將Scratch應(yīng)用于機(jī)器人編程教學(xué)的分析與實(shí)踐

王麗

摘要： 隨著新課標(biāo)的推進(jìn)和實(shí)施，如何在小學(xué)中高年級(jí)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，培育核心素養(yǎng)，成為一個(gè)重要命題。本文對(duì)小學(xué)Scratch和機(jī)器人教學(xué)的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，通過六年級(jí)信息技術(shù)課本中“我控制的機(jī)器人”這一實(shí)際教學(xué)案例的研究，對(duì)原有教材內(nèi)容進(jìn)行了豐富、細(xì)化和升華，總結(jié)了利用Scratch語言進(jìn)行小學(xué)信息技術(shù)機(jī)器人編程教學(xué)的方法和心得。

關(guān)鍵詞： 小學(xué)信息技術(shù) ?機(jī)器人 ?Scratch ?編程 ?融合教學(xué)

引言

以Scratch為代表的圖形化編程語言，界面形象生動(dòng)，使用積木來編寫程序，沒有英文指令的理解障礙，讓學(xué)生在創(chuàng)作的過程中直觀、形象地學(xué)習(xí)編程、實(shí)現(xiàn)算法、表達(dá)思想。在六年級(jí)信息技術(shù)課本“我控制的機(jī)器人”中引入Scratch語言，讓學(xué)生對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)算法，能夠讓學(xué)生經(jīng)歷抽象、分解、建模的過程，在想象構(gòu)思、動(dòng)手搭建、編程設(shè)計(jì)、修改調(diào)試的步驟中培養(yǎng)計(jì)算思維，在綜合運(yùn)用、動(dòng)手動(dòng)腦中提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。

一、現(xiàn)狀分析

（一）學(xué)校機(jī)器人教學(xué)現(xiàn)狀

1.軟件難

現(xiàn)行中小學(xué)信息技術(shù)教材第八冊(cè)第12課中提到不同品牌的機(jī)器人配有不同的編程軟件。書中案例示范的是如圖1所示的一款軟件。學(xué)校用于比賽購買的機(jī)器人也是專業(yè)的配套編程工具，現(xiàn)在比較流行的機(jī)器人編程軟件還有Aduino，而這幾款編程工具對(duì)于六年級(jí)的學(xué)生來說比較陌生，在短短的一節(jié)課或者兩節(jié)課中，需要認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)新的軟件，再利用工具進(jìn)行編程，時(shí)間比較緊迫，難度也較大。目前的信息技術(shù)課絕大部分內(nèi)容是軟件教學(xué)，軟件知識(shí)和硬件知識(shí)被分離開來，學(xué)生無法對(duì)信息技術(shù)學(xué)科有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)。讓學(xué)生在信息技術(shù)課上既動(dòng)腦又動(dòng)手，用實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證，用創(chuàng)造去學(xué)習(xí)，成了難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

2.硬件少

為了在機(jī)器人大賽中獲獎(jiǎng)，大部分學(xué)校每年要花費(fèi)重金聘請(qǐng)校外專業(yè)的機(jī)器人社團(tuán)對(duì)本校的優(yōu)秀學(xué)生進(jìn)行輔導(dǎo)。這些學(xué)校的機(jī)器人硬件由校外社團(tuán)提供，比較先進(jìn)，但是只有一小部分學(xué)生能夠接觸到，接觸面非常窄，以筆者所帶的六年級(jí)學(xué)生為例，僅有三名學(xué)生參加社團(tuán)。還有一部分學(xué)校采購了數(shù)套機(jī)器人，也建立了機(jī)器人創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室，但是面對(duì)整個(gè)學(xué)校上千的學(xué)生，仍然是杯水車薪。

（二）Scratch編程的教學(xué)現(xiàn)狀

Scratch程序設(shè)計(jì)從2017年1月起被安排進(jìn)安徽省小學(xué)信息技術(shù)教材第4冊(cè)第三單元。在此之前，小學(xué)階段學(xué)習(xí)的唯一編程工具是PCLogo。Scratch趣味編程開始出現(xiàn)在小學(xué)信息技術(shù)四年級(jí)下冊(cè)教材中，對(duì)于四年級(jí)的學(xué)生來說，Scratch結(jié)構(gòu)化、搭積木式的編程方式，讓幾乎所有的學(xué)生都會(huì)一眼喜歡上這個(gè)軟件。遺憾的是，信息技術(shù)教材只安排了6課時(shí)內(nèi)容，學(xué)生們?cè)谡n堂上幾乎沒有深入學(xué)習(xí)Scratch編程的機(jī)會(huì)。所以，將Scratch應(yīng)用于機(jī)器人編程教學(xué)中也是對(duì)四年級(jí)學(xué)習(xí)內(nèi)容的 ??延續(xù)。

