《VR遙感機械手》教學(xué)設(shè)計

凌偉　黃秦祺

教學(xué)內(nèi)容分析

本課以虛擬現(xiàn)實技術(shù)與工業(yè)應(yīng)用的機械手為原型相結(jié)合，教授學(xué)生應(yīng)用多學(xué)科（信息技術(shù)、物理、數(shù)學(xué)、美術(shù)）知識融合完成VR遙感機械手的作品改善。信息技術(shù)：在學(xué)生掌握桌面級虛擬技術(shù)（VR）Leapmotion和Arduino開源硬件編程的基礎(chǔ)上，使用Leapmotion APP Home與mblock軟件建立數(shù)據(jù)交互，并且編程實現(xiàn)VR遙感機械手的功能。mblock是在Scratch 2.0的基礎(chǔ)上加入了Arduino開源硬件的傳感器模塊，可直接對電子元件進行編程控制。物理：針對機械手容易傾倒、不夠穩(wěn)定問題，運用所學(xué)物理知識（重心）來思考解決方案，并通過實際操作加以解決，體現(xiàn)了理論與實際的相結(jié)合。數(shù)學(xué)：本節(jié)課的數(shù)學(xué)內(nèi)容主要服務(wù)于編程設(shè)計，根據(jù)Leapmotion X軸數(shù)值的改變來轉(zhuǎn)化為舵機的偏轉(zhuǎn)角度，實現(xiàn)線轉(zhuǎn)角，涉及到的知識是反余弦函數(shù)。課上將根據(jù)幾何畫板的動態(tài)演示，講解反余弦函數(shù)，從而解決這個應(yīng)用問題。美術(shù)：機器的外觀美化屬于工業(yè)設(shè)計的范疇，必須要有造型基礎(chǔ)、裝飾色彩基礎(chǔ)以及材料、物理、數(shù)學(xué)等學(xué)科的知識儲備。由于本課的需要，將外觀美化的方法簡約化、通俗化并呈現(xiàn)出來，以此來幫助、啟發(fā)學(xué)生尋找外觀美化方案。

學(xué)生情況分析

1.學(xué)生的知識基礎(chǔ)

教學(xué)對象為初三上學(xué)期的學(xué)生，對于數(shù)學(xué)、物理、信息技術(shù)編程都有比較扎實的知識基礎(chǔ)。學(xué)生已掌握桌面級虛擬技術(shù)（VR）Leapmotion和Arduino開源硬件部分電子元件編程，并且能夠熟練地使用工具進行機械結(jié)構(gòu)的搭建，具備了在教師的引導(dǎo)下和小組成員共同合作完成VR遙感機械手改善提升任務(wù)的能力。

2.學(xué)生的學(xué)習(xí)特點與學(xué)習(xí)習(xí)慣

由于我校開展的機器人課程是基于創(chuàng)客理念的，給學(xué)生搭建展示的平臺，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新探究意識，讓學(xué)生通過自己的努力主動參與探究去獲得答案，所以VR遙感機械手的課堂以學(xué)生為主體，教師啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生去完成改善提升VR遙感機械手。

教學(xué)準備

機械手、Leap Motion、數(shù)據(jù)線、零件盒、螺絲扳手、雙孔梁若干、穩(wěn)壓電源；筆記本電腦。

教學(xué)目標

知識與技能目標：激勵學(xué)生通過觀察，能夠利用物理重心知識解決VR遙感機械手不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)問題；向?qū)W生介紹數(shù)學(xué)反余弦函數(shù)的知識，并應(yīng)用反余弦函數(shù)將X軸數(shù)值轉(zhuǎn)化為舵機偏轉(zhuǎn)角度；引導(dǎo)學(xué)生利用Leapmotion與機械手相結(jié)合編程實現(xiàn)VR遙感機械手的功能；介紹多種美化機器的方法，啟發(fā)學(xué)生思考VR遙感機械手的美化方案。

過程與方法目標：任務(wù)驅(qū)動法：教師根據(jù)學(xué)情設(shè)置合理的實踐探究任務(wù)，并讓學(xué)生以小組合作的方式完成VR遙感機械手的改善與提升，增強同伴間的交流與合作。啟發(fā)引導(dǎo)法：教師設(shè)置合理的問題情境，引發(fā)學(xué)生思考關(guān)于如何改進VR遙感機械手的問題，發(fā)揮想象力得出問題的答案，提升學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

