小學(xué)高年級基于Arduino平臺的機器人教學(xué)

張舒馳

機器人教育作為一門集實踐性、創(chuàng)新性、發(fā)展性于一身的課程，近年來已逐漸走進了小學(xué)信息技術(shù)的課堂，成為培養(yǎng)小學(xué)生信息素養(yǎng)不可或缺的重要一環(huán)。筆者所在學(xué)校針對學(xué)生實際情況與硬件條件，開展了高年級機器人教學(xué)的一系列研究，摸索出一套適合教師的課程內(nèi)容與教學(xué)模式，從而提升了學(xué)生數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力，促進了學(xué)生信息素養(yǎng)的全面提升。

小學(xué)高年級信息技術(shù)教學(xué)現(xiàn)狀

1.學(xué)生能力與水平差異較大

通過抽樣調(diào)查發(fā)現(xiàn)，小學(xué)高年級階段學(xué)生在信息素養(yǎng)與實際應(yīng)用方面，存在著比較大的差異，特別是在機器人技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能等模塊，在要求學(xué)生實際運用與解決問題的能力上，呈現(xiàn)出兩級分化的態(tài)勢。

2.信息技術(shù)教師專業(yè)化程度不高

在強調(diào)核心素質(zhì)培養(yǎng)的今天，教師的專業(yè)素養(yǎng)尤為重要，其教學(xué)水平直接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，因此提高教師的水平和素質(zhì)是教師專業(yè)發(fā)展的根本。但筆者所在區(qū)域在信息技術(shù)授課教師的配置上，存在著兼職與專職并存，甚至沒有專職信息技術(shù)教師的情況。

3.場地與實驗設(shè)備配備不均衡

機器人教學(xué)需要有相對獨立的活動空間進行項目測試與儀器設(shè)備的存放，但在機器人儀器設(shè)備的配置上，絕大多數(shù)學(xué)校的機器人為專業(yè)的競賽機器人，缺乏適用于日常教學(xué)的普及化機器人相關(guān)設(shè)備。

4.高年級課程本地化程度不足

學(xué)校在高年級信息技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容的安排上，基本上是以教科書為主，多數(shù)教師也照本宣科，播放教學(xué)光盤中的視頻。通過讓學(xué)生上網(wǎng)查詢和自學(xué)書本內(nèi)容的方式，無論是學(xué)習(xí)的效果，還是對學(xué)生信息素養(yǎng)與能力的培養(yǎng)，都不盡如人意。

軟硬件的部署與準(zhǔn)備

1.硬件器材的準(zhǔn)備方案

高年級機器人教學(xué)模塊需要使用的器材除了基本的Arduino主控板外，還涉及各類傳感器、執(zhí)行器、連接線等，所有產(chǎn)品均為開源硬件與通用電子設(shè)備，學(xué)?？山柚黝惥W(wǎng)購平臺或者定點廠家集中采購。為滿足教師日常教學(xué)的需求，筆者所在學(xué)校根據(jù)實踐，整理出常用的硬件設(shè)備（如下頁表）。整套器材只需一個小號收納盒即可存放，可以供3～4人的學(xué)習(xí)小組使用。

2.軟件平臺與安裝

Arduino官方推薦Arduino IDE作為軟件編輯環(huán)境。學(xué)生搭建的機器人是通過代碼執(zhí)行來完成一項項任務(wù)的，兩者缺一不可。但官方平臺是一種純文本的編程環(huán)境，對于不具備這類編程技能的小學(xué)生來說上手難度較高，教師難以開展日常教學(xué)。Mixly（米思奇）是一款免費的圖形化編程平臺，該平臺支持大部分Arduino型號。它使用積木塊代替了復(fù)雜的文本操作，為學(xué)生的快速入門奠定了良好的基礎(chǔ)，對于已經(jīng)系統(tǒng)學(xué)習(xí)過圖形化編程內(nèi)容的學(xué)生來說，可以很輕松地上手。

