規則；其次，由于學生在不斷成長和變化，他們對世界的理解、自身的經驗和想法也在不斷變化，重要的是對不同年齡的學生進行實踐教育活動，必須牢記兩個基本要求，因為他們在不斷地成長和變化，他們對世界的理解，他們自己的經驗和想法也在不斷地變化。其次，由于學生在不斷成長和變化，他們對世界的理解、自身的經驗和思維方式也在不斷變化，所以應該建立在學生已經學到的東西之上。

杜威的“做中學”教學法并不適用于所有類型的知識學習，杜威強調，教育和教學從學習者開始，所有的活動都必須基于學習者的需要，而且必須為每個學習者單獨設計活動。他還認為，知識和經驗應該由學生在實踐活動中獲得，決不能由教師強行傳授給學習者，同時活動的設計應該激發學習者的學習興趣，讓他們根據自己的生活經驗靈活運用所學知識，從而反對傳統教育模式所帶來的禁錮個人思維的情況發生。

1.2.3多元智能理論

多元智力理論是由霍華德•加德納提出的，將人類智力分為八個方面：“語言智力”、“數理智力”、“空間智力”、“音樂智力”、“身體智力”、“社會智力”、“自知智力”、“自然智力”，總稱之為“多元智能理論”。它的核心思想是：“人類以多種方式思考和認識，每個人的智力或多或少都有不同”,例如，一個人可能在某個方面的智力較差，但在另一個方面有很強的天賦，這種智力上的差異在一定程度上會對一個人未來的發展方向和程度產生影響。

如果學校只是簡單地為學生提供完全相同的教育服務，那么不同學生的智力發展程度就會不同，學校教育的預期效果也會不同。

多元智能理論對本研究的啟示為：

1.注重學生能力的多元化

每個學生的能力都是不同的，教師要充分了解每個學生的不同能力，還要根據每個學生的特長教授多種技能，將不同能力的學生放在小組內的不同位置，與學生一起發揚優點，合作實現學習目標。在教學過程中，也要盡可能地開發學生的這八種不同能力，豐富教學內容，開發每個學生的不同智能。

2•教學評價多樣化

在評估教育成果時，重要的是不要對學生進行統一的評估，而是要建立一個差異化的評估體系，發揮他們的優勢，增加他們的信心。例如根據他們在小組交流中的表現來評估語言和溝通能力，或者在編程中評估數學思維能力。差異化的教育評估對于學習者加深自我了解，在評估他人作品時比較和發現自己的不足之處，并將他人的長處融入自己的作品中是很有必要的，這對創造

力的發展有很大幫助。

加德納的多元智能理論給本研究帶來的啟示為：課程規劃應以學習者為中心，關注他們的個人發展，并努力滿足他們在學習過程中的需求。這意味著我們應該從開發學習者的多元智能入手, 提前了解學習者的學習風格，在項目學習中關注學習者的學習動態，評估學習者的優勢，鼓勵他們克服自己的劣勢。在項目期間，學生應該通過合作學習來學習人際關系方面的智力，通過編程和配置Arduino來學習數學方面的邏輯，通過介紹和展示他們的工作來學習語言方面的邏輯，清楚地組織他們的思想和有邏輯地表達自己的能力，該項目還通過引導等方式發展學生的內在智力。

第二章基于Arduino的小學項目式學習活動設計

2.2小學Arduino項目式學習活動設計基礎

2.1.1小學生的身心發展特點及學習特點

在語言方面，大多數小學生已經學會了說、聽、讀和寫，五年級的學生還不能完全理解事物的抽象邏輯，但隨著他們的物理學和智力的發展，他們可以使用具體和抽象的推理來解決問題，教師可以在解決問題時使用一些操作技能。

現代小學生對網絡信息和技術工具非常熟悉，他們更喜歡在屏幕上閱讀，而不是在紙上閱讀, 并關注用戶界面的清晰度和感知度。其次，他們習慣于使用多種方法來選擇信息，而不是依賴一種方法，更喜歡有選擇性地選擇。互聯網和其他媒體促成了人們對信息的某種依賴性。例如，在尋找信息時，他們更喜歡在分享東西之前做自己的研究©。因此，教師可以注重發揮學生的主觀能動性，為學生提供一定的接觸信息設備的機會。

2.1.2Arduino在項目式學習中的優勢

開源硬件的起源是第一批集成電路的開發和使用。開源硬件緊隨TTL集成電路技術的發展和 EDA電路的無處不在的自動化@,在眾多開源硬件中，筆者決定使用Arduino進行這項研究，因為Arduino適用于中小學的項目學習活動。Arduino具有以下優勢：

1.經濟性

在開發成本方面，開源軟件的再開發成本幾乎為零，而開源硬件的成本相對較高，Arduino 平臺具有軟硬件開發能力，硬件成本相對較低。基本的Arduino套件價格在100元人民幣左右，為大規模采用開源硬件在中小學普及創客教育提供了可能。

2.語言開發環境下可視化的積木搭建

Arduino集成開發環境包括一個類似于C語言的G語言開發環境，它降低了編程語言的復雜性。通過圖形化編程，學生可以創建一個邏輯語言和傳感器功能語言模塊的列表，并使用簡單的操作，如轉移和轉儲來生成實現相應功能的控制命令。

3.不算高的學習成本以及入門門檻

適合沒有編程語言或硬件建設基礎的中小學初學者，因為他們可以立即開始操作具有集成直

®付爽.數字原住民的信息收集及篩選行為特點初探——以武漢某高校為例[J]沖國市場,2017(02):189-190.

® History of free and open-source software

接編程能力的硬件模塊，而不必學習通過微控制器的串行輸入和輸出控制硬件模塊的復雜語句。

2.1.3項目式學習的主要特征

基于項目的學習有以下五個特點：

1.目標性

學習目標是學習過程的核心，始終存在于所有的學習活動中。學習目標是所有學習活動的指導原則，所有學習活動都必須以實現學習目標為目的，任何學習過程或結果都不能脫離學習目標。因此，設計者在制定項目目標時要有明確的優先次序和取舍，只處理對項目問題至關重要的信息，并要求在基于項目的學習中學習和掌握其他細節。

2.真實性

基于項目的學習的真實性體現在三個方面：背景、任務和主題。基于項目的學習調動學生的積極性，回答學生的問題，在真實情境中進行創新和檢驗結果，通過深入理解提高學生知識體系的發展。問題的真實性使學生能夠加強內容、知識、技能和經驗的相關性，與傳統的教學方法相比，學習者更多地參與到學習過程中，并對他們的學習有真正的自主權。

3.合作性

這在很大程度上反映了基于項目的學習的協作性質，它需要廣泛的技能，而且要求較高，因為它在一個項目中結合了理論知識和實際工作。因此，基于項目的學習通常是在小組中進行的，團隊成員一起工作，每個人負責不同但同樣重要的任務。簡而言之，合作學習使學生能夠有效地學習并發展合作技能。

4.挑戰性

項目式學習的任務或問題可以是具體的，也可以是抽象的，可以是社會問題，也可以是當前的話題，可以是一個工業問題，也可以是在生活的環境中解決的問題。由于基于項目的學習對初學者來說有一定的難度，因此選擇一個適合學生當前發展水平、易于理解、學生能夠完成的項目非常重要。

5.評價多樣性

評估的多樣性不僅指評估方法的多樣性，而且還指內容和工具的多樣性，因此最好可以由專家、教師和學生對基于項目的學習進行評估。基于項目的學習評估需要結合定量和定性評估、形成性和總結性評估、自我評估和同行評估，以及小組評估。除了對知識和技能的評估，能力的培養也不應該被忽視，這是基于項目的學習最重要的目標之一。電子檔案袋、成長檔案袋、調査問卷和類似的措施正越來越多地被用作基于項目的學習的評估工具。

2.1.4Arduino與項目式學習的融合

基于項目的學習要求學習者在真實的學習環境中關注項目，而不是將項目視為學習的附屬品，要求學習者積極選擇和使用適當的項目和在線資源來學習新知識和體驗新技能，要求學習者將其知識和技能外化為項目工作內容，并與他人分享項目學習。

