基于STEAM理念的 Arduino機(jī)器人項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

陳菁菁

摘要：本文以STEAM理念為導(dǎo)向，以Arduino硬件為載體，以圖形化編程工具為編程手段，引入傳感器、馬達(dá)以及生活中的廢舊材料等硬件，設(shè)計(jì)了基于STEAM理念的Arduino機(jī)器人項(xiàng)目，并結(jié)合具體實(shí)例介紹了項(xiàng)目運(yùn)作的策略，總結(jié)了實(shí)踐成效，同時(shí)提出，創(chuàng)造具有一定智能性特征的機(jī)器人或?qū)嶓w模型的過程能夠拓展學(xué)生的跨學(xué)科思維，提升學(xué)生的合作能力，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，提高學(xué)生的計(jì)算思維，豐富學(xué)生的表現(xiàn)能力。

關(guān)鍵詞：STEAM;Arduino機(jī)器人;項(xiàng)目設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2022）06-0000-03

考慮到學(xué)生的年齡特點(diǎn)，以及筆者所在學(xué)校的信息技術(shù)校本課程的實(shí)施情況，筆者選擇五年級(jí)學(xué)生開展全員機(jī)器人普及教育，根據(jù)STEAM理念在實(shí)施階段遵循以下原則：項(xiàng)目主題要來源于學(xué)生，貼近生活;項(xiàng)目實(shí)施要合作探究，綜合運(yùn)用;項(xiàng)目成果要可行實(shí)用，力求創(chuàng)新;項(xiàng)目評價(jià)要注重過程，多元立體。依據(jù)上述原則，在設(shè)定項(xiàng)目的時(shí)候考慮到科學(xué)素養(yǎng)、信息素養(yǎng)、數(shù)學(xué)素養(yǎng)、藝術(shù)素養(yǎng)等多方面的滲透和應(yīng)用，充分挖掘機(jī)器人與其他領(lǐng)域的關(guān)聯(lián)性，確定了“簡易趣味類—基礎(chǔ)操作類—提升應(yīng)用類—個(gè)性創(chuàng)意類”的教學(xué)基本序列，如表1所示。

STEAM不是五個(gè)學(xué)科的簡單相加，其本質(zhì)是跨學(xué)科整合，旨在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，它是基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)，運(yùn)用科學(xué)探究的方法以及信息技術(shù)手段，采用跨學(xué)科的團(tuán)隊(duì)式合作，最終解決實(shí)際問題。表1中安排了兩個(gè)課時(shí)的項(xiàng)目按照下頁圖1所示的教學(xué)策略實(shí)施，屬于第一課時(shí)為1的項(xiàng)目因其設(shè)備局限難以再創(chuàng)意運(yùn)用，所以只落實(shí)“理解”環(huán)節(jié)，但是其內(nèi)容可以與其他多設(shè)備綜合使用，因此可以放到最后的“個(gè)性創(chuàng)意類”項(xiàng)目進(jìn)行發(fā)揮。本文中的項(xiàng)目均2人一組合作完成。

上述實(shí)施策略是筆者在教學(xué)實(shí)踐中逐步歸納整理的，在實(shí)際教學(xué)中還應(yīng)根據(jù)不同的內(nèi)容靈活運(yùn)用，力求達(dá)到最佳效果。

● 學(xué)習(xí)設(shè)備：根據(jù)項(xiàng)目識(shí)設(shè)備，了解原理知用法

針對每個(gè)案例，筆者都會(huì)錄制好模型視頻用于導(dǎo)入環(huán)節(jié)，學(xué)生通過上網(wǎng)搜索、閱讀學(xué)習(xí)助手、觀看微課等多種方式了解設(shè)備原理及使用方法，為后續(xù)的搭建和編程做好鋪墊。

案例：“距控風(fēng)扇”項(xiàng)目是學(xué)生第一次認(rèn)識(shí)超聲波傳感器，對學(xué)生其原理和用法并不清楚，因此播放微課介紹超聲波傳感器的原理——蝙蝠的回聲定位以及具體的使用方法。隨后設(shè)置兩道填空題用于測量學(xué)生觀看微課后的學(xué)習(xí)效果（如表2）。

除了微課，學(xué)生還可以利用信息搜索來獲取新知，如在“調(diào)光護(hù)視力”項(xiàng)目中，讓學(xué)生先自行搜索波長及光反射知識(shí)，然后確定用哪一種燈作為制作保護(hù)視力的主要設(shè)備，這也是提升學(xué)生STEAM素養(yǎng)的表現(xiàn)。

● 關(guān)系換算：測試傳感定條件，繪制流程理算法

筆者要求學(xué)生在認(rèn)識(shí)傳感器后測試并觀察其不同狀態(tài)下返回的值，并通過統(tǒng)計(jì)分析確定出程序的判斷條件，或者傳感器的值與其他Arduino設(shè)備之間的換算關(guān)系，最后利用繪制流程圖的方式理清程序算法。

案例：在“距控風(fēng)扇”項(xiàng)目中，首先要了解超聲波傳感器檢測不同距離的值，然后確定臨界值，繪制流程圖用于判斷風(fēng)扇何時(shí)工作（如表3、圖2）。結(jié)論為障礙物“人”離超聲波傳感器越遠(yuǎn)，其檢測到的距離值越（? ?）。（填寫大或?。?/p>

除了讓學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)并觀察傳感器的工作過程，方法的掌握也很重要，傳感器的使用通常要經(jīng)過“新建變量—測試統(tǒng)計(jì)—確定臨界值—繪制流程圖”或者“新建變量—測試統(tǒng)計(jì)—確定換算關(guān)系”這兩種過程，后續(xù)在學(xué)生研究其他工程時(shí)，也可以運(yùn)用上述方法為學(xué)生的自我探究能力助力。

