基于STEM理念的小學Arduino機器人校本課程教學實踐

鄭雨晴

摘 要 在小學階段開展Arduino機器人教育，不僅具有很強的實踐性、綜合性，而且對于小學生創(chuàng)造力思維以及實踐能力的培養(yǎng)具有重要的核心價值。在闡述STEM教育理念、Arduino機器人概念，分析STEM理念下小學Arduino機器人教育價值的基礎上，以“手勢控制呼吸燈”為例，探索基于STEM理念的小學Arduino機器人校本課程教學設計策略。

關鍵詞 STEM理念;小學機器人教育;教學設計;校本課程;Arduino機器人

中圖分類號：G623.58 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）07-0059-03

1 前言

作為“制造”大國向“智造”大國邁向的教育基礎，機器人教育逐漸成為小學信息技術課程中必不可少的內容。而STEM理念是美國面對人才競爭提出的一項國家教育戰(zhàn)略，其對小學機器人教育產生深遠影響。然而，目前小學機器人教育處于十分尷尬的位置，除了技術細節(jié)不公開，廠商硬件設備標準不統(tǒng)一，硬件價格昂貴外，還缺乏完善的課程體系，未能將機器人課程納入常規(guī)課程教學。因此，研究基于STEM理念的小學Arduino機器人校本課程教學具有重要意義。

2 相關概念概述

STEM理念 STEM是科學、技術、工程、數(shù)學四個英文首字母的組合體，但其并不是這些課程的簡單組合，而是強調學生在雜亂無章的學習情境中獲得設計、合作、實踐、創(chuàng)新等能力的提升。其旨在消除傳統(tǒng)教學中各學科知識割裂的現(xiàn)象，讓學生在零碎知識與機械工程中經歷探究世界的過程。在具體教學實踐中，STEM教育理念表現(xiàn)為綜合性、回歸性、實踐性、豐富性四個特征。

Arduino機器人 與Java、C語言IDE集成開發(fā)環(huán)境相類似，Arduino機器人構建于開放原始碼simple I/O界面，是一個基于開放原始碼的軟硬體平臺。其設計之初就是通過利用它，快速地學習電子和傳感器等基礎知識，優(yōu)勢在于培養(yǎng)學生良好的信息素質、創(chuàng)新精神和實踐能力，同時促使學生掌握機器人機械、傳感和控制部分的設計與搭建等基本知識與技能。

3 STEM理念下小學Arduino機器人教育的價值

滿足學生現(xiàn)實發(fā)展需求 STEM理念下小學Arduino機器人教育的實施，不僅能夠讓學生利用已有知識經驗和生活經驗，將所學各種知識靈活應用到不同學習活動之中，有效提高學生的創(chuàng)新能力、實踐動手能力以及問題解決能力，而且打破學科之間的界限，讓學生在“做中學、玩中學、錯中學”，有效激發(fā)學生探究的興趣，拓寬學生的視野，達到促進學生全面發(fā)展的目的。如筆者從實際需求和節(jié)約能源角度出發(fā)，引導學生設計走廊里的聲控燈，讓學生在綜合應用物理學科中的聲音、光等知識的基礎上，動手、動腦，幫助學生養(yǎng)成樂于學習、敢于創(chuàng)新的學習態(tài)度。

滿足學生未來發(fā)展需求 伴隨科技成果帶來的快速發(fā)展，人們也面臨生態(tài)環(huán)境惡化等一系列問題，這些問題的出現(xiàn)顯然對現(xiàn)代教育提出嚴峻的挑戰(zhàn)?？v觀國外發(fā)達國家面對上述挑戰(zhàn)，幾乎都是加大課程改革力度，通過開設機器人課程滿足未來發(fā)展需求。因此，實施STEM理念下小學Arduino機器人教育，能夠為學生從事更高層次的研發(fā)工作積累寶貴經驗，為學生的終身發(fā)展奠定基礎。特別是通過機器人課程技術思想、基礎知識和基本操作技能的學習，能夠為學生面對未來挑戰(zhàn)奠定基礎。

4 基于STEM理念的小學Arduino機器人校本課程教學設計

設計框架構想 筆者結合多年小學機器人教育實踐，借鑒DBR（Design-based Research）的一般研究過程，設計出圖1所示基于STEM理念的小學Arduino機器人校本課程教學設計模型。該模型是實施共分為五個階段。

1）廣播考察階段。廣播考察階段是設計研究的基礎環(huán)節(jié)，主要是從機器人教育實踐的角度分析現(xiàn)階段機器人教育內容。在具體實踐中，為了給小學Arduino機器人教育提供教學內容上的參考和依據，教師應從教材、教學案例以及教學需求三個方面進行分析，全面了解和掌握一線教師和學生對教學內容的實際需求。

2）設計開發(fā)階段。設計開發(fā)階段是設計研究的重要環(huán)節(jié)，主要是對干預系統(tǒng)的設計和開發(fā)，為了有效保證研究的價值性和針對性，往往需要研究者、實踐者、管理者等人員共同設計與開發(fā)。

3）實施驗證教育干預階段。實施驗證教育干預階段是設計研究的關鍵環(huán)節(jié)，主要是將基于STEM理念的小學Arduino

機器人應用到具體教學實踐中，并對于出現(xiàn)的不足進行修改和重新設計，不斷對其進行修改和完善。

4）分析評價教育干預階段。分析評價教育干預階段是為今后開展相關研究提供參考，主要包括多樣化評價和多元化的機器人教育兩個部分，總結出小學Arduino機器人教育的各種成果，形成機器人教育項目庫。