Arduino教育作為一個整體，要求學習者整合創新的想法和材料資源，并使用Arduino編程技術將想法和材料轉化為實體的藝術作品。通過想象、設計、創作、分享和反思作品的多個循環。

通過以上對項目學習和Arduino教學過程的解讀，可以看出它們的共同點是強調學習者的主動性，通過實踐活動內化知識和技能，同時創造有意義的知識構建作品，整合學習者已有的知識體系。因此，這兩個教育過程有重合之處，可以將基于項目的學習應用于小學的Arduino教育中。

2.2小學Arduino項目活動設計原則

2.2.1項目主題設計原則

項目學習的關鍵因素是一個好的項目主題。特別是在中學，每學期的教學任務很重，學生的壓力也很明顯，教師在引入項目學習之前，需要思考什么是合適的，什么是不合適的。

根據筆者的經驗和其他人的觀察，筆者認為好的項目課題通常有五個特點：與課程相關，基于日常生活，吸引學生，關注重要話題，激發學生的高層次思維。

2.2.2教學環境設計原則

基于項目的學習首先需要的是一個具有完善的教學材料和設備的空間。由于學生的信息獲取能力有限，建議教師為學生提供書本上的知識和教育網站以及相關的學習平臺來獲取教育材料。其次，真實的基于項目的學習情境可以更生動、更具體地呈現學習問題，使學生能夠了解真正的需求，并在真實情境中成功地應用學習，良好的師生關系能讓學生在課堂上發揮出最佳水平，自由開放的環境更能鼓勵個人的成長。

2.2.3內容框架設計原則

方案框架是項目的主要教學內容。在項目環境中，學生面臨著復雜而真實的情況，通過結構化的探究式學習，可以提高解決問題過程的整體質量。

項目框架問題可以分為基本問題、概念性問題、啟發性問題和激勵性問題。事實性和概念性問題是發展學生高層次思維的基礎，其特點是清晰的答案、一般的事實、對學習內容的支持以及陳述性和一般敘述性知識的使用。學習問題通常沒有標準答案，而是開放式的，需要學生在回答之前進行思考，事實上，知識創造的過程可以用邏輯上的“事實-概念-基礎-理論”框架來概括。換句話說，通過從事實和概念性問題入手，解決引導性問題，然后進行抽象和總結，可以支持高階思維的發展。難題通常涉及價值判斷、道德和倫理考慮，代表著更高層次的概念性問題管理。

224教學評價設計原則

教學評估是確定基于項目的學習的目標是否已經實現的重要工具，是計劃和實施的基礎。第一，根據多樣性原則，基于項目的學習的評價應該是形成性評價和總結性評價的結合第二，評價的內容應該是多樣化的。基于項目學習的教育評價需要包括對知識方面和能力方面的評估，這種評估內容的多樣化使所有的學習者都能成為教學過程中的積極參與者，評估不再是針對少數成績好的學生，而是針對所有學生，評估將因人而異，以便更好地“因材施評”。第三，教師的評估不是將單一學科的評估擴展到跨學科的評估，而是在項目活動開始前，教師和學生共同制定項目評估標準，教師評估、同行評估和自我評估分別進行。教師和同伴評估在激勵和指導學習者方面是完全有效的，而自我評估則被用作提高認識和激勵學習者的工具，并在一定程度上發展他們的批判能力和檢查他們的評估，它提供了一條通往學習目標的清晰路徑，幫助學習者專注于目標。

2.3小學Arduino項目式學習活動設計流程

目前，我國專家學者對項目學習的教育設計過程有比較統一的看法，主要有三個部分：項目準備、項目實施和項目評估。隨著項目式學習在教育領域的日益普及，研究人員根據教育現狀將項目式學習分為不同的部分。例如，嚴寒冰將基于項目的學習應用于計算機教育，認為基于項目的學習的教育過程可以分為七個主要階段。秦亞歐和劉寶瑞根據項目教育的教學原則開發了一個信息教育模型(8W),將基于項目教育的教育過程劃分為八個主要階段％

項目式學習注重師生互動，將教師和學生的活動都納入研究的教學設計中。

綜上所述，本文遵循項目學習課程設計的一般流程，將項目學習分為三個主要階段：項目準備、項目實施和項目評價，而項目準備又可分為六個階段：選定項目、制定計劃、活動探究、作品制作、成果交流和總結評價。項目準備階段包括詳細的項目規劃和初步分析及合理化，教師指導學生了解項目并編制項目計劃。在實施階段，教師組織和協調學生的活動和研究，并協助需要幫助的學生；學生在這個階段實施他們的合作學習項目。在項目評估階段，教師組織學生展示他們的成果，安排學生對他們的工作進行自我評價，最后安排對學習成果進行整體評價，具體流程如下圖2-1所示。

秦亞歐，劉寶瑞.釆用"項目學習法"構建高校學生信息素質8W教學模型[J].圖書館學研究,2008,(6):46-50.

學生活動

了解項目

教師活動

提供指導

組織協調—•

▼

個別幫助

項目準備

L—?

合作性

小組分工

合作討論

完成項目

活動探究||作品制作

項目評價

小組匯報

組織交流

自評互評

組織評價

成果交流

圖2-7基于Arduino的小學項目式學習活動設計流程

總結評價

2.3.1項目準備

1.選定項目

項目選擇是教學過程中的第一步，也是最重要的一步，教師在這個過程中起著重要的指導作用，通過情景模擬引起學生的興趣和好奇心，積極參與項目選擇。教師需要考慮所選擇的項目活動是否符合教育目標，同樣重要的是要考慮項目的可行性和可操作性，以確保它們適合于學生目前的知識和能力水平。

.(1)進行學情分析，考慮學生發展水平

項目不僅應該基于課程標準的要求，學生的興趣，特別是與他們的文化背景和生活有關的興趣，也應該被考慮在內，教師在計劃教學內容時，如果考慮到學生的具體需要，就能更好地闡明學生在學習活動中的作用。

(2)確定資源的有效性和可用性

在設計和確定問題情景之前，教師需要確保學生能夠有效地獲得有用的信息來幫助他們解決問題。在可能的情況下，教師可以為學生提供一個現有的或自己準備的資源、例子和網站的圖書館，給他們提供空間和工具來進行活動，如寫報告、探索、網上研究和使用資源。

(3)確定問題以及學生在其中的角色

首先，教師提岀的問題需要與學生的實際生活密切相關，讓學生在解決問題的過程中意識到所學知識的有用性。其次，教師在教學中要注意社會生活中的熱點問題，學生會對這些問題產生共鳴，并會以極大的熱情參與到對這些問題的深入學習中。

2.制定計劃

基于項目的學習活動通常是在小組中進行的。一旦決定了具體活動，參加課程的學生就會被隨機分組，分組可以基于“組間同質性和組內異質性”的原則，然后要求學生不僅要表達他們對作業的意見和印象，還要決定小組內的角色和責任的劃分。角色的劃分可以根據小組中每個成員的特點和實際情況來決定，例如，概括能力和語言構建能力強的學生可以擔任匯報員一職。當然, 小組和小組成員之間的角色劃分是解決問題過程中的外在因素，最重要的是學生們對問題的理解、交流和回答。重要的是在提出自己的想法并與小組成員分享之前，每個學生都要充分理解他們所學的知識和他們要解決的問題，學生自己的興趣和收集信息的難易程度將幫助他們決定研究的主要方向，節省時間并突出重點。最后，老師提供一個項目進度表模板，每個項目組根據對項目的了解，制定詳細的進度表，將項目分解成一個個時間表，并對每個階段的結果進行跟蹤檢查。

2.3.2項目實施

1.活動探究

基于活動的探究課程要求每個項目組確定一個具體的教育挑戰，收集和思考信息，并根據該挑戰設計一個研究解決方案。通過不斷的討論和修改，需要為挑戰提供不同的解決方案。在小組討論中，每個學生都是答案的提供者，也是其他小組成員的傾聽者和顧問。在這個過程中，教師要在學生形成解決方案的過程中提供建議和指導。

