淺談mBot機(jī)器人在小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

王安

摘要：機(jī)器人技術(shù)作為一項(xiàng)重要技術(shù)，已經(jīng)滲透到當(dāng)今社會(huì)生產(chǎn)、生活的多個(gè)領(lǐng)域，將機(jī)器人技術(shù)引入小學(xué)信息技術(shù)課堂也成為學(xué)科建設(shè)的重要內(nèi)容之一。但面對(duì)種類(lèi)繁多的機(jī)器人平臺(tái)，選擇一個(gè)適合教學(xué)的機(jī)器人平臺(tái)也是至關(guān)重要的。

關(guān)鍵詞：mBot機(jī)器人；小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)；應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）15-0147-02

在我國(guó)積極推進(jìn)“STEM教育”與“創(chuàng)新教育”的過(guò)程中，可編程機(jī)器人作為涉及機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科的綜合性項(xiàng)目，更加能夠體現(xiàn)“STEM”與創(chuàng)客精神，因此，機(jī)器人也從專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽場(chǎng)逐步走進(jìn)中小學(xué)的課堂。2013年修訂的《江蘇省義務(wù)教育信息技術(shù)課程指導(dǎo)綱要》中明確將“機(jī)器人技術(shù)”作為拓展模塊，分為構(gòu)件與功能、算法與程序、設(shè)計(jì)與搭建三項(xiàng)內(nèi)容。旨在借助適合學(xué)生學(xué)習(xí)的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，讓學(xué)生動(dòng)手與動(dòng)腦相結(jié)合，初步認(rèn)識(shí)電機(jī)、傳感器與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等方面的機(jī)器人技術(shù)。在“程序設(shè)計(jì)”模塊的基礎(chǔ)上，能夠讓學(xué)生將軟件與硬件相結(jié)合，指導(dǎo)他們學(xué)會(huì)將想象轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，逐步培養(yǎng)復(fù)合式人才。

然而在實(shí)際開(kāi)展機(jī)器人教學(xué)的過(guò)程中，筆者遇到了一些問(wèn)題，作為小學(xué)信息技術(shù)拓展模塊，機(jī)器人器材并沒(méi)有納入統(tǒng)一配發(fā)的教學(xué)器材的范疇，因此選擇何種機(jī)器人便成為開(kāi)展機(jī)器人教學(xué)的首要問(wèn)題。筆者從經(jīng)濟(jì)性、硬件搭建的可操作性和可拓展性、編程平臺(tái)的易用性等幾個(gè)方面綜合考慮，最終選擇了mBot機(jī)器人。并且在后續(xù)的教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，它不僅非常適合小學(xué)的機(jī)器人教學(xué)，而且在小學(xué)信息技術(shù)程序設(shè)計(jì)模塊和創(chuàng)客教育上也有很大的應(yīng)用空間，現(xiàn)就其應(yīng)用特點(diǎn)做如下幾點(diǎn)闡述：

1 硬件設(shè)計(jì)合理，搭建方便，拓展性強(qiáng)

mBot機(jī)器人是創(chuàng)客工場(chǎng)（Makeblock）以Arduino開(kāi)源平臺(tái)為硬件基礎(chǔ)研發(fā)的一款可編程機(jī)器人，使用者可以通過(guò)PC端的mBlock軟件平臺(tái)或移動(dòng)端的APP為mBot機(jī)器人編制程序，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。首先，mBot機(jī)器人采用卡通外形設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)親和力，充分了考慮了兒童的心理特點(diǎn)。mBot機(jī)器人采用積木化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，互換性強(qiáng)。彩色硬質(zhì)鋁合金機(jī)身，強(qiáng)度高，主板上加裝亞克力外殼，使得機(jī)器人堅(jiān)固耐用。安裝孔位設(shè)計(jì)合理，方便走線。傳感器上采用不同的色標(biāo)加以標(biāo)記，方便學(xué)生區(qū)分，且傳輸接口均采用RJ-25水晶頭，與杜邦線連接相比安裝方便牢固，特別適合無(wú)電路技術(shù)基礎(chǔ)的初學(xué)者使用。學(xué)生經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單指導(dǎo)后就可以很快地將mCore主板、電機(jī)、車(chē)輪，電池及傳感器等基本硬件設(shè)備組裝起來(lái)完成機(jī)器人硬件搭建。通過(guò)這一過(guò)程不僅鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，同時(shí)也使學(xué)生熟悉并進(jìn)一步理解機(jī)器人組成的基本原理，比如通過(guò)安裝傳感器并與mCore主板的連接的操作，教師可適時(shí)講解傳感器偵測(cè)值傳回的過(guò)程，使學(xué)生有比較直觀的感受，為后面進(jìn)行機(jī)器人編程打下基礎(chǔ)。

