基于Arduino的中小学生编程课程开发与项目设计

摘要：Arduino是当前主流的电子设计平台，基于单片机系统的开源易学性受到编程爱好者的青睐。本文首先分析了本研究课题的背景及其现状，从中得出课题研究的目的与意义。再通过对中小学编程课程开发所需的技术支持，进一步介绍了Arduino平台、程序开发、ArduBlock图形化编程软件、传感器以及基础电子元件等。接着分析了中小学编程课程的主要内容及编程内容模块，最后基于Arduino开源设计平台正式进行编程课程的开发设计，由浅入深地为中小学的学生设计编程课程目前较为流行的电子互动平台。希望能借此帮助我国中小学学生提高编程理解能力，锻炼计算思维能力，最终实现中小学生独立性的思考和创造力的培养。

关键词：Arduino；计算思维；编程课程；开发设计

Abstract：Arduino Arduino is the current mainstream electronic design platform, and the open source and easy learning of SCM system is favored by programmers.Firstly, this paper analyzes the background and current situation of this research subject, and obtains the purpose and significance of the research.Through the technical support for programming curriculum development in primary and secondary schools, the Arduino platform, program development, ArduBlock graphical programming software, sensors and basic electronic components are further introduced.Then analyzes the main content and the programming of primary and secondary schools curriculum programming content module, based on the Arduino platform officially open source design programming curriculum development and design, design for primary and secondary school students in 1 programming course at present more popular electronic interactive platform.It is hoped that this will help our primary and middle school students improve their understanding of programming, exercise their thinking ability, and finally realize the independent thinking and creativity of primary and middle school students. Key words：Arduino; Computational Thinking; Programming Course; Development Design

摘要 (1)

Abstract (1)

目录 (2)

1 引言 (3)

1.1 研究背景 (3)

1.2 研究现状 (3)

1.2.1 国外研究现状 (3)

1.2.2 国内研究现状 (4)

1.3 研究目的与意义 (5)

2 中小学编程课程开发的相关技术支持 (5)

2.1 中小学编程课程 (5)

2.2 Arduino平台 (6)

2.2.1 Arduino简介 (6)

2.2.2 程序开发 (7)

2.2.3 图形化编程软件——ArduBlock (9)

2.3 电子元件 (9)

2.3.1 基础元件 (9)

2.3.2 传感器 (10)

3 中小学生编程课程的主要内容 (11)

3.1 编程课程标准 (11)

3.1.1 中小学编程指导课程 (12)

3.1.2 中小学编程基础内容 (12)

3.2 中小学编程教材分析 (12)

3.2.1 编程教材的说明 (12)

3.2.2 编程教材的内容模块分析 (13)

4 编程课程开发与设计 (14)

4.1 Arduino设计平台的引入 (15)

4.2 while循环语句进行单片机控制LED闪烁 (15)

4.3 if选择语句进行开关控制LED灯 (17)

4.4 for循环语句进行单片机控制LED流水灯 (17)

4.5 一维数组控制数码管显示 (18)

4.6 二维数组控制LED点阵显示 (19)

4.7 函数调用和数据转换设计简易数字温度计 (19)

结论 (20)

1 引言

1.1 研究背景

随着互联网技术的蓬勃发展，如今的时代俨然已经逐渐走向人工智能化的时代，在互联网大数据的背景下，关于中小学学生计算思维的培养和编程技术的实践不断深入。传统的计算机信息技术教育已经无法适应现今我国中小学的信息技术课程。如今是科技时代的发展，各式各样的电子产品和软件程序层不不穷，通过编程可以帮助人们解决生活中很多实际的问题，比如通过单片机的温湿度报警系统可以有效帮助智能家居系统实行智能化报警预防。身处信息时代生活环境的中小学生在面对很多电子产品中总会碰到各种实际问题，而编程教育作为学校的基本课程标准，可以对传统的中小学课程进行有力的补充，满足中小学学生对编程的好奇心，引领学生进入编程的大环境下，从小培养孩子的计算思维能力[1]。

基于目前国内外关于编程教育在中小学的开设，中小学学生的智商仍处于发育阶段，编程教育课程可以有效助学生们在计算思维能力方面的开发。在《我国中小学拓展课程指导》中明确提出在在充分考虑中小学生感知能力、理解能力以及兴趣特点的条件下，深入切实开展中小学生扩展课程。如今中小学开设的计算机课程中有很多类，包括计算机原理、网络技术、office办公、CAD使用等等，但是在编程领域仍然处于弱势，原因不仅是这方面教材较少，老师较少，很大程度上也是中小学编程课程的缺失。