2.作品制作

根據形成的活動方案，每個小組開展創建工作的過程。每個小組的成員都要分擔工作，實現目標任務，如果在這個過程中出現困難，教師應提供幫助和有針對性的指導，但學生要主動出擊, 充分發揮自己的想象力和創造力，通過對典型案例的研究，項目組繼續對系統進行調試，以優化他們的工作。

2.3.3項目評價

1.成果交流

工作完成后，教師輪流組織對完成的工作進行匯報，項目組成員向其他小組介紹他們對工作的想法，并分享他們的經驗教訓。

2.總結評價

作為一種有目的的認知活動，教學的有效性是教師的共同目標，因此需要在項目實施的每個階段進行測量，然后對教學的逐步評估使教師能夠監控進度，維持課堂秩序，了解學生在項目學習中遇到的挑戰。項目的整體效果超越了對結果的評價，包括學生在這個過程中的成長，因此，本文的目的是通過學生的自我評估和教師的評估來客觀、完整地反映學生的進步情況。

(1)學生自我評價

項目結束后，學生應系統地反思和討論他們參與的所有過程，包括他們是否充分參與了項目的討論和制作，他們在項目中扮演了什么角色，他們是否制作出了具有創新性的作品，以及他們如何處理項目的困難。自我評估的內容可能需要根據學習的情況而有所不同，但必須確保結果的一致性。

(2)教師評價

在教學過程中，教師需要對教學進行評估，促進個別學生和小組的進步，改善個人教學。首先，教師應該對學習過程和結果給予積極的反饋，總結整個教學活動中的問題，并與學生討論解決方案，他們還需要認識到那些進步緩慢的學生，以及那些能力較弱但準備較充分和勤奮的學生, 并鼓勵他們繼續努力，爭取進一步提高。第二，教師的評價應該更加注重對學生過程的形成性評估。在學生制作作品時進行調試，在演講時進行交流，在與小組成員合作時進行角色分工和協調, 這些都是基于項目學習的重要內容，不僅需要更加強調教師的評價，還需要強調學生的需求，學習過程，學生的學習經驗，人與人之間的互動。

第三章基于Arduino的“智慧種植”項目式學習活動設計

本項目活動以“智慧種植”為大項目共設計了兩個項目活動。

3.1“智慧種植”項目式學習活動概述

3.1.1“智慧種植”項目式學習活動背景

一直以來，人們總是高度重視自己的生活環境，總是喜歡各種鮮花和綠植，不僅美化了空間，而且給生活帶來了新鮮感。然而，在花草種植的過程中一直以來都存在著“缺乏活力和美感”的情況，因為畢竟沒有專業的花藝師。近年來，“智能產品”和“一鍵式服務”產品的技術被開發并應用于花卉行業，智能養護的私人種植也己經成為大勢所趨，眾多個人和商家都紛紛開始了自己的嘗試。

E小學一直以來特別注重對學生的個性特色進行教育，確定了 “把心點亮，靜待花開”的辦學理念和“和諧相伴謀發展”的校風，注重學生在綜合素質方面的全面發展。

筆者想把兩者結合起來，設計一個以“智慧種植”為主題的Arduino軟件和硬件項目，這個載體可以讓學生參與設計、編碼、調試和演示，不僅可以引導學生在活動過程中主動地了解花卉綠植的種植和Arduino平臺的操作與應用,還可以讓他們在日常生活中體驗到設計成果的成就感，從而對自己的作品有更深層次的理解，并能做出有判斷力的陳述，最終將研究成果通過與其他學生進行評比的方式進行自我展示。

3.1.2“智慧種植”項目式學習活動簡介

“智慧種植”是一個以設計智能花卉綠植養護Arduino軟硬件為驅動的項目式學習活動，在其中融入相關機器人編程和開源硬件知識。在教師的課堂組織下，以小組的形式進行，設計各組的傳感器，討論確定合適型號的傳感器，分析想要實現的功能及其邏輯代碼，結合各種資料，進而完成傳感器的制作，項目成果形式以小組匯報展示為主。

該項目旨在培養數據檢索和分析、溝通和表達、團隊合作的綜合技能，以及將相關藝術學科的知識和技能與現實生活中的情景問題聯系起來的能力。

課時：12課時

地點：社團活動教室

項目對象：五六年級48名學生

3.2“智慧種植”項目式學習活動現狀分析

321環境分析

本研究主要在銀川市E小學進行教學實踐。

E小學占地43畝，學校地域寬廣，環境優美，建校初校園內就有果圃園、果樹園等綠化景觀。學校在原有綠植景觀的基礎上，打造了興慶區功能最全、科技含量最高的校園農業科普實踐教育基地，占地共5400平米。學校占地廣闊，環境優美，具有得天獨厚的環境和對人才教育的配套硬件設施，包括苗圃基地、果樹基地和葡萄栽培走廊，為學生提供了自然學習環境和"智慧種植"的實踐對象。校園為學生開展項目式學習活動提供了天然的學習環境和實踐對象。

322學習者分析

本研究中參加項目學習活動的學生主要是5年級和6年級的學生，共48人。筆者用一份調查問卷來分析學生的基本情況和學習風格，從中把48名學生分成8個小組，每組6名學生，每組有明確的角色分工，水平大致相同。筆者在與學生討論分組情況后，共同完成學生們的分組。

學習者分析主要對參加Arduino “智慧種植”項目式學習活動的學生進行問卷調查，通過問卷調查可以分析學生的基本情況，這為促進項目學習打下了堅實的基礎（問卷見：附錄一）。隨機發放了 48份問卷，收到了 48份有效問卷。

1.學生參加項目式學習活動的經歷和意愿

圖3T學生參加項目式學習活動的經歷圖3-2學生參加項目式學習活動的意愿

如圖3-1和3-2所示，29.17%的學生只知道項目式學習活動的概念，31.25%的學生實際參加過項目式學習活動，約五分之二的學生對項目式學習活動缺乏了解。50%的學生對積極參與提供的項目式學習活動有很高的積極性50%的學生對參與提供的項目式學習活動有很高的積極性，主動參與提供的項目式學習活動29.17%的學生對項目式學習活動仍然不感興趣。

從大方面來看，對參與基于項目的學習活動來說，多數學生持開放和熱情態度，但沒有足夠的機會這樣做，筆者就這一現象采訪了教師，發現有兩個原因。一方面，由于缺乏受過相關專業培訓的教師（通常是科學或信息技術教師），另一方面是教學上的限制以及缺乏時間和學習機會, 使得學校不愿意實施項目式學習活動。

2.學生通過編程的方式解決問題的經歷和意愿

圖3-3學生編程經歷圖3-4學生編程意愿

如圖3-3和34所示，有編程經驗的學生（58.33%）和沒有編程經驗的學生（41.67%）回答說他們一般愿意和不愿意使用Arduino編程構建來解決問題。幾乎一樣，都占三分之一左右。此外，37.50%的受訪者明確表示愿意，而20.83%的人表示非常愿意。對數據的分析表明，有編程經驗的學生中，不太愿意嘗試的占少數，約有四分之一的人數。

一般來說，一些沒有編程經驗的學生不愿意嘗試編程。筆者通過通過通過采訪學生了解其中的原因。大多數學生表示：編程很難，操作復雜，不懂背后的邏輯，而且起點很高。這一現象表明，雖然學校里有項目活動，但參與Arduino編程的人非常少，而且缺乏容易操作、邏輯簡單、直觀的圖形化編程和Arduino平臺的知識。于是筆者對于這種現象，進行了由簡到繁，難度呈螺旋式逐漸上升的教學規劃和課程設計。

18.75%

K A.於老愿求建療&與潘學進行交氐溝通：C.目己皺立嘗試解決 9。忽給運翹卞弊決

圖3-5學習方式選擇圖3-6問題解決取向

從圖3-5和圖3-6中不難看出，在學習方式的選擇上，41.67%的學生喜歡合作學習，27.08% 的學生喜歡自學。當遇到問題時，試圖獨立解決的學生和以合作方式面對任務的學生的比例都一樣，都是18.75%。大量的學生也選擇直接向老師尋求幫助，這個人數占到39.58%。還有22.92% 的學生選擇直接忽視問題，采取消極態度，不解決問題。