三、將Scratch軟件用于小學(xué)機(jī)器人編程教學(xué)的意義

（一）增強(qiáng)學(xué)習(xí)趣味，降低學(xué)習(xí)難度

將Scratch應(yīng)用到機(jī)器人編程教學(xué)中，學(xué)生不單要?jiǎng)幽X編程，還要?jiǎng)邮执罱C(jī)器人。學(xué)生的編程作品不再是摸不著、看不見的軟件，而是以可以觸摸、觀察的硬件方式呈現(xiàn)出來。這使得編程的過程變得更有趣、結(jié)果更加直觀生動(dòng)，也使得編程的結(jié)果更容易觀察，有利于學(xué)生理解、調(diào)試、修改程序。

（二）培養(yǎng)學(xué)生想象力、創(chuàng)造力

想象來自現(xiàn)實(shí)，來自對(duì)現(xiàn)實(shí)深入的思考、觀察、分析，然后從中發(fā)現(xiàn)原型，進(jìn)行組合、改造、變化。在以往的信息技術(shù)課中，培養(yǎng)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力是一大難點(diǎn)，往往出現(xiàn)老師怎么做學(xué)生就怎么做、老師做啥樣學(xué)生就做啥樣的情況。創(chuàng)新教學(xué)方法和軟硬件，可以使學(xué)生深入理解信息科技的原理，看到事物內(nèi)在的聯(lián)系。豐富的軟硬件積木為創(chuàng)新提供了土壤，讓想象能夠開花結(jié)果。

（三）培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維

計(jì)算思維是信息科技的核心素養(yǎng)。思維是內(nèi)在的、無法直接呈現(xiàn)的。創(chuàng)新軟硬件，能夠?qū)⒅悄茉O(shè)備的工作過程和原理直觀呈現(xiàn)出來。通過創(chuàng)新教學(xué)方法，將學(xué)生設(shè)計(jì)的算法通過圖形化編程直觀地演示出來，學(xué)生在不斷地觀察、思考、假設(shè)、修改、獲得反饋的過程中理解并養(yǎng)成計(jì)算思維。

（四）提供新的教學(xué)路徑

整合機(jī)器人硬件教學(xué)與Scratch軟件編程，利用信息技術(shù)對(duì)學(xué)生開展創(chuàng)新教育，為學(xué)生營造了創(chuàng)新的環(huán)境，播下了創(chuàng)新的種子，為小學(xué)階段的機(jī)器人教育提供了借鑒。

三、基于Scratch的小學(xué)信息技術(shù)機(jī)器人編程教學(xué)的實(shí)踐

下面以電子工業(yè)出版社版小學(xué)六年級(jí)信息技術(shù)課本中“我控制的機(jī)器人”一課為例，簡(jiǎn)要闡述Scratch的小學(xué)信息技術(shù)機(jī)器人編程教學(xué)的具體 實(shí)踐。

（一）發(fā)現(xiàn)需求，探究原理

我在教學(xué)“我控制的機(jī)器人”一課時(shí)正值盛夏，師生在教室里揮汗如雨。于是，我引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)大家降溫、消暑的迫切需求：“天這么熱，怎么才能涼快些呢？”“還要起身開電風(fēng)扇，真是麻煩，走走路又要出汗了?！薄半婏L(fēng)扇要是智能、自動(dòng)的就好了?！睆倪@些感慨、想法出發(fā)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)了需求。我再引導(dǎo)他們將需求轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w的項(xiàng)目目標(biāo)：“能不能設(shè)計(jì)一個(gè)智能電風(fēng)扇，只要人一靠近，就可以自動(dòng)工作？”

在實(shí)際教學(xué)中，其實(shí)這一步并不容易。因?yàn)閷W(xué)生的想法天馬行空、五花八門，既要保護(hù)學(xué)生思考、探索的積極性，又要將教學(xué)控制在一定的范圍內(nèi)。需要對(duì)學(xué)生的問題有一定的預(yù)估，既要在學(xué)生的想法超越教學(xué)軟硬件時(shí)，幫助他們收攏想法，聚焦項(xiàng)目方向；又要在學(xué)生對(duì)硬件不熟悉時(shí)，利用課前收集的資料，幫助他們了解可編程的機(jī)器人和智能硬件，為他們指明方向。

