Arduino開源機器人STEM創(chuàng)新課程的構(gòu)建與研究

[摘 要]STEM與創(chuàng)客教育注重跨學(xué)科融合以解決真實情境中發(fā)生的問題，關(guān)注學(xué)生個性化和創(chuàng)造力的發(fā)展，是提升學(xué)生核心素養(yǎng)的重要途徑。以實例闡述校本化機器人創(chuàng)新課程的創(chuàng)設(shè)實踐與研究過程，以及教學(xué)與評價模式的創(chuàng)新嘗試，為破解機器人教學(xué)長期以來的諸多困擾提供了新思路，對平民化機器人課程的普及實施具有一定的啟發(fā)意義。

[關(guān)鍵詞]STEM；創(chuàng)客；Arduino；mBlock編程；開源機器人

一、STEM教育的興起及其課程開發(fā)現(xiàn)狀

現(xiàn)代學(xué)生缺乏動手學(xué)習(xí)的機會。有些學(xué)校的設(shè)施設(shè)備，由于擔(dān)心學(xué)生會占用太多“準(zhǔn)備大學(xué)”和標(biāo)準(zhǔn)化考試的時間而沒有被充分使用。杜威主張“做中學(xué)”，他認(rèn)為兒童不從活動而由聽課和讀書所獲得的知識是虛渺的。2001年8月，教育部和中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會共同推動的一項科學(xué)教育改革項目就命名為“做中學(xué)”。

創(chuàng)設(shè)學(xué)生熟悉的感興趣的真實情境中發(fā)生的問題，引導(dǎo)學(xué)生通過小組協(xié)作，討論分析問題，把復(fù)雜問題分解成若干較為簡單的問題單元，運用跨學(xué)科的知識融合來解決實際問題。這種學(xué)習(xí)是讓學(xué)生通過實踐制作開展學(xué)習(xí)，而不是通過PPT或者網(wǎng)絡(luò)點擊來學(xué)習(xí)；是發(fā)散性的學(xué)習(xí)，而不是按部就班的學(xué)習(xí)；是跨學(xué)科的學(xué)習(xí)，而不是單一學(xué)科知識的學(xué)習(xí)。這就是2011年奧巴馬總統(tǒng)推出的旨在確保經(jīng)濟增長與繁榮的新版《美國創(chuàng)新戰(zhàn)略》中的STEM教育計劃。實際上，“做中學(xué)”與STEM教育的理念一致，都強調(diào)在制作中學(xué)習(xí)，并倡導(dǎo)以多“兵團”作戰(zhàn)的方式攻克問題堡壘。

STEM與創(chuàng)客教育開展的主要瓶頸之一是課程的開發(fā)。這對國外教師來講也是一大難題。校外公司開發(fā)的STEM或創(chuàng)客課程往往脫離教學(xué)實際，或是投入巨大，有些單一項目的投入就已經(jīng)成千上萬。美國、德國、荷蘭等STEM教育開展較好的國家已有一些成熟的案例可供借鑒，但是系列化的可直接移植到國內(nèi)課堂的課程寥寥無幾。事實上，美國本土的很多STEM案例也很普通。

二、機器人教學(xué)的現(xiàn)狀

各級各類機器人競賽活動的開展帶動了國內(nèi)外的機器人廠商如雨后春筍般地涌現(xiàn)，由于利潤較高，目前已形成一大產(chǎn)業(yè)。但其中不乏有些公司利用贊助比賽的機會進行“裝備競爭”[1]，其根本目的只是賣裝備。因為，不買新設(shè)備就沒辦法獲得好成績。有時，有些新購置的裝備，到了第二年就面臨被淘汰，或者必須再購買升級包才能參賽。從通知下達到正式比賽的一兩個月的時間內(nèi)，不需要學(xué)生做什么事，廠家就會提供齊全的搭建、編程說明，大多數(shù)情況下學(xué)生只需動手按一下開關(guān)或略作調(diào)整就可以參賽。這樣的競賽功利性很強，幾乎等同于用錢買證書，而所購買的機器人往往在比賽結(jié)束后就被束之高閣。例如，某學(xué)校五年前投入三十余萬元建設(shè)了機器人教室，由于機器人價格昂貴，版本不斷升級，數(shù)量又較少，開始僅用于社團活動。但是每年競賽都需要購買專門的機器人器材，而這些器材動輒就每套幾千甚至上萬元，原有器材的維護成本也較高，最后導(dǎo)致該校的機器人教室成為了擺設(shè)。很多其他學(xué)校也都不同程度地存在類似問題。