針對這種現象，筆者采取小組合作的方式，在一定程度上促進了促進學生個人解決問題的教育實踐。

3.2.3社團教師分析

筆者對銀川市E小學的兩位信息技術教師進行了采訪。

1.訪談結果

問題一：您是編程機器人社團的指導教師嗎？指導教師還有外聘專職老師嗎？

教師：是的。指導教師都是校內的信息技術教師。

問題二：您覺得編程機器人課與學校其他課有什么不同嗎？

教師：編程機器人課呢，更多的是鍛煉孩子的動手能力。更有趣生動，孩子們很喜歡。

問題三：您是以什么方式開展編程機器人教學的？您能舉例子談談嗎？

教師：有的時候，我會以小組探究的形式，輔以微課，讓學生們來進行自主探究，教師就作為指導。有的時候就是按照校本教材，書上寫什么，我就教什么。比如之前有一個圖形化編程，制作一個鍵盤控制的小貓。我就會按照教材，先重點講一下軟件各個部分的功能，然后演示具體的操作，之后讓學生進行練習，我在旁邊進行指導。其實主要就是教師講授的形式，別的形式就沒有什么了。

問題四：您認為目前編程機器人課程存在哪些問題？

教師：首先，有的學生之前有過相關編程方面的學習，比如那種課外的輔導機構，之前就有過接觸，但是有的同學呢，在這方面沒有任何的基礎，所以導致他們每個人的基礎不太一樣，對知識的掌握能力、吸收速度也不太一樣。其次呢，就是我們老師也是多年的老教師了，可能對這些新的內容接收的比較慢，有的時候，學生比我用的還熟練呢。最后一個問題，可能就是學生對于這個課程并不是特別的重視。畢竟沒有試卷考試的壓力在，主要還是要看學生的興趣。

2.訪談分析

對訪談摘要中第一個問題的答案分析表明，機器人社團由兩位老師領導，他們都是信息技術教師。學校有創客空間和機器人社團，該校目前正專注于信息技術教育，為教師提供了設備和短期培訓。然而，培訓通常只限于學習如何使用產品，教師沒有系統的知識來教授Arduin。。

對訪談摘要中第二和第三個問題的回答的分析表明，教師對使用Arduino學習表現出強烈的興趣，并且有強大的社會和學校支持。與其他學習活動相比，Arduino教學更靈活，更容易上手, 但Arduino教學需要很多學科的技能，搭建和編程的過程也更靈活，所以雖然Arduino容易上手, 但要建立系統的知識網絡非常困難，相對來說比其他學科的教學難度更大。為此，教師在教授 Arduino時，會有意識地將Arduino的知識與其他學科的知識結合起來，并進行分組教學。教師的教學過程通常是先向學生介紹課程，然后讓學生自己練習，如果是初學或比較有難度的課程，則進行演示。接下來，教師給學生一個與本課有關的問題或任務，并要求他們在小組中學習。最后，教師對學生的完成情況進行評論。

訪談摘要中最后一個問題的答案，突出了小學生學習能力的差異、教師的困難以及機器人是一門課外興趣的選修課，這使得他們很難找到上課的時間。其次，學生們普遍不欣賞Arduino課程，認為它是一個課外“節目”，這意味著如果沒有老師的指導，學生學到的東西會非常少。此外，學生的信息素養能力在社團的不同年級和不同層次中差異很大，這使得教師很難考慮到所有學生的興趣。由于設備有限，很難保證Arduino教學的連續性。由于課程相對較短，學生很難形成系統的機器人知識。。

3.3“智慧種植”項目式學習活動設計思路

3.3.1“智慧種植”項目式學習活動目標

本研究的項目活動目標主要基于《中國學生發展的核心素養》，以“全面發展的人”的理念, 側重于發展學生的全面技能，如“批判性思維、解決問題和協作溝通”。基于項目活動的教育目標應體現學科的核心素養中最為重要的是，不僅要關注知識層面，還要關注技能層面，要考慮到學科基本素養的體現。具體教育目標見表3-1。

表3T “智慧種植”項目活動教學目標

知識與技能 1.了解開源硬件發展史；

2.能利用Arduino平臺進行創新設計，掌握邏輯流程圖的畫法；

3.能編輯簡單的編程語句，掌握如果指令、反復執行指令、自定義指令等邏輯類語句；一

4.認識傳感器元件如溫度檢測器、圖像檢測器，知道其工作原理及使用方法。

過程與方法 1.進行多角度的問題解決策略分析，發展批判性思維；

2.體驗想法實物化的創造過程，發展創造力、動手實踐能力；

3.經歷觀察、測試、交流、協作、完善方案的過程，發展技術創造和交流能力。

情感態度價值觀 1.感受迭代過程中精益求精的科學精神，形成實事求是的品質；

2.形成勇于探索、積極實踐、樂于合作與分享的學習態度與品質。

3.3.2"智慧種植”項目式學習活動內容

考慮到小學E年級學生對編程接觸不多，因此按照由淺入深、螺旋式上升的原則。學校每天下午是學校所有社團活動的時間，一次社團活動為一節課。

整體項目活動分為三大部分，以“智慧種植”為主題，每一部分都有相應的主題，圍繞主題開展活動，形成從初級到高級的布局，各部分之間既有聯系又有區別。每個部分的內容都遵循相同的布局原則。

第一部分為“軟硬件環境”，下設“Wow, Mind+”、“呼吸燈來啦!”兩個小任務，目的是讓學生熟悉Mind+界面，熟悉Arduino»

第二部分為“溫度傳感器”。該活動的主題是“會說話的溫度計” o學生應了解傳感器的概念和類型，體驗傳感器的直接編程能力。在了解了硬件之后，要求學生設計一個“溫度報警器”。

第三部分為“光照傳感器”。活動主題是“植物光照充足嗎？ ”。在第二階段，在掌握基于模塊的功能指令的基礎上，學生將學習稍具挑戰性的邏輯流程指令，以發展邏輯思維和創造能力。這包括自定義指令、條件性指令、元素、變量和軟件模塊應用。“光傳感器”是基于“光傳感器” 和“遙控燈”來進行設計。

在每個項目結束時，舉行小組展示、分享交流活動、教師全面評價、學生自我評價、個人作

品展示等活動。整個項目需要12小時的課時，具體內容和時間安排見下表3?2。

表3-2 “智慧種植”項目活動內容

智慧種植活動主題主要內容課時

軟硬件環境 Wow» Mind+ 認識Mind+操作界面；了解軟件常用操作；熟悉指令菜、模塊菜單和元素菜單的功能；探索設計作品的流程。 1

呼吸燈來啦！初步認識Arduino硬件。學會使用模塊類指令和延時器，實現燈光閃爍，體驗Mind+模擬仿真功能，初步了解LED燈工作原理。 2

項目一：溫度傳感器會說話的

“溫度計” 硬件了解了解Arduino溫度傳感器相關硬件。 1

溫度報警器制作溫度報警器，理解相關邏輯結構，能夠正確編寫代碼、上傳調試。 2

總結匯報項目一結束，組織成果展示活動，進行分享交流會，完成教師評價、學生自評、個人作品展示。 1

項目二：光照傳感器植物光照

充足嗎？硬件了解 T解Arduino光照傳感器相關硬件。 1

感光燈制作感光燈，理解相關邏輯結構，能夠正確編寫代碼、上傳調試。 1

遙控燈制作遙控燈，理解相關邏輯結構，能夠正確編寫代碼、上傳調試。 1

總結匯報項目二結束，組織成果展示活動，進行分享交流會，完成教師評價、學生自評、個人作品展示° 1

活動回顧我記得…… 學生回憶創作過程，總結感想收獲，進行反思評價。 1

3.4“智慧種植”項目式學習活動評價設計

教學評價是對教學目標和教學活動的判斷過程，是規范教學反饋的重要依據，也是對教師教學和學生學習效果的反饋。在機器人教育活動中，教育評價強調連續性，并貫穿于整個教育活動中。