當(dāng)學(xué)生接觸到身邊的機(jī)器人、智能硬件，以及自動(dòng)化工作的設(shè)備后，他們能夠想象到自己設(shè)計(jì)的智能風(fēng)扇的樣子，可是如果這個(gè)時(shí)候就讓他們動(dòng)手開始軟硬件設(shè)計(jì)、制作，他們就會(huì)陷入一片茫然，因?yàn)樗麄內(nèi)鄙傧嚓P(guān)的知識(shí)儲(chǔ)備和經(jīng)驗(yàn)。為此，我抓住時(shí)機(jī)提問：“你們?cè)谏钪幸娺^哪些這樣的智能設(shè)備？”根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，他們可以說出感應(yīng)門、感應(yīng)水龍頭等智能設(shè)備。這個(gè)時(shí)候追問學(xué)生，“它們是如何運(yùn)行的？由哪些部分組成？”就會(huì)難倒很多學(xué)生。我借機(jī)引導(dǎo)學(xué)生回憶、復(fù)習(xí)本單元前幾課的內(nèi)容，由此學(xué)生能夠得出結(jié)論：這些自動(dòng)感應(yīng)的智能設(shè)備都是由傳感器、控制器、電機(jī)和運(yùn)動(dòng)部分等組成的。學(xué)生在探究身邊智能設(shè)備的同時(shí)，也認(rèn)識(shí)了智能控制的原理。

（二）認(rèn)識(shí)構(gòu)造，積木搭建

受硬件限制，“機(jī)器人”內(nèi)容在很多學(xué)校的教學(xué)一線處于實(shí)質(zhì)上的空白狀態(tài)。面對(duì)學(xué)生感興趣的機(jī)器人，我們往往只能望書興嘆。目前市面上常見的智能硬件往往價(jià)格不菲，動(dòng)輒就是四位數(shù)，例如知名的樂高EV3套裝，在網(wǎng)店的售價(jià)就高達(dá)六千多元。怎樣讓智能硬件買得起、用得起，一直是困擾一線信息教師的問題。我在遇到這一問題時(shí)，在網(wǎng)上平臺(tái)反復(fù)搜索比較，選擇了僅數(shù)百元的積木式機(jī)器人。它有兩個(gè)特點(diǎn)：第一，便于安裝和拆卸；第二，價(jià)格非常便宜，一個(gè)班級(jí)購買十臺(tái)，也只相當(dāng)于花一個(gè)比賽機(jī)器人的價(jià)錢，讓學(xué)?！拜p松購”。這學(xué)生有機(jī)會(huì)動(dòng)手又動(dòng)腦，讓機(jī)器人教學(xué)“能落地”。

學(xué)生在認(rèn)識(shí)了智能設(shè)備控制原理后，已經(jīng)對(duì)搭建智能風(fēng)扇迫不及待了。這時(shí)我?guī)е鴮W(xué)生認(rèn)識(shí)積木式智能硬件的傳感器、控制器和運(yùn)動(dòng)部分，為搭建智能風(fēng)扇做準(zhǔn)備。尤其是傳感器類型多樣，學(xué)生需要熟悉每一種傳感器的功能和特點(diǎn)，才能在搭建時(shí)選擇合適的傳感器。其次，還要帶學(xué)生觀察傳感器、控制器、電機(jī)等主要部分之間的線纜連接，積木式硬件通常使用各種線纜連接，傳遞能源和信號(hào)。在教學(xué)中，要讓學(xué)生注意線纜的顏色、接口、正確接法。最后，還要提醒學(xué)生注意電機(jī)和扇葉的齒輪連接，講解齒輪減速的原理，借機(jī)進(jìn)行STEM相關(guān)教學(xué)。

（三）編寫程序，認(rèn)識(shí)算法

使用圖形表示算法是一種培養(yǎng)計(jì)算思維的好方法。千言萬語不如一張圖，流程圖在匯編語言和早期的BASIC語言環(huán)境中得到廣泛的應(yīng)用。軟件編程原理都是相通的。針對(duì)智能風(fēng)扇的算法，筆者也引導(dǎo)學(xué)生使用流程圖來表示，讓學(xué)生設(shè)計(jì)工作流程，再借助流程圖說一說“智能風(fēng)扇”是如何工作的。

算法教學(xué)是計(jì)算思維培養(yǎng)的核心環(huán)節(jié)，新課標(biāo)提出重視培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)學(xué)科的思想、知識(shí)、方法解決真實(shí)問題。本項(xiàng)目活動(dòng)中，學(xué)生在前面搭建的基礎(chǔ)上，理解了輸入—計(jì)算—輸出這一基本的控制過程，為算法的基本結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。接下來，老師需要引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)輸入、計(jì)算、輸出的三個(gè)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)硬件工作的邏輯和步驟，對(duì)具體如何實(shí)現(xiàn)進(jìn)行算法分析。尤其是其中的計(jì)算環(huán)節(jié)，牽涉到判斷和循環(huán)結(jié)構(gòu)，有一定難度，需要學(xué)生細(xì)致分析；對(duì)判斷和循環(huán)的條件仔細(xì)考慮。