情感態(tài)度與價值觀目標：激發(fā)學(xué)生應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合Arduino平臺進行科技創(chuàng)作的興趣；培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力并增強學(xué)生的創(chuàng)新探究意識；培養(yǎng)學(xué)生融合應(yīng)用多學(xué)科知識的意識與能力。

教學(xué)重點、難點

重點：激勵學(xué)生通過觀察，能夠利用物理重心知識解決VR遙感機械手不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)問題；向?qū)W生介紹數(shù)學(xué)反余弦函數(shù)的知識，并應(yīng)用反余弦函數(shù)將X軸數(shù)值轉(zhuǎn)化為舵機偏轉(zhuǎn)角度；引導(dǎo)學(xué)生利用Leapmotion與機械手相結(jié)合編程實現(xiàn)VR遙感機械手的功能；介紹多種美化機器的方法，啟發(fā)學(xué)生思考VR遙感機械手的美化方案。

難點：向?qū)W生介紹數(shù)學(xué)反余弦函數(shù)的知識，并應(yīng)用反余弦函數(shù)將X軸數(shù)值轉(zhuǎn)化為舵機偏轉(zhuǎn)角度；引導(dǎo)學(xué)生利用Leapmotion與機械手相結(jié)合編程實現(xiàn)VR遙感機械手的功能。

教學(xué)過程

1.課程導(dǎo)入

教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)VR遙感機械手所存在的待改進問題，總結(jié)為三個方面：結(jié)構(gòu)改進、編程實現(xiàn)與作品美化。

設(shè)計意圖：利用VR遙感機械手所存在的問題導(dǎo)入課程，向?qū)W生明確本課任務(wù)，同時激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.結(jié)構(gòu)改進（物理）

教師邀請物理黃老師幫助解決機器結(jié)構(gòu)改進的問題。（本環(huán)節(jié)中以下教師為物理黃老師）

教師從機械手容易傾倒的方向引導(dǎo)學(xué)生思考結(jié)構(gòu)改進的方案。

改進方案：電池位置太高——降低重心；電池位置偏后——增大底盤；電池質(zhì)量太大——改變電池……

教師鼓勵學(xué)生積極思考，有不同的方法。

學(xué)生根據(jù)總結(jié)出來的解決方法，以小組為單位動手實踐，改進機械手的結(jié)構(gòu)。（教師巡視并指導(dǎo)）

請2～3組學(xué)生展示自己的作品，同時說明自己的解決方法，教師進行點評。

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)邀請物理老師從重心引入，引導(dǎo)學(xué)生討論并確定提升VR遙感機械手的改進方案，提供機會給學(xué)生展示成果，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的自主能力。

3.函數(shù)應(yīng)用（數(shù)學(xué)）

教師帶領(lǐng)學(xué)生復(fù)習(xí)回顧Leapmotion的功能，向?qū)W生介紹VR遙感機械手的工作原理，從而引出編程中需要應(yīng)用到的數(shù)學(xué)知識（線轉(zhuǎn)角），邀請數(shù)學(xué)丁老師介紹反余弦函數(shù)。（本環(huán)節(jié)中以下教師為數(shù)學(xué)丁老師）

教師建立數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)入反余弦函數(shù)，使用幾何畫板幫助學(xué)生理解角度轉(zhuǎn)換的原理（銳角與鈍角）。

教師設(shè)置小練習(xí)進行知識鞏固。

設(shè)計意圖：根據(jù)對教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生實際情況的分析，邀請數(shù)學(xué)老師從VR遙感機械手的工作原理為突破口，引導(dǎo)與幫助學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)的反三角函數(shù)知識。

4.編程實現(xiàn)（信息技術(shù)）

教師指導(dǎo)學(xué)生如何將反余弦函數(shù)應(yīng)用到編程中去。

教師布置學(xué)生完成舵機角度設(shè)置的編程任務(wù)，并且連接Leapmotion實現(xiàn)VR遙感機械手的功能。

教師巡視各組完成情況，指導(dǎo)并幫助學(xué)生完成任務(wù)。

小組展示作品，教師進行點評。

設(shè)計意圖：以學(xué)生為中心，應(yīng)用任務(wù)驅(qū)動法引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用反余弦函數(shù)到編程，通過小組間的合作探究學(xué)習(xí)模式，讓學(xué)生在合作中相互促進、提升。

5.作品美化（美術(shù)）

教師向?qū)W生說明可以改善VR遙感機械手的外觀來提升市場競爭力，邀請美術(shù)黃老師幫助學(xué)生美化作品的外觀。（本環(huán)節(jié)中以下教師為美術(shù)黃老師）