3.4.1學習效果評價表

學生學習效果評價主要集中在知識層面，包括學生在項目學習過程中的行為表現、作品制作、項目完成后的交流評價等。本研究以項目學習理論為基礎，設計了學習效果評價量表。評價量表分為五個角度：基礎知識、機器搭建和編碼調試、項目作品、現場表現、組內工作分工。

基礎知識是指學習Arduino的基本知識。編寫程序是指利用編程軟件正確進行圖形化編輯。項目作品是指學生通過項目學習設計和創造的Arduino作品，要求與教學目標相一致。現場表現是指學生在項目學習過程中的具體表現。組內工作分工指的是在學習過程中明確各自分工，每個小組成員完成自己的工作，取長補短，共同完成任務。具體設計如表3-3：

表3-3學生學習效果評價表

評價內容評價標準評分

基礎知識

（20 分） 1.基本認識Arduino資源包里面的零件

2.掌握常用零件和各種傳感器的作用及使用方法

3.認識并理解Arduino主板各模塊的功能

4.理解Arduino的工作原理

機器搭建和編碼調試

（30 分） 1.能獨立完成搭建任務

2.能對搭建過程提出不同的方法

3.能獨立完成模塊化編程任務且調試成功

4.能理解Arduino的編程代碼并根據自己的需要進行適當的改進

項目作品

（30 分） 1.制作作品的過程完整且規范

2.作品滿足項目要求并能實現預期的功能

現場表現

（10 分） 1.能積極參加小組討論和學習

2.能靈活地使用信息傳遞工具

3.互動交流時語言表達清晰，邏輯結構完整

組內分工

（10 分） 1.小組分工明確，能取長補短，共同完成任務

2.小組成員能獨立完成分配的任務

總分

3.4.2創造力傾向表

為了更好地展示創造力教育的效果和對學生創造力的影響，我們選擇了一個比較權威和成熟的測量量表來測量學生的創造力。目前，USC Testing （南加利福尼亞大學測試）、Williams's Creativity Disposition Test （威廉斯創造力性格傾向測驗）、Torrance Creativity Test （托蘭斯創造力測驗）等測試比較成熟，應用也比較廣泛。南加利福尼亞大學創造力測試以語言和圖形方式進行，適合于年齡較大的受試者，包括中學生；托蘭斯測試以語言、圖形和聲音詞語的方式進行，適合于所有年齡段；威廉姆斯測試包括與托倫斯測試類似的圖形元素和測量受試者創造力傾向的量表，適合于小學高年級學生。威廉斯測試包括與托倫斯測試相同的圖形元素和測量受試者創造性傾向的量表，適合于高年級小學生。在本研究中，根據實驗對象的年齡特征、思維特征和操作技能，選擇了威廉斯量表作為測試學生創造力的工具。

《威廉姆斯創造力傾向量表》有50道題，正向42道，反向8道；50道題分四個維度：冒險性、好奇性、挑戰性、想象力，其中冒險性11道，反向題目為29和35題，好奇性14道，反向為12和48題，想象力13道，反向題目為第45題。挑戰性有12個問題，反向問題是第4、9、 17題。這個量表有大量的反向問題，反向問題的設計有效地提高了量表的可靠性和有效性。被調查者在被問及許多正面問題時，很容易陷入思維定勢，增加反向問題可以起到提示被調查者的作用，加深他們對問題的理解，并提供客觀的答案。

計分方式如下。正面問題。完全符合：3分，部分符合：2分，完全不符合：1分；負面問題: 完全符合：1分，部分符合：2分，完全不符合：3分。每個維度都會計算出一個累積分數，相應維度的分數越高，意味著該維度的思維能力越高，然后將其相加，得出學生的創造力分數，可用于識別有高創造性的人©。具體量表見附錄二。

3.4.3課程滿意度調查表

筆者從四個維度設計了課程滿意度調査表，分別是學生對教師任課的滿意度（第1題、第2 題），學生對Arduino平臺編程搭建和項目活動的滿意度（第3題、第4題），學生對Arduino 平臺的滿意度（第5題），學生對自身能力提高和體驗感的滿意度（第6題）。在課程全部結束時向學生發放。具體量表見附錄三。

為了驗證問卷測得結果的穩定性和一致性，280名學生參加了調査，除了參加E小學“智慧種植”項目的學生外，還從5年級和6年級的學生中收集了 212份有效問卷。信度測試的結果顯示所有維度的Cronbach's alpha值都超過了 0.8,見3-4。

表3-4課程滿意度調查表信度檢驗統計表

Cronbacha 系數項數

總問卷 0.923 6

因素1學生對任課教師的滿意度 0.852 2

因素2學生對Arduino平臺編程播建 0.892 2

和項目活動的滿意度

因素3學生對Arduino平臺的滿意度 0.941 1

因素4學生對自身能力提高和體驗 0.902 1

感的滿意度

®劉曉陵，劉路，邱燕霞，金瑜，周雋咸廉斯創造力測驗的信效度檢驗[J].基礎教育,2016,13（03）:51-58.

第四章基于Arduino的“智慧種植”項目式學習活動實踐

項目學習既是一個完整的教育過程，也是對學生實施活動的管理進行評價的過程。一般來說, 實施基于項目的學習有六個步驟。它們是：選定項目、制定計劃、活動探究、作品制作、成果交流和總結評價。選定項目和總結評價是教師主導的組織和實踐，而制定計劃、活動探究、作品制作和成果交流是學生主導的，讓學生通過解決問題的過程掌握認知的主動權，而計劃是學生學習的主軸。

4.1項目準備

4.1.1選定項目

該項目旨在創建一個“溫度報警器”，由老師和學生們討論后所得。決定了項目主題之后，教師就向學生展示預先準備好的教學材料。

本項目的宗旨是以中國學生發展核心素養為基礎，以培養"豐富的人性"為出發點。項目活動的目的應體現學科的核心素養，不僅要強調知識方面，還要強調能力方面。具體活動目標如表 3-5所示。

表4T "溫度傳感器"項目活動目標

知識維度 1. 了解測量溫度所需各項準備工作內容，學習和掌握相關技能。

2•能夠根據各個溫度傳感器的特點，進行相應的比較分析，并進行恰當的選擇。

3.了解溫度報警器能達到的功能及邏輯結構，學習和掌握相關技能。

4.能夠畫出正確的邏輯流程圖，并進行正確有效的代碼編寫。

5.能夠有效展示溫度報警器能達到的功能及邏輯結構。

6.能夠對溫度報警器進行正確的評價。

能力維度 1.創新能力

2.合作能力

3.溝通能力

4.批判思維能力

5.問題解決能力

學科核心素養目標 1.信息意識：能有意識地、主動地尋求獲取和處理信息的適當方式以解決問題。對信息的變化很敏感，獲取相關信息并使用有效的策略對信息來源的可靠性、內容的準確性和信息的目的做出適當的判斷。愿意與團隊成員分享信息，使信息的價值最大化，以協作解決問題。

2.計算思維：有能力合理地定義問題，抽象功能，創建結構模型和使用計算機科學的科學方法組織數據。有能力識別、分析和綜合不同的信息來源，并利用合理的算法制定解決問題的方案。總結解決計算機問題的程序和方法，并將其應用于其他相關問題。

3.數字化學習與創新：認識到數字學習環境的優點和缺點，適應這些環境并培養適當的學習習慣。掌握數字學習系統、資源和工具的管理，并利用它們進行獨立學習、協作、知識共享、創新和創造。

4.1.2.制定計劃

在制定計劃環節，教師應教會學生利用不同的來源來尋找有關溫度報警器的信息，并計劃一個項目活動。在這個活動中，學生將確定他們在小組中的角色，確定與溫度報警器有關的硬件，并根據實際情況制定一個初步的項目計劃。

