小學(xué)Arduino機器人課程的實踐探索

楊鳳

機器人學(xué)科作為一門集科學(xué)性、實踐性和創(chuàng)新性于一身的新興學(xué)科，近年來已逐漸走進了各個學(xué)校的課堂，成為青少年素質(zhì)教育中不可或缺的重要力量。為了提高機器人學(xué)科教學(xué)的靈活性，使學(xué)生不僅會學(xué)習(xí)、能發(fā)展，而且會實踐、能創(chuàng)造。我校在機器人課堂教學(xué)中，以充分了解我校學(xué)生的學(xué)情為前提，通過選擇適合我校學(xué)生的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式以及評價模式，從而探索學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的培育方式。

一、我校機器人課程內(nèi)容的確定

根據(jù)小學(xué)生自身發(fā)展規(guī)律，綜合各廠家機器人特點，我們學(xué)校選擇了上海DFROBOT公司的Arduino機器人作為課堂教學(xué)機器人，并把教學(xué)內(nèi)容劃分為以下四個部分。

一是熟悉智能機器人的歷史發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域。涵蓋了機器人的基本概念、機器人的工作原理、機器人與人的交互、機器人與社會的聯(lián)系等內(nèi)容。教學(xué)過程中著重培養(yǎng)學(xué)生對機器人的興趣，拓展學(xué)生在信息化上的知識面，感受學(xué)習(xí)、生活、工作和社會在信息技術(shù)與科技發(fā)展過程中的變化。

二是學(xué)習(xí)控制機器人的編程語言。圖形化編程是當前機器人教學(xué)中的一種嶄新的編程方式。這是一種可稱之為“所見即所得”的程序編寫方式，使得程序編寫顯得非常簡單。我們使用的是Arduino設(shè)計的一款圖形化編程軟件ArduBlock。使用ArduBlock編程時，只需要把積木面板中的積木模塊“拖”到編輯區(qū)，再寫入關(guān)鍵的參數(shù)來實現(xiàn)，這樣以免讓學(xué)生去學(xué)習(xí)枯燥的 C 語言等等，以達到讓同學(xué)們快速易懂地了解程序設(shè)計的基本思路，從而培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力。

三是學(xué)習(xí)并掌握智能機器人的基本運行原理。掌握常見傳感器及其機械傳動裝置的基礎(chǔ)知識和使用方法，學(xué)習(xí)機器人的硬件組成結(jié)構(gòu)體系，重點掌握機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、感覺系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)的基本原理與組成結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識，并且學(xué)會機器人模塊化的組裝、控制及基本維護的方法。

四是機器人的搭建。學(xué)習(xí)使用各種組件、自選材料，組裝各種用途的機器人。在組裝的過程中培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、合作能力。

二、我校機器人課堂教學(xué)的一般模式

我們依據(jù)小學(xué)生的身心發(fā)展規(guī)律，去不斷地探索、總結(jié)小學(xué)階段機器人課堂教學(xué)的基本模式。目前我們在教學(xué)實踐中已經(jīng)嘗試并總結(jié)出以下四種有效的教學(xué)模式。

1.任務(wù)驅(qū)動模式

通過學(xué)生與教師共同參與，以掌握知識為目的，以問題為先導(dǎo)，以任務(wù)為核心的課堂教育模式。我們在課堂教學(xué)時，先講解硬件基礎(chǔ)知識，而后采取任務(wù)的形式開展教學(xué)。例如在講解神奇的濕度傳感器后，我便留下問題：利用濕度傳感器可以幫助你解決生活中的什么問題？可以和哪些傳感器結(jié)合？接著直接放手給同學(xué)們。很快有個小男生舉手：老師，我可以回教室拿盆植物嗎？這是要干什么？原來他們小組想到，有時候植物澆水太多容易死亡，那么我就將濕度傳感器插入泥土中，當植物缺水的時候紅色的LED燈便會亮起，為了防止設(shè)備沒電或其他一些意外事件的發(fā)生，在土壤濕度適中的時候，綠色LED燈便會一直亮，提示設(shè)備是正常工作的。任務(wù)驅(qū)動給了孩子開放思維的機會，讓他們經(jīng)歷一件創(chuàng)意作品成長的過程，從想法的產(chǎn)生-作品的構(gòu)思—想法的改良—作品的雛形—成功的作品，從真正意義上讓孩子參與到整個作品創(chuàng)作的過程中，而不再是老師帶著學(xué)生走，這樣，學(xué)生在遇到問題后也會樂此不疲地修改、完善。