事實上，上海、溫州、深圳等地的一些學(xué)校已經(jīng)開展了機器人的普及性教學(xué)，并已有硬件、師資、課程方面的配套。而對于國內(nèi)大多數(shù)學(xué)校而言，機器人教育仍然停留在小眾化的“精英”階段，缺乏系統(tǒng)的課程支持。以機器人競賽項目為例，師資培訓(xùn)由提供相關(guān)產(chǎn)品的廠家負責(zé)，以獲獎為目的的機器人教學(xué)被公司化包裝。雖然廠家也為程序編制提供了專門的圖形界面，但是每個公司都使用自己開發(fā)的編程軟件，學(xué)校如果想要使用另一家公司的產(chǎn)品，師生就必須重新熟悉一套新的編程軟件。這導(dǎo)致學(xué)生的知識和技能不易平滑遷移，教師也難以進行二次開發(fā)。

三、國內(nèi)機器人STEM課程的開發(fā)

機器人教學(xué)集機械、編程、感測等于一身，是除3D建模打印、Scratch教學(xué)外進行STEM和創(chuàng)客教育的重要途徑，目前在信息技術(shù)教材中穿插了一些相關(guān)內(nèi)容，但主要存在以下問題：一是編程平臺仍帶有公司化印記，不利于遷移學(xué)習(xí)；二是與Arduino的開源硬件無法兼容，難以二次開發(fā)；三是價格較貴，不易普及；四是案例較少，不成系列；五是項目版本陳舊，難以激發(fā)學(xué)習(xí)動機。

目前適合中小學(xué)生的開源的機器人圖形化編程語言有Scratch、S4A、Mixly、mBlock等，其中S4A與Makeblock都是基于Scratch2.0研發(fā)的，S4A在動作命令中增加了數(shù)字端及模擬端的控制模塊，mBlock則新增了機器人命令模塊。近期已有相應(yīng)書籍陸續(xù)出版發(fā)行，它們的普遍特征是：大多處于啟蒙階段，案例較少，案例雷同，可選擇余地??；缺乏融入創(chuàng)新思維和融合更多學(xué)科的案例，難以滿足一線教師的需要。因此，機器人的普及教學(xué)急需一線教師參與開發(fā)的STEM創(chuàng)新課程。

四、基于Arduino的機器人STEM創(chuàng)新課程

的創(chuàng)設(shè)實踐

機器人教學(xué)涉及運動學(xué)和動力學(xué)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、傳感技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)等多領(lǐng)域的知識。信息技術(shù)主要包括計算技術(shù)、控制技術(shù)和通信技術(shù)三個方面，在過去的中小學(xué)信息技術(shù)課程中，計算技術(shù)和通信技術(shù)占據(jù)主要地位，而控制技術(shù)很少涉及。中國教育技術(shù)協(xié)會信息技術(shù)專業(yè)委員會制定的《基礎(chǔ)教育信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2012版）》中提出，在小學(xué)和初中學(xué)段都開展機器人教學(xué)，希望每一個學(xué)生都能獲得了解機器人及相關(guān)技術(shù)的機會。這一目標(biāo)的制定具有前瞻性。

要全面提升學(xué)生信息技術(shù)學(xué)科素養(yǎng)，有必要面向全體學(xué)生普及推廣機器人STEM創(chuàng)新課程。與以參賽為目的或只以社團、興趣小組活動為主的形式不同，機器人STEM創(chuàng)新課程要面向全體學(xué)生大面積走進課堂，具有普及性及可持續(xù)性的特點。為此，筆者編撰了《中小學(xué)生3D建模打印課程》《面向STEM的Scratch創(chuàng)新課程》及《面向STEM的mBlock智能機器人創(chuàng)新課程》。這些課程選用了Arduino開源器件，與壟斷型產(chǎn)品相比價格更低，且兼容性、通用性更強，有些簡單的模塊如按鈕開關(guān)、LED發(fā)光模塊等可以自制，能兼容很多在Scratch創(chuàng)新課程中使用的傳感器，大大減少前期投入和后期維護的費用，更便于普及推廣。課程采用以Scratch2.0為內(nèi)核的mBlock編程軟件，與Scratch界面類似，僅增加了機器人模塊，對于已有Scratch編程基礎(chǔ)的小學(xué)生而言，更有利于知識與技能的正遷移。課程突出學(xué)生STEM素養(yǎng)的提升，在許多案例中增加了3D建模打印環(huán)節(jié)，學(xué)生不必再像機器人競賽中那樣為了取勝而拘泥于廠家所限定的條條框框。由于傳感設(shè)備可以通過RJ25轉(zhuǎn)接器接入，支架或者傳動機構(gòu)可以用3D建模打印，學(xué)生可以把自己豐富的想象力和創(chuàng)新思維融入其中，設(shè)計制造出與眾不同的機器人。教師可參考以下創(chuàng)設(shè)過程。

