“智造機(jī)器人”小學(xué)S4A個(gè)性化課程實(shí)驗(yàn)

龍麗嫦

實(shí)驗(yàn)背景

自我國(guó)實(shí)施中小學(xué)信息技術(shù)教育以來(lái)，學(xué)術(shù)界一直在討論學(xué)科的價(jià)值和定位，近年來(lái)尤為激烈。作為長(zhǎng)期在教學(xué)田野里耕耘的教研員和一線教師，關(guān)注學(xué)科課程研究發(fā)展的同時(shí)，更多的是努力尋求解決課程實(shí)施問題的方法，找到發(fā)展的突破口，使課程目標(biāo)與課程載體內(nèi)容和教學(xué)操作減少落差，實(shí)現(xiàn)學(xué)科課程提出的育人目標(biāo)和價(jià)值。

信息技術(shù)課程是一門年輕的課程，且其工具性和社會(huì)性極強(qiáng)，受技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的牽制和影響較大。同時(shí)，由于課程年輕，對(duì)其研究的廣度、深度尚不足，以及實(shí)施過(guò)程中受師資水平、教材承載、課時(shí)設(shè)置、地區(qū)差異等各種因素影響，致使課程目標(biāo)較多停留在軟件操作層面，難以落實(shí)培養(yǎng)學(xué)生利用信息技術(shù)解決問題的意識(shí)和能力的目標(biāo)。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，目前信息技術(shù)課程體系已不能滿足不同層次學(xué)校的學(xué)習(xí)需求。綜觀各地的教材和多年來(lái)信息技術(shù)課程的實(shí)施情況，筆者認(rèn)為，小、初、高三個(gè)階段課程呈現(xiàn)的邏輯框架及技術(shù)載體，是多年來(lái)影響我們課程實(shí)施質(zhì)量的主要因素。因此，我們?cè)谥匦驴絾枌W(xué)科課程核心價(jià)值定位的同時(shí)，也需要思考承載學(xué)科課程的邏輯框架和載體，才有可能在課程建設(shè)層面首先將理念落地。

為尋求課程研究的突破口，作為教研員筆者先后引領(lǐng)區(qū)域開展過(guò)關(guān)于有效任務(wù)設(shè)計(jì)、虛擬機(jī)器人進(jìn)課堂、Scratch創(chuàng)作等研究。在這些專項(xiàng)研究中，筆者發(fā)現(xiàn)，缺乏學(xué)科課程的上位思考和頂層設(shè)計(jì)的研究，很容易又陷入軟件教學(xué)、工具教學(xué)的境地，包括近兩年逐漸火熱的Scratch教學(xué)實(shí)踐。

在接觸計(jì)算思維理論之后，筆者認(rèn)同引入計(jì)算思維作為信息技術(shù)學(xué)科課程的理論基礎(chǔ)以及核心內(nèi)在價(jià)值，以反映學(xué)科的核心性和穩(wěn)定性，同時(shí)提升信息科學(xué)的不可替代性。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)計(jì)算思維的研究仍然處于理論研究和實(shí)踐的初步探索階段。毋庸置疑，機(jī)器人教育是計(jì)算思維培養(yǎng)的關(guān)鍵性載體之一。在2012年中國(guó)教育技術(shù)協(xié)會(huì)信息技術(shù)教育專業(yè)委會(huì)員研制《基礎(chǔ)教育信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2012版）》的工作中，李藝教授等極力主張“機(jī)器人進(jìn)課堂”。但是機(jī)器人教育要想實(shí)現(xiàn)草根化、去精英化，其硬件平臺(tái)必須具備價(jià)格低廉或可自制、無(wú)需專用場(chǎng)室、開源可擴(kuò)展的特點(diǎn)，并符合機(jī)器人的教育性要求，最為關(guān)鍵的是，還需要形成一套可操作、可實(shí)施的課程內(nèi)容體系。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想，首先涉及機(jī)器人教育課程的研發(fā)，然后才是課程實(shí)施的師資培訓(xùn)。而機(jī)器人教育課程的研發(fā)人，一方面要具備電子電路知識(shí)，另一方面還要具備編程能力。我們可以想象，如果研發(fā)出自制機(jī)器人的核心課程及其配套器件，價(jià)格低廉的課程套件就像科學(xué)課程的材料包一樣配套到校，無(wú)需機(jī)器人專用場(chǎng)室，機(jī)器人的普及教育將為期不遠(yuǎn)。同時(shí)，它開源、可擴(kuò)展，有條件的學(xué)校和有想法、有能力的教師可以基于機(jī)器人讓學(xué)生在計(jì)算機(jī)科學(xué)和科技教育創(chuàng)新上得到更高層次的發(fā)展。

實(shí)驗(yàn)情況

1. 研發(fā)機(jī)器人課程的探索路徑

研發(fā)機(jī)器人課程需要懂電子硬件的教育人。在筆者的研究團(tuán)隊(duì)中，有一位叫曾祥潘的一線小學(xué)教師，他專業(yè)發(fā)展全面而扎實(shí)，頭腦靈活有想法，也十分關(guān)注學(xué)科前沿研究。更可貴的是，他具有電子硬件特長(zhǎng)，能夠擺弄電子元件和動(dòng)手制作電子產(chǎn)品。這促使他成為開發(fā)軟硬結(jié)合的機(jī)器人課程的先行者之一。