2.情境再現(xiàn)模式

首先創(chuàng)設(shè)一定的情境。如針對《聲控燈》教學(xué)案例，在課的開始，以教學(xué)樓的樓道中只有普通的開關(guān)燈為背景，提出天黑時我們只能摸黑去找開關(guān)開燈這樣一種不安全的情境問題，以此來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生思考如何來解決，尋找解決途徑。而后點評學(xué)生做法，進而圍繞教學(xué)內(nèi)容順利開展教學(xué)。如針對開發(fā)新型能源項目，通過此項目，先向?qū)W生介紹我國目前的能源使用情況，從而直觀地讓學(xué)生感受到開發(fā)新型能源是刻不容緩的，以此來激發(fā)學(xué)生對新型能源開發(fā)的興趣，增強學(xué)生對地球現(xiàn)有能源的保護意識，倡導(dǎo)學(xué)生從我做起，保護我們的綠色家園。

課例片段：從生活情境出發(fā)，用任務(wù)單來解決問題。

師：老師發(fā)現(xiàn)我們學(xué)校的樓梯、走廊仍然還只是普通的開關(guān)電燈，稍微晚點離開學(xué)校下樓梯的時候，只能摸黑走，去找開關(guān)，這樣非常不安全。有什么好辦法可以來解決呢？

生：可以做一個用聲音來控制亮滅的燈。

師：為了大家的安全，那今天我們就一起為學(xué)校來制作一個聲控燈吧！

教師：如果想請你們做一個聲控燈，你們會怎么設(shè)計？說說你設(shè)計的理由。你又會選用哪些傳感器呢？

任務(wù)單

⑴你們組準備設(shè)計一個怎樣的聲控燈？并且說說你這樣設(shè)計的理由是什么？（可以從它的用途等一些方面進行闡述。）

⑵你們的設(shè)計中準備選用哪些傳感器？

3.作品展示模式

通常我們在完成一個基礎(chǔ)項目以后，會請同學(xué)們來展示自己的作品效果是如何通過程序編寫來實現(xiàn)的，從而引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會互相賞識，激發(fā)興趣、挖掘潛能的同時，也使差異資源充分利用。這樣的課堂給予學(xué)生更多的說話權(quán)，并且讓學(xué)生的思維火花不斷地碰撞，形成積極的課堂效應(yīng)。學(xué)生在編寫程序和搭建機器人模型時，由老師布置好任務(wù)，放手讓學(xué)生自己制作，在完成任務(wù)后，同樣讓學(xué)生一起參與評審。同學(xué)們自主申請上臺展示自己的編程思路和搭建機器人的想法，而后在座的同學(xué)便會對發(fā)言同學(xué)的設(shè)計思路和想法點點贊，提提建議。這樣不僅鍛煉了學(xué)生的動手能力、語言表達能力，而且學(xué)生的奇思妙想是我們很難想到的。這為我們提供了許多設(shè)計思路，也是一種優(yōu)勢互補。

4.小組爭霸模式

在機器人課堂教學(xué)過程中，我發(fā)現(xiàn)學(xué)生的競爭意識非常強，喜歡比賽。例如我在課堂布置一個學(xué)習(xí)任務(wù)以后，我只要說：看看哪一個小組能最先完成，成為我們今天這節(jié)課的霸主呢？話音還未落，他們就已經(jīng)進入了學(xué)習(xí)狀態(tài)。在比賽的期間，我還會故意刺激他們：“我看某一小組快要完成嘍！”他們的士氣會更加高漲。整個過程激烈而緊張，而且教學(xué)效率也很高。利用這樣的爭霸模式還可以磨煉學(xué)生的競賽心理素質(zhì)。現(xiàn)在機器人競賽活動比比皆是，參賽人員的心理素養(yǎng)有時甚至決定了比賽的結(jié)果。在平常的教學(xué)中，學(xué)生只有不斷地體會勝敗，才能以平常心對待比賽結(jié)果，從而不斷提升。

通過以上課堂教學(xué)模式的探索，學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣得到了激發(fā)，同時學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐操作能力也得到很好的培養(yǎng)。