1.課程目標(biāo)與內(nèi)容

設(shè)計課程目標(biāo)時應(yīng)考慮以下幾個方面。一是了解機器人的歷史、發(fā)展，分類和應(yīng)用現(xiàn)狀及未來的發(fā)展方向。認(rèn)識智能機器人對人類社會發(fā)展的重要意義，理解機器人對人類社會的價值，增強學(xué)習(xí)機器人技術(shù)的興趣。二是感受機器人技術(shù)的重要性以及Arduino平臺的便捷性，培養(yǎng)對Arduino機器人課程學(xué)習(xí)的興趣以及動手解決實際生活問題的興趣，促進個性發(fā)展。三是初步掌握機器人的結(jié)構(gòu)組成，理解基于“控制—傳感—通信—結(jié)構(gòu)”框架下的機器人運作基本原理，以及相關(guān)傳感器、主控板的軟硬件知識。四是能夠完成創(chuàng)意機器人的規(guī)劃設(shè)計與組裝、零部件的制作、mBlock編程、綜合測試與調(diào)整。五是能通過整合3D建模打印、機械傳動、編程控制、物聯(lián)網(wǎng)等知識，借助小組協(xié)作、網(wǎng)絡(luò)求助、教師引導(dǎo)等解決較為復(fù)雜的實際問題，提升STEM素養(yǎng)。六是感悟創(chuàng)意思維，形成創(chuàng)造意識，提升創(chuàng)新能力，從機器人產(chǎn)品的消費者逐步轉(zhuǎn)變?yōu)闄C器人產(chǎn)品的創(chuàng)意設(shè)計和制造者。課程內(nèi)容的安排可參考表1。

2.課程相應(yīng)器材配備

器材配套為Makeblock mBot Ranger游俠STEM機器人，售價在千元以內(nèi)，以48人的班級規(guī)模，每3人一組器材配備標(biāo)準(zhǔn)，僅需1.5萬元即可在全年級開展機器人普及性教學(xué)。此外輔以一些RJ25轉(zhuǎn)接器，即可使S4A傳感器通用，大大減少了重復(fù)投入。采用開源Arduino作為機器人教育平臺，可以充分借鑒國際同行的機器人教育研究與實踐經(jīng)驗，可以有效避免閉源產(chǎn)品因各自為政而產(chǎn)生的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的問題。

3.教學(xué)與評價模式創(chuàng)新

一是利用翻轉(zhuǎn)課堂創(chuàng)新教學(xué)模式。STEM與創(chuàng)客教育主張減少傳統(tǒng)的大班講授式教學(xué)，讓學(xué)生通過實踐發(fā)現(xiàn)問題，運用跨學(xué)科知識解決問題，根據(jù)實際需要選擇要學(xué)習(xí)的知識。其中相關(guān)知識的傳授可利用翻轉(zhuǎn)課堂，由學(xué)生在課下按需學(xué)習(xí)，為課上的實踐類活動創(chuàng)造更多機會，使師生、生生及組間有更充分的互動。事實上，一些機器人的教學(xué)案例需要3D建模打印、程序編寫和組裝調(diào)試等，不可避免地會經(jīng)歷曲折反復(fù)的過程，用時較長，翻轉(zhuǎn)課堂的使用讓學(xué)生在有限的課堂時間里獲得更多的實踐體驗。

二是以過程性測評創(chuàng)新評價模式。與其他STEM課程相同，為更好地激勵學(xué)生的創(chuàng)新思維，教師需要設(shè)計許多過程性的測評量表，內(nèi)容涉及小組合作、交流表達、創(chuàng)意或奇思妙想等，學(xué)生在這些方面的表現(xiàn)都應(yīng)得到關(guān)注和及時肯定。實踐證明，合理“加分”對激勵學(xué)生進步永遠奏效。例如，為了促進學(xué)生之間的協(xié)作，筆者在某個時段讓學(xué)生投票選出對自己幫助最大的同學(xué)，票數(shù)排在前五名的學(xué)生會得到額外加分。此外，若班級的階段性任務(wù)完成量排在年級前三名，則全班學(xué)生得到整體加分。