1•教師活動

關于如何尋找和收集信息的課程可以向學生介紹收集信息的不同方法，如在互聯網上搜索，與有經驗的人交談，以及參考相關書籍和報紙。由于互聯網上有大量的信息，教師也可以在課堂上展示相關的信息，或者為每個小組打印出一張表，讓他們在課堂上研究時繼續使用它。如百度網(https://www.duba.com/ )、百度知道(https://zhidao.baidu.com/ )、百度文庫 (https://wenku.baidu.com/)等其他流行的科學網站。經驗攻略，即使用過傳感器的人寫出的經驗分享的網站，如好看網(http://haokan.baidu.com/)、電子發燒友網(http://www.elecfans.com/)；電商類的網站，如 omega 網(https://cn.omega.com/)、時恒電子網(http://www.shiheng.com.cn/)。鼓勵學生走到網絡世界，與有經驗的人交談，聽取各種不同的聲音。教師可以通過簡單講解"采訪的基本素養"的方式來完成學生對信息的獲取。如果時間不允許，教師也可以跳過小組討論，直接對學生說話，或者請幾個學生直接分享他們的想法。參考相關書籍和雜志可以提供Arduino 的發展歷史信息，尤其是結合課本，將活動學習與主課學習聯系起來，幫助學生活學活用。

在選定Arduino硬件環節，教師可進行適當的引導，首先嘗試讓學生進行個人的思考：你最想選用的傳感器是哪個？為什么？如果只能用一個理由為你所選的傳感器拉拉票，成為小組的共同的選擇，你打算怎么介紹這個傳感器？接著引導學生進行小組內的討論，每個同學充分發言，形成小組中共同選擇的傳感器。最后小組選出代表，進行全班展示。教師可利用“溫度傳感器信息收集任務單”進行，如表3-6。

表4-2溫度傳感器信息收集任務單

傳感器名稱傳感器價格

瑋畫出或貼上傳感器照片

特點及們

測的適用性

2.學生活動

制作溫度傳感器的過程有許多要素，學生將在主題范圍內討論這些要素，縮小值得研究的要素。每個小組將有6至8名學生，全班將被分成8個小組。組長將從組內選出。組內交流后，每個小組要準備一份報告。小組長要負責填寫"項目名稱和分組信息"，如表3-7第一次活動小組劃分計劃所示。

表4-3第一活動小組分工計劃表

標題：《溫度傳感器》制作

組長學生1 副組長學生2

記錄員學生3 協調員學生4

設計并繪制流程圖人員主要為學生5、學生6 編碼調試人員全組人員

裝飾人員學生2、學生4 展示人員學生1

在選定的Arduino硬件環節，學生們在頭腦中建立了一個溫度傳感器的初步雛形。以第一活動小組為例，小組成員經過對比分析，最終選擇了防水DS18B20溫度傳感器，如圖3-7。選擇該面板的原因是其防水的18B20溫度傳感器和Arduino,可用于各種場所，如土壤溫度檢測和熱水箱溫度控制。此外，DS18B20溫度傳感器也具有尺寸小、抗干擾能力強、精度高等優點。

圖4T防水DS18B20溫度傳感器

經過全體成員的討論，制定切實可行的活動計劃。主要是針對活動的各項指標，如時間、進度、產出等制定了切實有效的計劃，根據成員的不同特點合理分配任務，并錄入“項目活動計劃書”。項目計劃編制完成后，團隊成員按照計劃實施項目活動。表3-8是第一個活動小組的項目活動計劃書。

表4-4第一活動小組項目活動計劃書

活動名稱’ 《溫度傳感器制作》

研究內容基于Arduino平臺的軟件與硬件，組內成員通過自己的設計制作溫度傳感器，并盡可能的增加創意點和提高美觀程度。

活動計劃本項目計劃運用4周時間完成。

第一周：學生在教師的指導下進行分組，小組成員進行相關資料的搜集與整理，并繪制作品草圖與代碼流程圖。

第二、三周：根據繪制的草圖與代碼流程圖，進行編寫代碼、上傳調試。第四周：展示交流，組間互評和組內互評及作品的修改和完善。

感興趣方向溫度傳感器放在哪里測溫會比較合適？土壤表層還是較深處？

4.2項目實施

4.2.1活動探究

在搭建溫度報警器環節，教師可以利用電腦投屏繼續展示溫度報警器的工作原理，并給學生講解搭建的關鍵步驟。學生在此環節需要再次仔細學習溫度報警器的工作原理，借助前面所學知識以及網上的相關資源，在小組成員的共同努力下，嘗試利用Arduino主控板、蜂鳴器、溫度傳感器等零件搭建一臺溫度報警器。

1•繪制流程圖

在編寫程序代碼之前，教師首先需要使學生明確代碼的邏輯結構。在此環節，教師可引入“流程圖”的教學。在本次案例中，教師使用"愛莫流程圖”網站進行教學，網站如圖3-8。

用Mind+軟件控制一個溫度傳感器，然后進入microPython模式，進一步完善了他們的程序代碼。他們還可以在網上收集信息，利用網上資源來編寫、修改和

完善他們的代碼。

3.上傳調試

在上傳和調試過程中，學生應調試和審查編輯過的代碼，并糾正他們發現的任何錯誤。在驗證了程序代碼的正確性后，使用筆記本電腦的USB接口將代碼上傳到溫度報警器。有學習困難的學生將由老師輔導，以確保所有學生都能完成作業。

圖4-4溫度傳感器連接調試

以第三活動小組為例。小組成員在完成基本的測量溫度及報警的功能后，希望加入LED燈閃爍提醒的功能。但上傳后代碼報錯。通過小組成員討論、求助教師等方式均未能解決問題。之后嘗試在網上社區留言，得到多方面的幫助，找到問題所在：其中一行代碼少加了個“；”，最終成功修改調試，實現想要的功能。

4.2.2作品制作

完成上述研究活動，原則上可以達到本項目活動的學習目標。之后，學生們只需要按照給定的分工，一起搭建溫度傳感器。對于實踐能力較弱的小組，教師應提供更多的指導和幫助，以確保每個小組都能完成工作；對于實踐能力較強的小組，他可以嘗試不同的角色，使每個人都能盡可能獨立完成工作，或者讓能力較強的學生充當"小老師"，在一定程度上幫助那些不能完成工作的同學。

4.3項目評價

4.3.1成果交流

作品制作完成后，教師要組織學生進行作品的分享交流。教師可舉行“最佳溫度報警器評選” 活動。配合PPT和音樂烘托氣氛，使學生感覺有別于傳統的小組分享，從而調動學生的情緒。在這個過程中，還可以邀請同行專家和學科教師對學生的工作進行指導，以便他們以后能夠修改和完善本組的工作。

4.3.2總結評價

在研究和制作階段，教師要填寫學生活動記錄表，客觀地評價學生的表現。作品完成后，相互評價、師生評價、自我評價，讓學生了解其他小組作品的精髓，修改和完善自己小組的作品

在總結性評估中，教師組織學生進行項目學習評估，對學生的學習成果和工作進行總結性評價，并根據學生學習效果評估表為每個學生打分。

至此，該項目活動結束。為了鞏固溫度傳感器項目的學習效果，教師可以引導學生回顧相關知識，總結操作流程，整理Arduino工作的程序代碼，最后結合各組的優缺點提出改進意見。

第五章基于 Arduino 的“智慧種植”項目式學習活動效果分析

5.1 “智慧種植”項目式學習活動效果分析

在為期三個月的項目式學習活動結束之后，筆者分析了學習者的相關學習效果。筆者分析了威廉姆斯創意傾向量表、課程滿意度調查表和學習效果評估分數的結果，考察了參加Arduino機器人項目的學生的學習效果。

5.1.1創造力傾向表數據分析

為了更好地監測學生創造力的變化，證明筆者設計的創造力教育項目活動會給學生自身的創造力帶來變化，使參加項目活動的學生在實施期間沒有接受過相同或類似的創造力培訓活動，筆者在前后對學生進行了創造力測試,2021年9月初對每個參加社團的學生進行了威廉的前創造力測試，共發放48份，收回48份。后測是在教學活動結束時進行的，前測和后測之間有三個月的間隔。在后測中收集了 48份有效問卷。

根據評分方法，個人得分越高，創造力就越強。如圖3-12所示，在基于Arduino進行"智能種植"項目之前，大多數學生的創造力得分區間為90-109,人數最多，為32人。高分（130分以上）有2人，低分（90分以下）有14人。在基于Arduino進行"智能種植"項目之后，110分-129 分分段有12人，90分-109分分段有36人，沒有學生的分數低于90分或高于130分。這反映了后測的整體得分水平高于前測，以及學生初步提高創造力水平的趨勢，這在分數的分布中得到了體現。

然后筆者用配對樣本T檢驗分析了測試前和測試后的數拯。對五個維度的數據進行了配對樣本t檢驗：測試前總分、測試前冒險性、測試前好奇心、測試前想象力和測試前挑戰性。在95% 的差異置信區間下，除挑戰性維度外，每個維度的sig值都小于0.05,說明每個維度都有顯著差異。這說明學生在學習了基于Arduino平臺的項目后，其創造力得到了明顯的提升。

表5-1創造力前后測配對樣本T檢驗

成對差分 t df Sig.