教師可下載Mixly_WIN.7z壓縮包，解壓到本地磁盤。第一次解壓的軟件只含有最基礎(chǔ)的文件，不能直接運行。需要先運行“一鍵更新.bat”或“update.bat”下載最新版的Mixly軟件。等待片刻后，會顯示更新進度。當(dāng)看到提示“Mixly更新完成”時，說明軟件下載完畢。更新完成后，雙擊Mixly.exe打開Mixly軟件即可進行程序的編寫與上傳。

項目化課程設(shè)計建議

根據(jù)高年級教材中的機器人教學(xué)內(nèi)容，要在一學(xué)期實現(xiàn)所有項目的制作，是比較困難的。因此，筆者所在學(xué)校選擇具有代表性的內(nèi)容進行項目化整合與改編，注重學(xué)生活動的參與度與課程實施的有效性，將項目縮減為3個，每個項目再細分為初、中、高難度的子項目，由淺入深，由基礎(chǔ)到提高。具體項目安排如下。

1.“發(fā)光的機器人”項目

燈是日常生活中最常見的電器，學(xué)會怎樣用Arduino控制LED的打開與關(guān)閉，是學(xué)習(xí)機器人技術(shù)最常見的一種途徑。通過項目一的教學(xué)，讓學(xué)生了解LED的基本應(yīng)用，如手機、電筒及各類照明設(shè)備的控制原理。

項目一主要目標(biāo)是讓學(xué)生熟悉Arduino硬件設(shè)備，掌握Mixly軟件平臺編程的基本操作。涉及的主要器材有Arduino控制器、LED模塊、數(shù)據(jù)線、光線傳感器。具體教學(xué)內(nèi)容可分為：①點亮一盞LED;②閃爍的LED;③光控LED。

2.“讓機器人動起來”項目

機器人是具有高度靈活性的自動化機器，具備一些人或者與其他生物相似的能力，可以實現(xiàn)諸如搬運、救援、家務(wù)類的任務(wù)，成為人類生活與工作的好幫手。

項目二的主要目標(biāo)是讓學(xué)生了解并掌握直流電機與數(shù)字舵機的工作原理，結(jié)合傳感器搭建一個可以移動并執(zhí)行具體任務(wù)的機器人。涉及的主要器材有Arduino控制器、直流電機、風(fēng)扇、數(shù)字舵機、火焰?zhèn)鞲衅鞯?。具體教學(xué)內(nèi)容可分為：①聲控機械臂;②滅火機器人;③掃地機器人。

3.“機器人真聰明”項目

機器人運用了計算機技術(shù)，具備像人一樣的感官能力，而且能夠獨立思考、獨立工作。衡量一個機器人智能化程度，可以從其解決問題的方式與效率上判斷出來。

項目三選擇了機器人教學(xué)中的兩個經(jīng)典案例——超聲波避障與巡線運動，讓學(xué)生掌握機器人躲避障礙與巡線運動的原理并搭建出一個具備上述功能的機器人。涉及的主要器材有Arduino控制器、直流電機、超聲波傳感器、灰度傳感器等。具體教學(xué)內(nèi)容分為：①避障機器人;②巡線機器人;③綜合創(chuàng)意機器人。

基于Arduino的課堂教學(xué)實踐

1.選用合適的教學(xué)方法

在機器人教學(xué)模塊中，如果不具備開展實際操作的條件，可以運用演示法教學(xué)。教師要精選演示內(nèi)容，通過演示的方式展示機器人的工作原理與實際效果，要注重演示結(jié)合講解，如果學(xué)生知識不豐富，觀察能力不強，教師要通過簡明的指導(dǎo)語引導(dǎo)他們觀察與思考。

在機器人技術(shù)教學(xué)中，以游戲或者比賽的形式為載體，可以極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與創(chuàng)作欲望。利用學(xué)生的好勝心、自尊心，組織學(xué)生參與競爭型游戲或比賽，能更好地激發(fā)學(xué)生的競爭意識，調(diào)動學(xué)習(xí)積極性。

