基于micro：bit开发板的STEAM创客教具设计研究

严陈凯，张铁成，何文杰，伍智泓，张真玮，傅 濠

（大连大学，辽宁 大连 116622）

0 引 言

STEAM教育是含科学、技术、工程、艺术、数学等多学科的综合教育，国外的STEAM教育起步较早，而我国相关教育起步较晚，资源严重缺乏。随着创客教育的逐步推广，编程教育成为STEAM教育的一个重要发展方向[1]。

从创客教具产品方面来看，市场上的可编程创客教育产品以乐高为主导，种类较少，虽然也有部分公司推出了不同形式的可编程教具，可满足不同年龄段对编程的入门操作需求，但也存在可编程控制中心过于集成化，在造型及拼接方式上受传统产品影响较大，功能不够丰富，操作不方便等缺点[2-3]。

1 在STEAM中加入编程能力培养的可行性

1.1 国家对编程能力培养的重视

2015年“十三五”规划提出注重少儿编程能力培养后，国内少儿编程迎来了一个发展小高峰。政策推动之下，资本也纷纷涌入少儿编程行业。从最近的融资数据来看，资本并未全部加码相对头部的企业，还在市场上继续寻觅着新创企业。可见，目前少儿编程市场仍存在较大缺口。中国少儿编程市场在资本、政策、用户的相互作用下，将迎来爆发期。

1.2 编程能力与STEAM结合的方向

少儿编程，尤其是少儿机器人编程对促进儿童STEAM能力的发展具有重要作用，它强调知识跨界、场景多元、问题生成、批判建构、创新驱动，既体现课程综合化、实践化、活动化的诸多特征，又反应了课程回归生活、回归社会、回归自然的本质诉求[4-5]。

1.3 易于使用的micro：bit开发板已成为少儿编程首选的工具之一

micro：bit是一款由英国广播电视公司（BBC）联合若干家公司和机构，如三星、微软等，专为青少年编程教育而设计的微型电脑开发板，BBC希望通过micro：bit驱动青少年参与创造性的硬件制作和软件编程中，而非每天沉浸在各式娱乐和消费活动中。该开发板为基于ARM体系的嵌入式系统，电路板尺寸为4 cm×5 cm，拥有ARM Cortex-M0处理器、加速度传感器、磁力传感器，具备蓝牙通信和USB连接能力，含有由25个LED组成的显示屏和2个可编程按钮，可以通过USB连接电源或者外部电池供电。

作为一个小型的可编程计算机，旨在使学习与教学变得轻松有趣。用户可使用微软提供的MakeCode编辑器轻松用图形化模块和JavaScript编写micro：bit，也可使用Python编辑器为想要继续深入学习编程的人群提供代码段、预制图像和音乐，以便进一步编程。因该产品功能强大、易于上手，受到了越来越多编程爱好者的关注，被作为学习编程的首选工具之一[6-7]。

2 可编程教具的设计基本准则

2.1 应选择易于使用的编程系统

考虑到低龄客户的接受程度，不建议使用纯英文版本的软件，以及通篇操作需要进行手动代码编写的软件。为了能够迅速抓取儿童以及青少年的注意力，应选用中文版且以彩色方块构成的图形化编程软件。这类软件具有操作简便、画面精美等特点，可通过不同色块的拼接组合成不同的指令，激发儿童的绘图意识，促使他们更好地投入到编程学习当中。

2.2 编程教具应具有良好的可操作性、易操作性

教具应便于操作，考虑将教具设计成不同的零件，通过插接以及少量螺丝进行固定。每一块组成板上都有明确的拼插指示，同时，为了避免儿童误吞螺丝，建议使用平底大号螺丝，可以用手进行操作，免去了使用螺丝刀的危险。安装开发板的固件上也有明确的位置指示，使得儿童可以更容易地动手拼接。通过动手组装模块，可以开发儿童思维，锻炼他们的动手能力以及培养他们的耐心[8-9]。

2.3 积极培养孩子的创造性

建议将教具设计成可组装的形式，在动手组装的过程中，便于儿童领悟空间的概念，在拼接不同造型的同时，能够更好地发挥他们的创造力。配合编程板的使用，可以实现一种玩具多种玩法的目标，让儿童从不同的拼接组合与不同的编程指令中不断探索，发现更多乐趣。

2.4 编程教具的可拓展性

可编程教具可采用激光切割椴木层板、3D打印等方式生产，也可采用注射成型制造的零件。直接成型的教具大部分用于编程的进阶学习，通过更复杂的编程指令实现一机多操技术。可从主打编程、主打拼接和双向进行三个大方面进行扩展。

2.5 多年龄段适用性

针对不同年龄阶段的客户推出不同的风格主题，既不会让年龄偏大的儿童觉得幼稚无味，也不会让年龄偏小的儿童失去乐趣。针对不同年龄段进行不同的教程编写，推出不同风格主题的教科书[10-11]。

2.6 编程教学课程的趣味性

为适应儿童的接受能力，选择通过卡通插图画的形式教学，使用不同的卡通图案取代晦涩难懂的复杂编程语言。不同的卡通图案代表不同的程序指令，不同颜色卡通图案的组合将构成不同的程序。每一个完整的编程语言都由不同的卡通图案构成，不同的图案不仅能够抓取儿童的注意力，也更便于儿童理解教程。

3 基于micro：bit开发板创客教具设计方案探讨

3.1 基于micro：bit开发板设计的智能小车

（1）兼容乐高模块，以micro：bit开发板为控制中心，用micro：bit扩展板驱动电机等元件，可通过手机APP、遥控手柄等控制智能小车。

（2）设计教具的不同功能结构件及传感器，使其实现可组装、可运动的效果，固定micro：bit开发板、扩展板及其他常用电子元件。

（3）根据不同阶段的学习情况，逐步扩展可编程小车的功能。

（4）开发配套课程资源，制作可编程教具使用过程、组装过程、接线过程的图文与视频教程。

3.2 基于micro：bit开发板的机器人

（1）通过由简单到复杂的方式，将micro：bit开发板作为机器人的控制中心，完成电机、舵机、语音、显示屏等模块的控制，让机器人实现不同的功能。

（2）通过采用不同数量的结构件及连接件，实现模块不同的组装状态，如设计以驱动电机或舵机作为动力源的可编程机器人。

（3）配套课程资源开发，制作可编程教具使用过程、组装过程、接线过程的图文与视频教程。

4 结 语

在STEAM教育中融入编程能力的培养更加符合当前国内儿童的教育发展趋势，具有综合编程等功能的STEAM教具的开发具有广阔的市场发展空间。根据儿童的学习能力特点，在可编程创客教具中采用易于使用的图形化编程软件，使教具具有良好的可操作性与易用性，通过组装等方式提升儿童的创造力[12]。