在研究團(tuán)隊(duì)的引領(lǐng)下，曾祥潘老師自2012年起開始思考學(xué)校實(shí)施開源硬件機(jī)器人教育的途徑。思考探索的路徑是：首先尋找硬件，降低硬件成本，繼而尋找與其配對(duì)的軟件。曾老師首先嘗試了基于Arduino的硬件編程，用它代替機(jī)器人商業(yè)產(chǎn)品核心套件。但是由于Arduino板的原生軟件是字符界面的，對(duì)于中小學(xué)生來(lái)說(shuō)有較大難度，即使ArduBlock已經(jīng)改良為積木式編程，對(duì)小學(xué)生而言仍然難度不小。后來(lái)，他看到了溫州中學(xué)謝作如老師在個(gè)人博客上的S4A互動(dòng)媒體課程，繼而開始了對(duì)S4A的探索。

2. S4A與S4A機(jī)器人課程

機(jī)器人教育課程的研發(fā)者，需要研究比較并且找到能夠替代商品機(jī)器人的硬件和軟件體系。

（1）商品機(jī)器人系統(tǒng)組成

機(jī)器人系統(tǒng)由軟件和硬件兩大部分組成。商品機(jī)器人的程序使用專用軟件編寫，通常這類軟件不通用，更換機(jī)器人硬件后通常也要更換編程軟件，導(dǎo)致學(xué)習(xí)成本提高。機(jī)器人硬件包含三大模塊：控制器、傳感器和執(zhí)行器（如圖1）?？刂破魇怯布到y(tǒng)的核心部分，它執(zhí)行機(jī)器人程序、接收傳感器數(shù)據(jù)和控制執(zhí)行器的運(yùn)作。商品機(jī)器人的控制器、傳感器與執(zhí)行器由專用接口連接，接口的定義通常不公開，配套的傳感器和執(zhí)行器種類十分有限。這些都導(dǎo)致商品機(jī)器人可擴(kuò)展性受到限制，創(chuàng)造空間降低。

（2） S4A機(jī)器人系統(tǒng)組成

圖2 S4A機(jī)器人硬件的核心模塊

如圖2所示，S4A機(jī)器人使用Arduino主控板作為控制器。由于開源的Arduino板價(jià)格低廉，接口資料公開且支持豐富多樣的傳感器和執(zhí)行器，而傳感器和執(zhí)行器采用市面常用零件，選擇面十分寬廣。機(jī)器人編程軟件使用S4A軟件。S4A（Scratch for Arduino）是基于Scratch衍生的二次開發(fā)軟件，具有原生的Scratch圖形化程序設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和功能，簡(jiǎn)單易懂，并且能與Arduino板連接，可利用它進(jìn)行機(jī)器人編程。教師還可以利用各種各樣的可回收資源，如泡沫材料、紙板、光盤片等，指導(dǎo)孩子將它們收集起來(lái)并制作為機(jī)器人造型的零件，為孩子拓展創(chuàng)作空間提供了無(wú)限可能，極具培養(yǎng)創(chuàng)新思維的教育價(jià)值。

3. 開展機(jī)器人課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)

曾祥潘所在的景泰小學(xué)建設(shè)有校本個(gè)性化選修課程，課程以選修的方式向全校學(xué)生跨年級(jí)開出。得益于學(xué)校這種課程機(jī)制，曾老師邊研發(fā)邊實(shí)驗(yàn)，他擬構(gòu)建的機(jī)器人課程為“智造機(jī)器人”，共11個(gè)課時(shí)，每課完成一個(gè)小項(xiàng)目，最終目標(biāo)是支持學(xué)生完成一個(gè)“土制機(jī)器人”，課程內(nèi)容框架見表1。

表1 “智造機(jī)器人”課程內(nèi)容框架

模塊內(nèi)容 相關(guān)零配件 課程

內(nèi)容 課時(shí)

順序

控制器 Arduino板 初識(shí)S4A 1

Arduino板+LED 閃爍的星星 2

Arduino板+蜂鳴器 勤勞的蜜蜂 5

Arduino板+舵機(jī) 自動(dòng)泡茶機(jī)器人 7

Arduino板+直流電機(jī) 升旗機(jī)器人 9

Arduino板+按鈕開關(guān) 延時(shí)燈 3

Arduino板+光敏電阻 用光線演奏音樂 6

Arduino板+熱敏電阻 多彩體溫表 10

Arduino板+按鈕開關(guān)+LED 智能交通燈 4

Arduino板+光敏電阻+舵機(jī) 表情機(jī)器人 8

Arduino板+熱敏電阻+直流電機(jī)+蜂鳴器 高溫預(yù)警、防暑降溫機(jī)器人 11

“智造機(jī)器人”課程每期招收30人，逢周一下午第一節(jié)開展，四年級(jí)～六年級(jí)的學(xué)生可選。目前已進(jìn)入第二輪教學(xué)實(shí)驗(yàn)，基本成型的項(xiàng)目實(shí)例約有八個(gè)，但還需要實(shí)驗(yàn)修正。其中一些實(shí)驗(yàn)案例，如“舵機(jī)的應(yīng)用”、“閃爍的星星”等課例先后在區(qū)和省市級(jí)骨干教師培訓(xùn)活動(dòng)中展示，并通過(guò)Scratch貓友群向全國(guó)傳播，產(chǎn)生了一定的影響。