2.嘗試項目化教學(xué)模式

項目式學(xué)習(xí)（PBL）通常是在一個學(xué)習(xí)小組中進行，學(xué)生們在這個小組中有各自的角色，而這個角色會不斷輪換，在項目式學(xué)習(xí)中學(xué)生的學(xué)習(xí)是通過自己的思考和推理來實現(xiàn)的。教師的角色是通過支持、建議和指導(dǎo)來幫助學(xué)生們更好地學(xué)習(xí)，并且在必要時拓展他們對問題的理解。學(xué)生對機器人技術(shù)的項目化學(xué)習(xí)可按照以下流程展開。

（1）提出項目問題。在項目學(xué)習(xí)的開始，教師提出問題：機器人有哪些獨一無二的特點？生活中哪些地方運用到了機器人技術(shù)？鼓勵學(xué)生以小組為單位提出自己的問題，并將其列在清單上，這些問題要具有真實性和一定的挑戰(zhàn)性。

（2）制訂項目方案。小組成員在組長的帶領(lǐng)下，完成項目方案的制訂。方案需要通過組內(nèi)討論形式?jīng)Q定項目主題、人員分工、所需器材等，教師在學(xué)生初次制訂方案時及時指導(dǎo)，幫助有困難的學(xué)生找到自己合適的定位。

（3）解決實際問題。這是具體操作的環(huán)節(jié)，組內(nèi)成員根據(jù)先前的分工，實現(xiàn)各個模塊的組裝搭建、程序編寫、調(diào)試運行。這對學(xué)生的協(xié)作能力與個人能力是一個比較大的考驗。組員要從功能實現(xiàn)、美觀程度、程序結(jié)構(gòu)等方面通盤考慮，完成作品的制作。

（4）評價與反思。作品完成后，以小組為單位進行作品演示，要讓每一位成員都有展示自己的機會。通過演示文稿匯報設(shè)計思路與成員分工，通過現(xiàn)場運行展示機器人的功能，其他小組的學(xué)生可以在這個過程中學(xué)習(xí)他人的創(chuàng)意與優(yōu)點，同時發(fā)現(xiàn)自己小組的不足，以便后期對作品進行升級與優(yōu)化。這一步主要以學(xué)生互評為主，教師評價為輔，讓學(xué)生充分體會到團隊歸屬感與成功的喜悅。

3.關(guān)注學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的“無用”

在信息技術(shù)課堂教學(xué)中，有時會看到學(xué)生制作出一些“瞎鬧”“無聊”的東西，可是學(xué)生樂在其中，一個“優(yōu)秀”的作品往往就是因為加入了這些“副產(chǎn)品”，才顯得出類拔萃。作為教師，遇到這樣的情況，千萬不要一味否定，要引導(dǎo)學(xué)生鉆研下去，將自己的這些發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)意保留下來，在不久的將來發(fā)揮出它應(yīng)有的價值。

有用還是沒用，時間會給出答案，因為教育是面向未來的。真正的學(xué)習(xí)應(yīng)該去功利化，用課程內(nèi)容去吸引學(xué)生。正如我們面對美食的時候，總是先受到色、香、味的吸引，而不是先研究各種維生素的比例。一旦人的飲食純粹為了補充營養(yǎng)、維持生命，生命就毫無樂趣可言。學(xué)習(xí)也是如此，機器人教育也要關(guān)注“無用”的學(xué)習(xí)，關(guān)注個性化的創(chuàng)造過程。

綜上所述，借助Arduino平臺在高年級信息技術(shù)課上開展機器人教學(xué)，并選擇合適的課程內(nèi)容與教學(xué)方法，讓學(xué)生體驗到程序設(shè)計、機器人搭建與團隊合作的快樂，對培養(yǎng)和提高他們的信息素養(yǎng)、合作能力、動手能力都有著重要的意義。