教材中的這一課，學(xué)生需要學(xué)習(xí)利用專門的軟件給機(jī)器人編程，學(xué)生原來學(xué)習(xí)的PCLogo語言、Scratch語言無法直接遷移到新的學(xué)習(xí)中來，加大了學(xué)習(xí)難度，學(xué)生“學(xué)得慢”。Scratchpi這個(gè)軟件，界面、使用方法都和Scratch一樣，只是在Scratch的基礎(chǔ)上增加了一些與智能硬件相關(guān)的積木。學(xué)生可以無縫遷移之前的經(jīng)驗(yàn)，感到親切、熟悉，也愿意學(xué)習(xí)。知識(shí)遷移較快，難度降低，學(xué)生能夠輕松掌握新知識(shí)。

學(xué)生已經(jīng)通過前面的算法分析，繪制出了流程圖，這里需要做的，是將流程圖所表示的算法用具體的程序語言實(shí)現(xiàn)出來。語言有自身的格式和規(guī)則，學(xué)生只有對(duì)程序語言熟悉，才能較好地使用程序語言來描述算法。老師要加強(qiáng)對(duì)積木模塊的教學(xué)，幫助部分程序語言不熟練的同學(xué)或小組，完成這一環(huán)節(jié)的任務(wù)。

（四）小組合作，學(xué)習(xí)創(chuàng)新

小學(xué)階段機(jī)器人教學(xué)課堂組織形式以小組合作學(xué)習(xí)為主。這一方面可以讓學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的學(xué)生帶動(dòng)學(xué)習(xí)能力弱的學(xué)生，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)活動(dòng)中形成集體意識(shí)和合作習(xí)慣；另一方面可以解決硬件不足的問題。但要注意的是：在不同階段的機(jī)器人教學(xué)中應(yīng)當(dāng)依據(jù)學(xué)生特點(diǎn)和具體條件，采取不同的分組方法，讓學(xué)生通過互相之間的交流、示范、解釋加深對(duì)知識(shí)技能的理解，從而激發(fā)絕大多數(shù)學(xué)生學(xué)習(xí)“機(jī)器人”知識(shí)的興趣。

軟硬件搭建完畢后，學(xué)生還需要對(duì)智能風(fēng)扇進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行，這就需要學(xué)生之間互相合作。同時(shí)對(duì)于出現(xiàn)的疑難問題，利用教師給的數(shù)字指導(dǎo)手冊(cè)進(jìn)行學(xué)習(xí)，找到問題根源，排除故障。例如，對(duì)于人體靠近時(shí)的距離和風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速這兩個(gè)數(shù)值，需要在反復(fù)的嘗試中，找到一個(gè)合理的區(qū)間，不能出現(xiàn)人靠近了風(fēng)扇不轉(zhuǎn)或風(fēng)扇雖轉(zhuǎn)但沒有降溫效果的情況。

使用Scratchpi對(duì)機(jī)器人內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)，并采用小組合作的形式完成學(xué)習(xí)任務(wù)后，學(xué)生總是感覺意猶未盡。一般我會(huì)在已有的硬軟件基礎(chǔ)上增加一些條件對(duì)任務(wù)進(jìn)行拓展，培養(yǎng)學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力、實(shí)踐與創(chuàng)新能力。

例如，鼓勵(lì)學(xué)生從智能風(fēng)扇出發(fā)，開發(fā)類似的自動(dòng)化控制設(shè)備，服務(wù)學(xué)習(xí)與生活。在實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生創(chuàng)意無限，產(chǎn)生了很多好點(diǎn)子、好想法、好作品。有的學(xué)生制作了自動(dòng)澆花器，有的學(xué)生制作了夜間智能燈，有的學(xué)生制作了寵物自動(dòng)喂食器……學(xué)生從創(chuàng)造中收獲學(xué)習(xí)的成果，享受學(xué)習(xí)的樂趣，實(shí)現(xiàn)了核心素養(yǎng)的培育。

參考文獻(xiàn)：

[1]王同聚.Scratch與機(jī)器人共融在教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐——以中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)為例[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2015（8）：76 79.

[2]管雪沨.Scratch讓信息技術(shù)更有趣[J].中國信息技術(shù)教育，2012（10）：21 22.

責(zé)任編輯：黃大燦