4.開源機器人STEM創(chuàng)新課程教學(xué)課例

學(xué)校需要個性化的具有獨創(chuàng)性的基于學(xué)生眼光的更有趣的案例。為此，筆者在《面向STEM的mBlock智能機器人創(chuàng)新課程》中，設(shè)計了20個層次不同的案例，師生可以從中選擇感興趣的、適合自己水平的案例進行制作。由于使用了Arduino開源平臺，且圖形化編程的案例資源日趨豐富，使學(xué)生可以借助相關(guān)網(wǎng)絡(luò)案例資源對自己的機器人設(shè)計進行功能拓展和完善，融入自己的創(chuàng)意進行二次開發(fā)。例如，其中有一個結(jié)合3D建模打印的“自閉癥”機器人[2]，設(shè)計理念源于臺灣某次機器人比賽的口號“做簡單的機器人，不作復(fù)雜的機器人，做無用的機器人，不做有用的機器人”。學(xué)生評價這款機器人很“魔幻”，愛不釋手?，F(xiàn)以此例，簡述其教學(xué)過程。

（1）課前翻轉(zhuǎn)，視頻導(dǎo)入，明確目標(biāo)。搜索無用機器人視頻，用Makeblock設(shè)計制作一個類似患“自閉癥”的機器人，并作進一步創(chuàng)新改進。所謂“自閉癥”，指的是當(dāng)裝有機器人的箱蓋被打開時，機器人將會自動關(guān)上箱蓋。

（2）小組討論，器材準(zhǔn)備。各小組用PPT或視頻展示介紹“自閉癥”機器人的解決預(yù)案，詳細說明所需要的傳感器、完成機械動作的輸出設(shè)備、相關(guān)器件或設(shè)備的參數(shù)及使用時的注意事項。教師引導(dǎo)確定最終設(shè)計目標(biāo)及基本思路。

（3）難題分解，子課題認(rèn)領(lǐng)。請學(xué)生想一想，這個項目可以分解成哪些子任務(wù)。然后組內(nèi)學(xué)生分配或協(xié)調(diào)各自的任務(wù)，分別認(rèn)領(lǐng)并完成3D建模、3D打印、機械傳動組裝、程序編制等子任務(wù)。教師作為“總工程師”對各子任務(wù)間的工作進行協(xié)調(diào)，學(xué)生遇到難題時大家協(xié)作攻克。

（4）機械傳動調(diào)試，遭遇障礙。學(xué)生在調(diào)試時，發(fā)現(xiàn)舵機的動力不足以撥動鈕子開關(guān)實現(xiàn)“自閉”。案例中沒有給出解決辦法，而是在課堂上將其作為動態(tài)生成問題，讓學(xué)生設(shè)法運用已學(xué)知識尋找適合本裝置的開關(guān)。

（5）編制程序，整體試運行。小組各自編制程序上傳主控器，脫機試運行。要求完成較快的組將調(diào)試經(jīng)驗共享，并完成以下拓展作業(yè)：增加LED燈帶，當(dāng)磁感應(yīng)開關(guān)被觸發(fā)時點亮燈帶。

以上最為耗時的環(huán)節(jié)是3D打印。學(xué)生放學(xué)后可到專門的創(chuàng)客教室用3D打印機完成自己的設(shè)計，每組分配兩個打印機，可以同時進行外殼與傳動部件的打印，所有部件全部打印完成需要12小時左右。這個機器人曾經(jīng)是出現(xiàn)在研究生論文中的一個課題，通過恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計與切入角度，成為了深受小學(xué)生歡迎的STEM課程資源，使學(xué)生從中增長了見識與能力，并獲得了成功體驗。

為了探尋開放的機器人硬件并創(chuàng)設(shè)開源機器人STEM創(chuàng)新課程，克服現(xiàn)有機器人課程的弊端，找尋機器人教育普及的突破口而編寫的《面向STEM的mBlock智能機器人創(chuàng)新課程》，由于具備適切性、可復(fù)制性、可遷移性、可選擇性、低門檻與多層次性等特點，為Arduino 機器人教育的推廣創(chuàng)造了有力條件。隨著研究的不斷深入，相信會有更多教師投身到機器人教育的實踐中，使其課程體系進一步完善，并使機器人教學(xué)“去精英化”，不再只是“有錢人孩子”的專屬。

參考文獻

[1]吳良輝， 楊青.深圳市初中機器人課程的探索與實踐——兼談《標(biāo)準(zhǔn)》的學(xué)習(xí)體會[J].中國電化教育，2012（11）：31-35.

[2]周迎春.創(chuàng)設(shè)意外情境 生成精彩課堂——例談面向STEM與創(chuàng)客教育的小學(xué)信息技術(shù)靈動課堂[J].基礎(chǔ)教育參考，2017（19）：44-46.

（責(zé)任編輯 郭向和）