1.2 研究现状

1.2.1 国外研究现状

国外对于编程教育课程的明显领先于我国，在二十世纪六十年代初期，以美国为首的西方发达国家就相继在高校中展开编程课程的教育，经过十几年的发展，在二十世纪七十年代末期将标称课程逐渐推进到中小学的课程中，对本国的中小学生进行了简单的编程课程教学，在这期间也退出了很多机遇教育编程课程的技术开发平台，例如visual studio、Eclipse等，或者直接在Linux系统进行编程教学。编程教育课程完成了从大学到中小学的课程拓展。

在编程课程项目设计方面，美国格外主用与教学的结合，重视编程项目的实践，除了课堂教学之外还会进行编程课外活动或者夏令营活动等等，让学生做到真正的学以致用。美国教育研究者Billy Matheson指出美国的编程教育主要是采用项目实践的教学方式，进行理论教学之后，会直接让学生自己设计制作软件程序，在这个编程过程真正理解编程的含义及魅力[2]。还有一些研究者如Rosalyn S. Hobson指出当前美国的编程教育过于实践化，忽略了编程教育的理论教育，强调在中小学阶段理论教育比实验教学更加重要[3]。

1.2.2 国内研究现状

我国的编程课程和国外相比明显滞后了，首先起步较晚，最早开展于上个世纪七十年代初期，在我国的“七五”计划中均有涉及。但是由于编程技术水平落后，一直停滞不前，直到二十时间九十年代初期才有了初步的发展，进入二十一世纪以来才得到空前的发展。我国编程教育最先是在清华大学中开展，主用进行的系统的研究设计，后来逐步拓展了其他领域。而在中小学编程教育课程是2000年之后才纳入国家教育计划。

目前国内有很大一部分省市或学校都开发设计了地方校本编程课程，如北京市、上海市和江苏省都将编程课程模块纳入到了义务教育信息技术教育课程标准中。在江苏省的《义务教育信息技术纲要》中明确指出详细各学段编程课程教学的目标和内容。很多实验学校自己开发了一套分为小学、初中阶段的校本编程课程，例如无锡凤翔实验学校就选用Arduino为教学平台，采用A VR单片为微处理器，配备有关电子元件，通过简单的编程设计开发进行编程教学活动的开展。不仅扩展了编程的知识体系，而且编程课程的趣味性也到了明显加强。戴海源指出目前比较典型编程课程的开发是对小学、初中阶段编程模块的教学内容进行说明设计，其中在小学阶段主要是“编程课程入门”，初中阶段主要是“编程课程设计与制作”[4]。张国民以“编程课程拓展教学”为口号，设计了以“算法与程序、组件与功能、设计与制作”为基本内容的编程课程架构，推广一套适用于中小学编程课程教学的案例体系[5]。这些学者的研究对本研究可以也有一定的参考价值。

1.3 研究目的与意义

随着互联网技术的发展，各个领域的编程课程的应用日益广泛。编程技术的课程应用设计到很多的知识，所以学好编程课程对科技人才的培养具有不可替代的作用。编程作为软件开发的必要途径，是IT行业重点发展的高新科学技术，也是一个国家互联网科技平台的信息化、先进化的重要里程碑。通过中小学便趁编程课程的开发设计可以有力体现我国对互联网编程教育的重视。而Arduino作为一款开源电子设计平台，编程门槛低，用于中小学编程课程的开发设计能从小培养学生计算机思维，不拘泥于编程的框架，更多的结合现代科技产品用于实践与理解。

这些年以来我国的编程教育课程逐渐走向成熟，编程课程也到了中小学以及各大高校的支持和相应，通过编程学习，学生在掌握编程算法的基础上锻炼其计算思维能力，有助于学生提高实际解决问题的能力，拓展学生的视野，开拓学生的兴趣爱好。基于Arduino的中小学编程课程的开发与项目设计不仅拓宽计算机教育信息化的发展道路，而且也从另一个教育角度帮助我国探索新的途径进行教学改革和人才培养方法，鼓励用科技素养提高学生的实践能力和创新能力[6]。与此同时中小学编程课程将有力推动编程知识的普及，促进我国IT行业的发展和专业编程人才的培养。

2 中小学编程课程开发的相关技术支持

2.1 中小学编程课程

课程教育是中小学教育的主要方式，所以编程教育的开展必须以课程为媒介，才能真正地融入到中小学的教育中。目前我国对于中小学的义务教育中已经明确将信息技术和通用技术作为两类不同的课程，这也就让编程课程处于一种尴尬得劲境地，编程是信息技术和通用技术的综合体，编程主要用过计算机程序语言运用软件对硬件系统实施有效的控制，进而实现电子成品的智能化设计。所以在这