（雙側）

均值標準差均值的標準誤差分的95%置信區間

下限上限

好奇性前測-好奇性后測 2. 16667 4. 60309 .93960 • 22295 4. 11038 2. 306 23 .030

冒險性前測-冒險性后測 1. 91667 3.42518 .69916 .47034 3. 36299 2. 741 23 .012

挑戰性前測-挑戰性后測 1. 00000 3. 78785 .77319 59947 2. 59947 1. 293 23 .209

想象力前測-想象力后測 1. 87500 4. 31693 .88119 .05212 3.69788 2. 128 23 .044

總分前測-總分后測 -9.29167 13. 69379 2. 79523 -15. 07405 -3. 50929 -3. 324 23 .003

好奇性這一維度的sig值為0.030。結果表明，在三個月的項目學習中，學生的好奇心有明顯的差異。學生們在老師創造的真實情境中發現了問題。在建造和設計電子產品時，他們需要弄清楚這一點。

冒險性維度的sig值為0.012,表明在三個月的項目期間，學生的冒險性有了明顯的差異。換句話說，學生的獨立性和自主性在整個學習過程中得到了體現，他們第一次接觸到了更多的東西，如圖形編程和設計研究。

挑戰性維度的sig值為0. 209,大于0.05,表明在三個月的項目結束時，學生對問題的認識沒有明顯差異。從設計活動的創建到最終產品的展示和評估，對不熟悉圖形化編程的學生來說是一個挑戰，但這個過程是他們的第一次體驗，而且項目對實踐能力的要求很高，比如與其他學生的溝通和分享，因此，有可能適應和協調并不順利。另外，學生在獨立思考時無法突破固有觀念帶來的思維局限，固有觀念導致思維僵化，可能是造成這些結果的原因之一。

想象力維度的sig值為0. 044,表明在三個月的項目結束時，學生的想象力水平有了明顯的差異。學習者需要思考如何實現產品，選擇哪些電子模塊以及它們的功能是什么。設計調查、研究和分析需要學生在頭腦中反復思考預設的邏輯程序和擴展，在不斷的實驗過程中，學生的思維活動有望變得更加活躍，想象力也有望得到發展和提高。好奇性這一維度的sig值為0.030。這表明，在三個月的項目學習中，學生的好奇心有明顯的差異。學生們在老師創造的真實情境中發現了問題。在建造和設計電子產品時，他們需要弄清楚這一點。在好奇心的啟發下，學生們經歷了與他們自己的生活經驗有關的猜測、建造和生成活動，這是學生們以前沒有經歷過的系統運作原理。

5.1.2課程滿意度調查數據分析

課程滿意度調查表由以下四個項目組成：“對教師課堂的滿意度”，“對圖形編程和創造者學習活動的滿意度”，“對創造者工具的滿意度”，以及“對提高自身能力和經驗的滿意度”。這份課程滿意度調查表是在課程結束后分發給學生的。這份問卷在課程結束時分發給了學生，共共收回48份問卷，所有問卷都是有效的，之后對所取得的數據進行結果分析。

1.學生對教師任課的滿意度

圖5-2學生對教師任課風格滿意度

圖5-3學生對教師提供教學支持的滿意度

2.學生對Arduino編程搭建和項目式學習活動的滿意度

圖5-4學生對Arduino編程搭建的滿意度

3.學生對Arduino平臺的滿意度

圖5-5學生課下應用Arduino的意愿

4.學生對自身能力提高和體驗感的滿意度

送以提蠢我的*力礎適力39

EPJ以巽粽我於進輅思曲!注MM— 39

c.可以搖譎找琢爭購st; MMMMiMMW 36

d.可以利為neH昨生泛箱說:.賃供亦空—BP™—fl———p™ 38

昧用項也舌如仔習怠弍便斑卅與歸受* 38

0 5 10 15 20 25 30 35 40 4S

圖5-6學生能力提高和體驗情況

學生對"智慧種植"項目式學習活動總體上是滿意的。首先，參加"智能種植"項目的45名學生似乎很喜歡老師的教學方式；87. 5%的學生在出現新問題時得到了老師的及時支持，然而在某些情況下也出現了支持不夠及時的情況。其次，64. 58%的學生對構建Arduino編程持積極態度, 66. 67%的學生希望在課外繼續嘗試Arduino平臺66. 67%的學生希望在再次開展類似項目活動時參與其中。參與感、責任感、信心和成就感也體現在學生積極參與課堂實施中，大多數學生表示通過學習，實踐能力、邏輯思維、想象力和創造力都得到了提高。

5.1.3學習效果數據分析

筆者與助教LMJ通過觀察學生的學習過程、對學生的提問以及學生的最終作品來評分，但由于教師的分數存在一定的主觀性，筆者最終將教師的分數平均化，以使分數盡可能的公平。計分規則是：總分是100分。基礎知識20分，搭建機器和編碼與調試30分，項目工作20分，現場表現和小組分工各10分，最低60分合格，90分優秀。具體分值見下表3-10：

表5-2學生得分統計表

平均分中位數最小值最大值合格率優秀率

80. 5 82 61 92 80% 15%

可以看到，所有學生的得分都在60分以上，這說明他們在基于項目的Arduino學習中表現良好。通過觀察，筆者發現學生的基礎知識一般，大多停留在如何使用的層面上，只有少數學生能輕松畫出傳感器的工作原理。學生們普遍對搭建和編碼Arduino程序感興趣，這也是他們學的最好的一部分。在老師的指導下，所有學生都學會了如何組裝Arduino.筆者印象最深的是一位女同學，她在課后獨自學習了 30分鐘，學習如何組裝。由于編寫代碼的難度，一些學生無法完成模塊編程和代碼調試。此外，大多數學生都很活躍，只有少數學生在上課時有點累，這可能是由于學習的壓力。

總之，從得分結果的分析來看，可以說學生對知識維度的學習情況總體良好，所有學生都能完成既定的教學任務，學生學習成果符合教育的一般規律，具有充分的研究價值。

5.2 “智慧種植”項目式學習活動設計實施反思

5.2.1項目設計的一致性

針對性是讓教師能夠有的放矢，關聯性和一致性是為了讓教師能夠更好地設計出學生們喜歡、也實際上能讓學生成長的項目。

基于項目的學習非常強調所學知識前后的邏輯關系。在開展項目式學習活動之前，教師必須根據知識點、難度和項目內容之間的上下關系來設計每個項目。由于教師在項目學習活動中可以采用歸納法或演繹法，因此知識點的上下關系應根據實際需要來調整。在本研究中，為了促進學生的學習，筆者釆用了螺旋式的排列方式，逐步將高層次的知識點放在最后，較容易的知識點放在前面，并減少每個項目的跨度。

此外，基于項目的學習的概念之一是：在學習過程中，一個小組的學生確定一個問題，設計一個解決方案，并在有限的時間內解決這個問題。

因此，項目學習的概念需要貫穿整個項目活動，在項目活動的準備和實施階段，以及整個項目的評估階段，都要體現項目學習的要素。此外，項目學習要求教師不僅要關注學生在項目活動中的學習情況，還要關注學生是否學會了如何運用所學知識來解決實際問題，以及學生的綜合能力。