教師引發(fā)學(xué)生思考如何對VR遙感機械手進行美化。

教師介紹機器美化的方法（輔以圖片說明）：比例協(xié)調(diào)、調(diào)整秩序、材質(zhì)魅力、精致工藝、色彩呈現(xiàn)、藝術(shù)處理。

教師鼓勵學(xué)生暢談對VR遙感機械手美化的想法。

教師展示成品，并簡要敘述機器美化的價值與展望。

設(shè)計意圖：以VR遙感機械手作為產(chǎn)品的市場競爭力為引入，邀請美術(shù)老師幫助學(xué)生對作品進行美化。美術(shù)老師從形與色兩方面入手介紹機器美化的方法，啟發(fā)學(xué)生美化作品的靈感。

6.總結(jié)提升

教師對本課學(xué)習(xí)內(nèi)容進行簡單總結(jié)。

教師介紹機械手在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，并展示機器人餐廳引發(fā)學(xué)生對未來生活發(fā)展趨勢的思考，以此激勵學(xué)生不斷努力提升自己，升華課程。

設(shè)計意圖：教師通過機器人餐廳的例子引出科技的飛速發(fā)展，激勵學(xué)生努力學(xué)習(xí)，提升自己的競爭力。

教學(xué)反思

《VR遙感機械手》一課是融物理、技術(shù)、數(shù)學(xué)、藝術(shù)等于一體的課程，學(xué)生更多是在做中學(xué)。教師們參與其中潛心而愉快，并且思維活躍在指尖上，發(fā)揮著各自的創(chuàng)造性。上好一節(jié)初中STEM課，最難的不是內(nèi)容的講授，而是如何融合各科知識于一個項目之中。其中，各學(xué)科教師的合作與分工顯得尤為重要。本節(jié)課由物理、數(shù)學(xué)、美術(shù)和信息技術(shù)教師合作共同上了一節(jié)課，真正地體現(xiàn)了課程統(tǒng)整。通過一個STEM項目的完成，使得學(xué)生既實現(xiàn)了作品的物化，又實現(xiàn)了物理、數(shù)學(xué)等知識的深度理解與運用。在這堂課上，教師看起來是輕松的，準備好材料似乎就可以，主要是學(xué)生們制作、活動，而后有一點交流。其實教師的課前準備是花了大量時間的，有了課外的精心準備，才有課上的游刃有余。學(xué)生們是喜歡這樣的課的！

點 評

《VR遙感機械手》是一節(jié)優(yōu)秀的STEM課例。本節(jié)課充分地體現(xiàn)了STEM強調(diào)的跨學(xué)科和工程問題解決等思路?？偨Y(jié)起來，該課具有如下特點：第一，該課例著重培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力。在《VR遙感機械手》課例中，首先以實際問題為引入，結(jié)合實際需求展開，即引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)VR遙感機械手所存在的待改進問題。這是在課程一開始引入的真實問題，它把學(xué)生帶入幫助學(xué)校解決實際問題的場景中。問題的重申、任務(wù)的重新定義、測試與改進的過程中，都給學(xué)生提供了相當(dāng)多的發(fā)現(xiàn)問題的機會，通過課程和教師都將促進學(xué)生系統(tǒng)地分析和理解問題，作出推理和決策，排除疑難或困難，找到解決問題的方法。這個過程是真正提高學(xué)生問題解決能力的有效途徑。第二，該課例體現(xiàn)了跨學(xué)科綜合應(yīng)用?！禫R遙感機械手》課例以工程設(shè)計為主線，結(jié)合了與之相結(jié)合的物理與工程的基本原理，如力、運動、能量、機械等?！禫R遙感機械手》中所結(jié)合的學(xué)習(xí)內(nèi)容，正是學(xué)生在初中物理中需要學(xué)習(xí)的科學(xué)知識和原理。也就是說，實際上通過這個課程我們完全可以打通STEM教育和初中物理教育的關(guān)聯(lián)。同時，在《VR遙感機械手》中學(xué)生參與了設(shè)計、搭建、測試、改進的工程過程，通過這些過程，學(xué)生真切地感受到物理知識是如何被應(yīng)用到解決實際問題中的。該課例已經(jīng)達成了真正提高學(xué)生解決工程問題的各項綜合能力和素質(zhì)，體現(xiàn)了集成式STEM的跨學(xué)科集成與融合。