5）完善優(yōu)化教育干預階段。完善優(yōu)化教育干預階段是根據分析評價結果，不斷豐富和完善原有小學Arduino機器人，并對其進行推廣和優(yōu)化。

設計原則

1）實踐性原則。小學Arduino機器人教育更多體現(xiàn)的是以工程為主線的設計性和探究性等問題，就是讓學生全程參與小學Arduino機器人的設計和制作，具有很強的實踐性。

2）綜合性原則。由于STEM教育具有綜合性，因此，在具體設計過程中要體現(xiàn)綜合性的特點，使學生在探究時能夠整合數(shù)學、工程、科學等領域的知識和技術，從而提高學生的STEM素養(yǎng)。

3）趣味性原則。要立足于現(xiàn)實生活實際，從學生興趣出發(fā)，設計出有趣味性的項目。如在實施LED項目時，筆者從學生周邊的聲控燈出發(fā)，有效激發(fā)學生探究的興趣。

4）創(chuàng)造性原則。不能實施教條式的課本知識灌輸，而是在具體設計過程中通過發(fā)現(xiàn)生活中的問題，注重創(chuàng)造性思維的開發(fā)，再運用機器人知識和技術有效解決實際問題。

教學實踐 實施基于STEM理念的小學Arduino機器人教育的總目標，是提高學生的創(chuàng)新能力、綜合設計能力以及動手實踐能力。筆者在綜合教材、教學案例以及教學需求的基礎上，以Arduino為平臺，以智能LED為主題進行探究。

1）多媒體視頻展示，引入新課。為了激發(fā)學生探究的興趣，筆者在上課前播放一段名為“酷斃燈”的視頻，并要求學生在欣賞視頻的同時思考視頻中所展示的燈與平常所見到的燈有什么異同。在播放完畢之后隨機提問學生，如果提問學生回答為手勢，筆者則繼續(xù)提問：這些手勢是如何識別的？手勢有哪些情況？等等。如果提問學生回答為傳感器時，筆者則以“什么是傳感器”“傳感器有哪些功能”等問題進行提問。如果學生不能夠有效回答，筆者則通過“視頻中的燈有沒有按鈕”“平常的燈是如何控制的”等問題進行提示，并引出本節(jié)新的課題。

2）布置任務，合作探究。為了使得探究取得理想的效果，筆者及時介紹手勢識別的一些技術和原理，并以此為契機，引導學生以“光線傳感器、按鈕能否識別出各種手勢”為主題，進行組間討論和查閱資料，并在上述討論基礎上介紹具有檢測障礙物功能的數(shù)字防跌落傳感器，即該傳感器的優(yōu)勢在于能檢測出是否存在障礙物，不足是無法檢測出方向。然后以該傳感器自身不足為主題，繼續(xù)探討如何應用這樣的傳感器識別出手勢方向。在此過程中，筆者引入數(shù)學基本知識，類比平面中點的確定方式，探討得出至少需要傳感器才能識別出手勢方向，并現(xiàn)場在黑板上貼放兩個傳感器，模擬檢測到手勢的時間先后來識別手勢。探討總結出兩個傳感器識別出手勢的思路，即利用物理學路程與時間關系式t=s/v，并將手勢識別這個抽象的問題轉化為易于理解和實現(xiàn)的手勢控制LED流程圖（如圖2所示）。

3）探究任務，搭建硬件。為了將上述獲得的知識應用于具體實踐中，筆者在提供手勢從左到右點亮LED等程序以及LED、演示傳感器等器材的基礎上，設計探究任務：手勢從左到右點亮LED，手勢從右到左熄滅LED。在具體探究過程中，筆者對出現(xiàn)的問題及時給予指導。如當有學生提出兩個傳感器同時檢測到手勢時，LED會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，此時，筆者及時組織學生回顧手勢識別的過程并修改程序。

4）展示交流，課堂總結。根據教師布置的教學任務，邀請小組展示設計思路和成果，談談自己在具體實踐過程中的收獲;其他學生在聆聽的基礎上對其進行評價，提出修改和完善意見。如筆者提出“哪個組愿意給大家展示下你們的成果”，邀請學生進行展示和交流。同時，教師應對學生探究過程中出現(xiàn)的共性問題進行講解，總結和補充概括學生講解的，鼓勵學生歸納本節(jié)課的操作知識，以及探究問題的過程。又如，筆者選取其中一個小組的作品作為范例，從創(chuàng)新性等多個角度進行評價，并通過演示手勢控制PPT的過程對本節(jié)課進行總結，要求學生在課后利用所學知識或上網查閱資料等方式嘗試實現(xiàn)自己的想法。

值得說明的是，任何一種教學方案的效果都需要在提出解決問題的基礎上進行修改和完善。因此，在具體教學實踐中，教師應采用逐步改進的方法，把最初的設計付諸實施，并根據教學實踐效果不斷進行完善和優(yōu)化。

5 結語

綜上所述，基于STEM理念的小學Arduino機器人校本課程教學符合現(xiàn)代教學理念，不僅激發(fā)了學生學習的興趣，讓他們掌握了機器人的知識與技術，制作出各種豐富有趣的作品，而且充分發(fā)揮學生的主動性，提高解決問題的能力以及STEM素養(yǎng)，有效促進學生全面發(fā)展。

參考文獻

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