三、我校機器人課堂教學(xué)評價方式

教學(xué)評價是對學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果的一種評價。機器人教學(xué)評價與其他學(xué)科評價的不同之處在于，其他教學(xué)可以采用測驗等一些特定的形式，而機器人教學(xué)卻無法用特定的形式去進行合理的評價。機器人的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)形式就決定了該課程評價的開放性和多樣性。教學(xué)評價時，我主要采用形成性評價（課堂過程性評價）和總結(jié)性評價（任務(wù)總結(jié)性評價）兩種方式。

課堂過程性評價方面，以學(xué)生課堂表現(xiàn)評價為主。主要關(guān)注學(xué)生是否上課認真聽講、勇于發(fā)言、主動參與、認真完成老師給予的任務(wù)。在布置任務(wù)的時候還要給學(xué)生規(guī)定一定的時間，鼓勵學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)盡可能地去完成任務(wù)，鼓勵每個孩子積極參與。

任務(wù)總結(jié)性評價，是在完成一個教學(xué)任務(wù)之后所進行的評價?？梢孕〗M互評的方式，根據(jù)組員的分工不同，分別從問題的分析解決、機器人硬件的搭建、程序的編寫以及調(diào)試運行直到完成任務(wù)這幾個方面進行評價；可以探討在完成任務(wù)過程中遇到過哪些問題，解決方案又是什么，是否有更完美的創(chuàng)意和想法等；可以進行自我評價，每個人可根據(jù)自己在整個項目中的完成情況進行自評：表現(xiàn)是否積極，想法是否合理新穎，碰到哪些問題，并如何進行解決的，在面對任務(wù)成功或失敗有哪些感受，等。

通過這樣的教學(xué)評價方式，讓學(xué)生切實融入每一節(jié)課，每一個任務(wù)中來，并在不斷的自我反思之中逐步成長。

機器人的教學(xué)評價機制只有像這樣從全面培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)出發(fā)，完善評價主體多元、評價內(nèi)容全面、評價方式多樣的評價體系，才能促進學(xué)生的發(fā)展和教師教學(xué)水平的提高，有效地改進教學(xué)模式，從而保證機器人課程順利有效地實施。

四、目前本校機器人教學(xué)的研究成果

我校開展機器人活動是從2016年開始，在校領(lǐng)導(dǎo)的支持下，在教師和學(xué)生努力下，我校機器人隊伍在省內(nèi)、市及全國比賽中都獲得良好成績。機器人社團也在逐年壯大，參加的人數(shù)也愈來愈多，但是機器人活動始終局限于校機器人社團，沒有大面積普及開來。進入2017 年，機器人教學(xué)逐步開始普及，進入大家的課堂。目前六年級有4個班開展了機器人課堂教學(xué)試點，取得了良好的教學(xué)效果和社會效果。在2017年11月份開展了機器人教學(xué)的區(qū)級展示，受到了大家的一致好評。2018年2月份，在全國中小學(xué)生電腦制作活動區(qū)級選拔中，獲得一等獎一名、二等獎兩名。2018年6月份，在常州市第四屆中小學(xué)生創(chuàng)客大賽中，獲得一等獎兩名、二等獎兩名、三等獎兩名，本人獲得“優(yōu)秀指導(dǎo)老師”稱號。

機器人教學(xué)課程的開設(shè)，為學(xué)生營造了一個自主、協(xié)作與創(chuàng)新的平臺。通過學(xué)習(xí)編程和操作實踐，學(xué)生的邏輯思維能力和判斷能力有效地得到了提高。不僅充分地培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且輕松掌握了課外知識，在編程中體會到了學(xué)習(xí)的樂趣。以寓教于樂的方式，機器人教學(xué)不僅傳播了知識，同時使學(xué)生的創(chuàng)新能力得到發(fā)掘，創(chuàng)造發(fā)明的天性和潛能得到激發(fā)。總之，機器人教學(xué)在小學(xué)生創(chuàng)新教育活動中起到了十分重要的作用，迎合了素質(zhì)教育的要求，對于培養(yǎng)和提高學(xué)生的信息素養(yǎng)、綜合能力、創(chuàng)新素質(zhì)具有重大的意義。

【作者單位：常州市蘭陵小學(xué) 江蘇】