5.2.2項目實施過程要完整

在項目學習活動過程中教師和學生都只關注活動中間的項目實施階段，而或多或少地忽略了其他方面，其實，項目實施階段只是教學生怎么做，并沒有傳達學習準備階段的原則和重要性，忽略了評價階段，就是忽略了對學生學習的提煉和升華。

在項目準備階段，適當的準備對接下來的學習過程至關重要。如果沒有總結和評價，學生可能會無法認識到自己的學習缺陷，使他們更難獲得卓越的學習體驗。

在評價階段，教師需要組織學生，使他們能夠匯報小組的學習情況。反思本研究的教學，筆者得出結論：如果教師在備課階段預先設計好演示框架，并將其作為學生報告的支架，學生不僅能以清晰的邏輯方式介紹和展示自己的作品，還能更好地展示自己的表達能力。讓學生在有限的課堂時間內獲得最顯著的成長。

5.2.3項目實施要體現快樂學習

教育的目的在于為學生的后續教育活動提供必要的支持。在教育活動中，教師要鼓勵學生形成終身創新和不斷創新的良好意識，努力進一步提高學生的學習質量和創造性思維。

然而，很多學生是在興趣的驅使下參與信息技術課的，當教學活動開始體現時，過于復雜的教學任務會掩蓋學生的學習意愿。如何引導學生對項目式學習活動真正滿意，并圍繞學生的愿望建立教育項目，是一個值得深思且亟待討論的教育問題。

學生在教育活動中會尋求教師的關注，當教師肯定了學生的成績后，巨大的成就感會使學生在教育問題上占據主動，形成積極的互動意識。教師要善于從情感層面引導和激勵學生，幫助他們反思學習問題，使他們在學習過程中積累強烈的成就感，增強他們對信息技術課程的學習興趣。

項目式學習提倡通過主動探究獲取知識，但隨著學習難度的增加，學生在學習上的難度也在不斷增加，這就要求教師不僅要引導學生學習知識，還要在學習結束后及時總結。與其他學科不同，機器人教育中的知識是零散的。教師需要先畫出制作工作的流程圖，按照流程圖回顧整個項目的學習情況，并對Arduino傳感器制作的每個步驟進行系統的總結和歸納。總結的過程也可以調動學生的學習積極性，在教育活動中分享學習經驗和創作靈感，并激勵學習者主動且積極的參與創作活動，展示自己的才華！

第六章總結與展望

6.1研究總結與反思

中小學教育階段的編程教育已經成為教育領域的一個熱門話題，對人工智能時代的編程人才培養至關重要。目前的小學編程課程僅限于對于編程邏輯、代碼規范等信息規則的教學，而對于實際生活中真實場景的構建較為缺乏。項目式學習恰恰能夠將語言信息和生活實際巧妙的聯系起來，學習者在項目式學習活動中能夠順其自然地將所學的編程理論知識通過應用轉化為實踐知識。所以筆者在小學Arduino教育中采用了項目式學習，以銀川E小學的五、六年級的學習者為本次研究的實踐對象，通過設計應用于該小學高年級學生的基于Arduino的編程項目式學習活動, 找到小學編程教育中存在的問題。最終得出的結論如下：

第一，對小學五、六年級學習者進行基于Arduino的項目式學習活動是可行的。通過梳理 Arduino和項目式學習的相關文獻，以及“智慧種植”項目式學習活動的成功實踐表明，在小學高年段進行基于Arduino的項目式學習的活動是行之有效的。

第二，在項目式學習活動中加入Arduino開源軟硬件對提高小學五、六年級學習者的學習興趣有積極意義。學生將抽象的代碼轉化為圖形化的編程，再轉化為開源硬件的直觀變化，能夠更加直觀的體會到編程語言的執行過程與結果。在這個過程中，Arduino在溫控、燈光、聲控等方面的功能，也增加了項目趣味性與挑戰性。

第三，項目式學習活動能夠提升學習者的相關能力。本研究在整個教學實施前后對學生創造力、課程滿意度及學習效果進行檢測，驗證了此次''智慧種植”項目式學習活動不僅提高了學生的學習積極性，還提高了學生的編程能力和創造力，教學效果良好。。

本研究通過實際測試，證明了使用Arduino平臺的小學項目式學習活動的有效性。反思研究過程和結果，將本文的局限性總結為以下三點。

1.由于教材的獲取、筆者自身的知識、實踐學校的環境和設備資源等方面的限制，課程內容仍有欠缺。

2.本研究設計的項目式學習活動實施了三個月，顯示了一定的教育效果，但由于時間有限, 還有待改進，需要通過實施進一步完善。

3.本次實驗中獲取的樣本數據來源不夠充分，基于項目的學習活動的數據收集和分析只針對在實習地點參加社團的學生進行了為期三個月的樣本采集，沒有進行普遍的研究。因此，需要進一步的實施、研究、證據收集和分析，以此來確定本研究中設計的使用Arduino的項目式學習活動是否可以大規模推廣。

6.2研究展望

基礎教育中推廣開源平臺和項目式學習是未來的趨勢，在項目式學習活動中融入設計學習的理念是人工智能時代的新趨勢，但限于時間和作者自身的水平，基于項目的學習在的相關教學中還可以逬行更多方面的研究和拓展：

1.研究的延伸和深化。在下一步的研究中，我們將加強研究的深度和廣度，開展利用Arduino 進行項目式學習活動的延伸研究，通過此次教學實踐不難發現，Arduino的教育在校內開展情況還比較薄弱，應改在基礎信息技術教學中增加相關的訓練，并且不僅限于社團，應該在不同的年級中進行相對應的推廣，以此來進一步完善和豐富中小學項目式學習活動和開源硬件導向編程的理論和實踐研究。我們認為有必要為教育的實施提供理論指導和應用支持。

2.在不同地區不同類型的學校開展更大范圍的教學實驗，本研究結果僅可代表銀川市某小學的Arduino接受程度，在后期的研究和探討中可以選擇在不同的地區和不用類型的學校中進行推廣性試驗，來進一步論證Arduino相關教學的可行性。

3.項目活動的豐富。項目式學習活動的開發與研究仍然不夠全面，尤其是圖形編程的活動內容，可以不僅僅局限于簡單的電子產品的單一設計，還可以整合到小游戲和應用程序的開發中去。另外，不僅限于信息技術教育，其他學科也可以參考本論文中項目式學習的經驗，來更好的進行授課。

參考文獻

1.著作：

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［3］謝慶生.小學創客教育校本課程開發與應用研究［D］.西南大學,2020.

［4］李曉紅.基于創客教育理念的高中信息技術課程教學研究與實踐［D］.西北師范大學，2020.

［5］高金麗.創客教學模式的設計與實踐研究［D］.華東師范大學,2016.

［6］劉曉丹•創客教育課程設計模式研究［D］.華東師范大學,2016.

［7］王曉明.基于髙校創客空間的大學生創新能力培養研究［D］.西南交通大學,2016.

［8］李青燕•中小學創客教育的教學現狀及其影響因素調查研究［D］.西南大學,2017.

［9］蔡真真•創客教育中教學方式對學習效果的影響［D］.上海師范大學,2016.

［10］姜麗麗.小學高年級創客教育校本課程開發與實踐研究［D］.渤海大學,2017.

［11］吳瑋玉.美國加利福尼亞州創客教育課程決策現狀的案例研究［D］.江西師范大學,2016.

［⑵王濱.基于項目教學法的小學創客教育課程教學設計與實踐［D］.陜西師范大學,2018.

［13］彭青青.小學創客基礎課程開發與實踐研究［D］.沈陽大學,2017.

［14］王麗華.面向創客教育的初中機器人教學研究［D］.廣西師范大學,2017.

［15］徐姍姍.創客教育中小學生邏輯思維能力的培養［D］.山東師范大學,2018.

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［17］高鳳.基于Scratch的中小學創新教育平臺設計與研究［D］.陜西師范大學,2016.

［18］梁巧玲.結合測控板的小學Scratch創意編程教學研究［D］.上海師范大學,2017.

［19］李彤彤.基于設計思維的創客教育教學模式設計與應用研究［D］.華東師范大學,2019.

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