mBot機(jī)器人硬件基于Arduino平臺(tái)，支持通過(guò)Arduino認(rèn)證的硬件設(shè)備，這就使其硬件擴(kuò)展和改裝非常。創(chuàng)客工場(chǎng)為mBot機(jī)器人提供了多種拓展包可供選擇，包含各種傳感器和各型構(gòu)件。如利用“動(dòng)感小貓”拓展包可以實(shí)現(xiàn)跳舞機(jī)器人，探照燈，利用“六足機(jī)器人”拓展包可以實(shí)現(xiàn)多足行走，而“聲光機(jī)器人”拓展包又可以實(shí)現(xiàn)追光、聲控?zé)舻软?xiàng)目。學(xué)生可以根據(jù)項(xiàng)目需要，選擇更換不同的傳感器等設(shè)備，來(lái)幫助他們將自己的創(chuàng)意轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品。

mBot機(jī)器人不僅可以作為一個(gè)整體使用，學(xué)生還可利用它的硬件搭建出各種創(chuàng)新產(chǎn)品，例如筆者在教學(xué)中，指導(dǎo)學(xué)生利用mCore主板，風(fēng)扇模塊，電位器等搭建出一個(gè)風(fēng)力可調(diào)的電扇，滿足了創(chuàng)客教育的需求。

2 軟件平臺(tái)易學(xué)易用，學(xué)生學(xué)習(xí)效率高

mBot機(jī)器人的編程平臺(tái)是筆者選擇其作為教學(xué)機(jī)器人的一個(gè)重要因素。為硬件提供支持的編程平臺(tái)叫做mBlock，是基于開(kāi)源軟件 Scratch 2.0 程序開(kāi)發(fā)的圖形化編程軟件，它包含了來(lái)自Scratch2.0的所有指令模塊，并且添加了機(jī)器人指令模塊和Arduino驅(qū)動(dòng)，能夠運(yùn)行Scratch編寫(xiě)的程序。而Scratch2.0程序也可以運(yùn)行mBlock編寫(xiě)的除機(jī)器人模塊指令外的所有指令。mBlock繼承了Scratch軟件簡(jiǎn)單、易學(xué)易用的特點(diǎn)，而小學(xué)信息技術(shù)程序設(shè)計(jì)模塊教學(xué)正是以LOGO語(yǔ)言和Scratch為主要內(nèi)容，當(dāng)我們的學(xué)生在接觸到mBlock時(shí)能很自然的實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移，使他們能更快地掌握mBot機(jī)器人編程。相比其他機(jī)器人編程平臺(tái)如“學(xué)生機(jī)器人平臺(tái)”，樂(lè)高機(jī)器人的NXT平臺(tái)來(lái)說(shuō)，學(xué)生大大縮短了熟悉編程平臺(tái)的時(shí)間。讓學(xué)生將已經(jīng)掌握的知識(shí)與新學(xué)知識(shí)重新建構(gòu)自己的理解。以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)知識(shí)的主動(dòng)探索、主動(dòng)發(fā)現(xiàn)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與積極性，有利于學(xué)生思維的拓展。皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論中指出：“只有學(xué)生的心理積極作用于環(huán)境，其認(rèn)知發(fā)展才能順利進(jìn)行。只有當(dāng)學(xué)生對(duì)環(huán)境的刺激進(jìn)行同化和順應(yīng)時(shí)，其認(rèn)知結(jié)構(gòu)的發(fā)展才能得到保障。”例如筆者在指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)“機(jī)器人行走”一節(jié)時(shí)，采用分組自主探究的形式，因?yàn)閷W(xué)生有了Scratch編程基礎(chǔ)，很快便利用mBlock為mBot機(jī)器人編寫(xiě)好了前進(jìn)、后退、停止、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)程序。從而提高了學(xué)生的自我效能感，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。隨著學(xué)習(xí)的深入，學(xué)生會(huì)利用更多的傳感器，通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，mBot機(jī)器人巡線、追光、避障，倒車(chē)入庫(kù)等實(shí)例。