實(shí)驗(yàn)案例

【課題】閃爍的星星——使用隨機(jī)數(shù)控制LED閃爍

【設(shè)計(jì)意圖】利用LED閃爍作為數(shù)據(jù)輸出信號(hào)，是常見的反饋方式之一。在Arduino及其他單片機(jī)編程學(xué)習(xí)中，點(diǎn)亮LED是最為經(jīng)典的案例。通過(guò)內(nèi)容分析發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)案例較為單調(diào)，趣味性不強(qiáng)，體現(xiàn)計(jì)算思維不足。因此，在亮滅控制的基礎(chǔ)上增加LED模擬星星閃爍的內(nèi)容。

【教學(xué)目標(biāo)】在上一課中，學(xué)生已經(jīng)初步掌握Arduino板的安裝及利用S4A積木塊編寫程序控制LED燈的亮滅。本課在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生利用S4A的循環(huán)和隨機(jī)數(shù)積木塊，編寫LED控制程序，實(shí)現(xiàn)控制LED模擬星星閃爍的效果。

【器材準(zhǔn)備】必備硬件：Arduino主控板；本課選用的電子元件：藍(lán)色LED、470歐姆電阻、面包板、杜邦線、USB-AB線。

【認(rèn)知建構(gòu)路徑】

1. 認(rèn)識(shí)元件：認(rèn)識(shí)LED和電阻的作用，觀察其外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2. 動(dòng)手操作：實(shí)踐體驗(yàn)，掌握LED、電阻與Arduino板的線路連接方法，領(lǐng)悟LED的13號(hào)管腳連接、電阻連接限流的作用。

3. 編寫程序?qū)崿F(xiàn)互動(dòng)：使用S4A軟件編程，先后通過(guò)實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)亮LED”→“LED重復(fù)閃爍”→“LED隨機(jī)閃爍”三種效果，層層深入，使學(xué)生懂得如何使用逐步逼近法解決問題。

圖3 LED、電阻與Arduino板的連接

圖4 LED隨機(jī)閃爍控制的S4A程序

4.課外拓展延伸：怎樣實(shí)現(xiàn)兩顆星星互不干擾地各自閃爍？

實(shí)驗(yàn)反思

S4A課程內(nèi)容基于控制交互的動(dòng)手探究學(xué)習(xí)，小學(xué)生的參與興趣十分濃厚，學(xué)習(xí)思維活躍，自始至終投入最大的注意力到學(xué)習(xí)中來(lái)。而且學(xué)生能夠掌握基于電子元件的動(dòng)手操作連接，并接受和理解基于S4A的編程互動(dòng)實(shí)現(xiàn)自己的想法和意圖。

S4A是承載和培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的載體，但是在研發(fā)和實(shí)施S4A課程中，如何滲透計(jì)算思維，既在內(nèi)容體系中邏輯滲透，也在教學(xué)法上融入滲透，實(shí)現(xiàn)計(jì)算科學(xué)的教育目標(biāo)和價(jià)值，需要理論把握和實(shí)踐驗(yàn)證。因此，曾祥潘老師“智造機(jī)器人”課程的研發(fā)，無(wú)論是課程結(jié)構(gòu)、內(nèi)容選取、元器件準(zhǔn)備、制作以及教材內(nèi)容組織、教學(xué)法等方面，還需要進(jìn)一步斟酌研究和驗(yàn)證。否則，也只不過(guò)是新增了電子元件機(jī)器人課程內(nèi)容模塊，不一定能夠達(dá)到計(jì)算思維和創(chuàng)新教育的培養(yǎng)目標(biāo)。

此外，傳統(tǒng)課堂的40分鐘遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足此類課程，如能實(shí)現(xiàn)，最好是以連堂2節(jié)作為每次課程的教學(xué)時(shí)間，方能利于學(xué)生在每次項(xiàng)目主題課上進(jìn)行充分實(shí)踐與探究。

（作者單位：廣東廣州市白云區(qū)教育發(fā)展中心）

參考文獻(xiàn)

1 李藝，鐘柏昌.基礎(chǔ)教育信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)：起點(diǎn)、內(nèi)容與實(shí)施[J].中國(guó)電化教育，2012（10）.

2 范運(yùn)平.S4A在臺(tái)灣中小學(xué)的發(fā)展概況及其多元的應(yīng)用可能性[J].中國(guó)信息技術(shù)教育，2014（5）.

3 曾祥潘. 閃爍的星星——“智造機(jī)器人”小學(xué)S4A課程之使用隨機(jī)數(shù)控制LED閃爍”教學(xué)設(shè)計(jì)[Z].廣州，2014.