● 繪制草圖：繪制草圖顯創(chuàng)意，羅列分工助實(shí)施

在模仿案例思考其如何運(yùn)用到生活中時(shí)，為了讓每一小組都能收獲成功，學(xué)生可以選擇教師提供的項(xiàng)目，也可以自行創(chuàng)意設(shè)計(jì)。為了明確下一節(jié)課所需的材料、結(jié)構(gòu)和具體的功能，小組利用iPad“全景課堂”APP中的“畫板”功能繪制模型，在圖中批注出材料以及每個(gè)結(jié)構(gòu)所展示的功能，并使用“筆記”功能記錄兩人的分工，這樣能使后期實(shí)施更有效率。

案例：上課伊始，學(xué)生對2人如何高效分工合作比較茫然，因此教師在iPad中發(fā)布每節(jié)課的分工任務(wù)，即小組成員、兩人的分工、所需的材料、作品的功能等，方便學(xué)生建立起規(guī)劃意識(shí)，此外學(xué)生的筆記也分享至班級(jí)，方便學(xué)生之間相互學(xué)習(xí)。

● 制作模型：自由搭建展個(gè)性，連接端口組模型

根據(jù)草圖，小組攜帶找到的廢舊材料、美術(shù)工具等，利用Arduino機(jī)器人的設(shè)備按照項(xiàng)目需要進(jìn)行搭建，將創(chuàng)意想法變成現(xiàn)實(shí)。

案例：學(xué)生利用身邊的廢舊材料、彩紙、剪刀、膠布等工具進(jìn)行結(jié)構(gòu)搭建，并且將Arduino設(shè)備與模型結(jié)構(gòu)相連，如風(fēng)扇帽子、倒走健身障礙提示器、玩具小車、多功能儲(chǔ)物盒、菊花燈、床頭燈、密碼防盜盒、南瓜燈、智能的帳篷等。

DIY制作工程模型，一方面能張揚(yáng)學(xué)生個(gè)性，另一方面也體現(xiàn)了STEAM跨學(xué)科融合的學(xué)習(xí)理念，提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

● 調(diào)試程序：線上線下齊并進(jìn)，調(diào)試修改優(yōu)項(xiàng)目

程序設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)Arduino機(jī)器人智能化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，項(xiàng)目需要運(yùn)用傳感器相關(guān)的程序指令，如聲音、光敏、按鈕、溫度、超聲波、霍爾傳感器等。筆者制作了傳感器的系列微課程，介紹了每種傳感器在可視化編程中的指令及操作方法，并上傳至教學(xué)平臺(tái)，便于小組根據(jù)項(xiàng)目功能需求挑選對應(yīng)的微課。此外，小組還可在家學(xué)習(xí)微課并制作模型，再帶回學(xué)校用可視化編程實(shí)現(xiàn)流程圖中表達(dá)的思路，并結(jié)合機(jī)器人模型反復(fù)調(diào)試。

案例：在“距控風(fēng)扇”項(xiàng)目中，學(xué)生結(jié)合之前繪制的流程圖，用腳本指令實(shí)現(xiàn)其智能化的功能，部分遇到困難的學(xué)生可以自學(xué)《超聲波傳感器》微課，從而掌握編寫程序?qū)崿F(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)囊话惴椒ā?/p>

這個(gè)過程不僅要實(shí)現(xiàn)程序與機(jī)器人模型的虛實(shí)結(jié)合，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，提高編程能力。

● 交流分享：平板記錄互提升，發(fā)布展示廣宣傳

課內(nèi)，小組間通過iPad拍照、錄像并且做圖片的注解，然后分享到班級(jí)，學(xué)生在平板上瀏覽其他小組的成果，并且點(diǎn)贊或留言評價(jià)，教師通過五星評價(jià)模式給每個(gè)作品打分，最后挑選代表性作品設(shè)置成精品并向全班演示，其他小組可以互動(dòng)提問，在探討的過程中進(jìn)行思維碰撞、相互學(xué)習(xí)。

課后，筆者將學(xué)生的作品發(fā)布到“LC創(chuàng)客工作室”微信公眾號(hào)。興趣濃厚的學(xué)生也會(huì)與家長們一起體驗(yàn)制作個(gè)性化機(jī)器人的項(xiàng)目，并且通過“易企秀”制作圖文并茂的短文進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)宣傳。筆者也將其產(chǎn)生的二維碼貼在創(chuàng)客工作室內(nèi)供來賓參觀學(xué)習(xí)。另外，其精品作品還借助學(xué)?！爸腔坌@特色和科技節(jié)”活動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場展示，多平臺(tái)、多層次地給予學(xué)生交流分享的機(jī)會(huì)。從技術(shù)、主題、創(chuàng)意、合作等多維度給予評價(jià)，體現(xiàn)出創(chuàng)意、藝術(shù)、功能性等多樣的評價(jià)角度。

● 反思與展望

通過綜合解決項(xiàng)目的過程，學(xué)生表示科學(xué)會(huì)變得很有用，數(shù)學(xué)也可以是工具，STEAM的滲透式教學(xué)不是生硬地為整合而整合，而是講方法、有目的、和諧地整合，不僅包括課堂內(nèi)的點(diǎn)滴整合，還包括課堂外的項(xiàng)目或者研究性學(xué)習(xí)的帶著靈活性、以創(chuàng)新為目的整合。

總之，基于STEAM理念的Arduino機(jī)器人教學(xué)項(xiàng)目，不僅可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人的興趣，提高學(xué)生的創(chuàng)造力，還可以激發(fā)學(xué)生對其他學(xué)科的興趣，希望開展STEAM理念下的機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)能成為機(jī)器人教學(xué)的一種借鑒。