mBlock還可以和Scratch的S4A一樣將硬件設(shè)備與角色結(jié)合在一起進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)交互式操作。例如筆者讓學(xué)生通過(guò)mBlock編程，設(shè)計(jì)一個(gè)“接蘋(píng)果”的小游戲，利用超聲波傳感器來(lái)控制小筐的左右移動(dòng)，接住落下的蘋(píng)果，使學(xué)生體驗(yàn)到傳感器偵測(cè)值在編程中的運(yùn)用。我們還可以在Scratch模塊教學(xué)中借用mBot與mBlock來(lái)代替S4A程序完成相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，例如借助mCore主板上的板載光線傳感器，實(shí)現(xiàn)“機(jī)靈的小老鼠”一課的教學(xué)。

mBlock不僅可以使用圖形化積木進(jìn)行編程，還可以實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換代碼，即將mBlock積木語(yǔ)句轉(zhuǎn)換為Arduino 編碼或調(diào)用Arduino IDE直接為機(jī)器人進(jìn)行代碼編寫(xiě)，這樣既使初學(xué)者容易入門(mén)和掌握，也可以滿足高階用戶的應(yīng)用需求，學(xué)習(xí)者可以在使用積木模塊的同時(shí)，看到相關(guān)Arduino編碼是如何變化的，方便了他們進(jìn)一步學(xué)習(xí)Arduino編碼，并為學(xué)習(xí)更加復(fù)雜的程序語(yǔ)言如C、C++等打下了基礎(chǔ)。

3 多種連接方式，滿足不同需求

和教材上的“學(xué)生機(jī)器人平臺(tái)”相比，mBlock提供了三種方式與機(jī)器人進(jìn)行連接。一是通過(guò)USB線連接方式。二是2.4G無(wú)線通信連接方式，這種方式是在PC端通過(guò)2.4G無(wú)線串口模塊一對(duì)一的控制機(jī)器人。三是藍(lán)牙連接方式，可以利用手機(jī)、Pad安裝App通過(guò)藍(lán)牙模塊連接mBot機(jī)器人。其中USB連接方式需要切換到“Arduino模式”下，將Arduino程序燒錄入mCore主板，實(shí)現(xiàn)mBot脫離計(jì)算機(jī)自動(dòng)執(zhí)行編寫(xiě)好的程序，適用與參加競(jìng)賽或表演。而且使用2.4G與藍(lán)牙連接方式能夠?qū)崿F(xiàn)圖形化積木程序的實(shí)時(shí)修改，機(jī)器人實(shí)時(shí)執(zhí)行程序。例如教師授課時(shí)采用2.4G無(wú)線連接方式后，就能夠在編寫(xiě)或者修改好程序后，直接在PC端的mBlock上運(yùn)行，機(jī)器人便能實(shí)時(shí)執(zhí)行相應(yīng)程序，演示效果極佳，非常適合課堂教學(xué)。學(xué)生機(jī)采用2.4G無(wú)線連接方式，相比教材示例三角形學(xué)生機(jī)器人“上傳--調(diào)試——修改——上傳”的方式，省去了上傳程序的時(shí)間，方便學(xué)生對(duì)程序的運(yùn)行、調(diào)試與修改，節(jié)約了寶貴的課堂時(shí)間，提高了課堂效率。

綜上所述，mBot機(jī)器人在小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)中具有很大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，可以將其應(yīng)用與多個(gè)階段的教學(xué)內(nèi)容中，作為一款入門(mén)級(jí)的教育機(jī)器人，mBot雖然存在一些不足之處，但隨著產(chǎn)品的不斷改進(jìn)，筆者認(rèn)為其在小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)中仍有較大的應(yīng)用空間，還有待各位同仁去探索。

參考資料：

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