張舒馳

機(jī)器人教育作為一門(mén)集實(shí)踐性、創(chuàng)新性、發(fā)展性于一身的課程，近年來(lái)已逐漸走進(jìn)了小學(xué)信息技術(shù)的課堂，成為培養(yǎng)小學(xué)生信息素養(yǎng)不可或缺的重要一環(huán)。筆者所在學(xué)校針對(duì)學(xué)生實(shí)際情況與硬件條件，開(kāi)展了高年級(jí)機(jī)器人教學(xué)的一系列研究，摸索出一套適合教師的課程內(nèi)容與教學(xué)模式，從而提升了學(xué)生數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力，促進(jìn)了學(xué)生信息素養(yǎng)的全面提升。

小學(xué)高年級(jí)信息技術(shù)教學(xué)現(xiàn)狀

1.學(xué)生能力與水平差異較大

通過(guò)抽樣調(diào)查發(fā)現(xiàn)，小學(xué)高年級(jí)階段學(xué)生在信息素養(yǎng)與實(shí)際應(yīng)用方面，存在著比較大的差異，特別是在機(jī)器人技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能等模塊，在要求學(xué)生實(shí)際運(yùn)用與解決問(wèn)題的能力上，呈現(xiàn)出兩級(jí)分化的態(tài)勢(shì)。

2.信息技術(shù)教師專(zhuān)業(yè)化程度不高

在強(qiáng)調(diào)核心素質(zhì)培養(yǎng)的今天，教師的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)尤為重要，其教學(xué)水平直接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，因此提高教師的水平和素質(zhì)是教師專(zhuān)業(yè)發(fā)展的根本。但筆者所在區(qū)域在信息技術(shù)授課教師的配置上，存在著兼職與專(zhuān)職并存，甚至沒(méi)有專(zhuān)職信息技術(shù)教師的情況。

3.場(chǎng)地與實(shí)驗(yàn)設(shè)備配備不均衡

機(jī)器人教學(xué)需要有相對(duì)獨(dú)立的活動(dòng)空間進(jìn)行項(xiàng)目測(cè)試與儀器設(shè)備的存放，但在機(jī)器人儀器設(shè)備的配置上，絕大多數(shù)學(xué)校的機(jī)器人為專(zhuān)業(yè)的競(jìng)賽機(jī)器人，缺乏適用于日常教學(xué)的普及化機(jī)器人相關(guān)設(shè)備。

4.高年級(jí)課程本地化程度不足

學(xué)校在高年級(jí)信息技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容的安排上，基本上是以教科書(shū)為主，多數(shù)教師也照本宣科，播放教學(xué)光盤(pán)中的視頻。通過(guò)讓學(xué)生上網(wǎng)查詢(xún)和自學(xué)書(shū)本內(nèi)容的方式，無(wú)論是學(xué)習(xí)的效果，還是對(duì)學(xué)生信息素養(yǎng)與能力的培養(yǎng)，都不盡如人意。

軟硬件的部署與準(zhǔn)備

1.硬件器材的準(zhǔn)備方案

高年級(jí)機(jī)器人教學(xué)模塊需要使用的器材除了基本的Arduino主控板外，還涉及各類(lèi)傳感器、執(zhí)行器、連接線(xiàn)等，所有產(chǎn)品均為開(kāi)源硬件與通用電子設(shè)備，學(xué)?？山柚黝?lèi)網(wǎng)購(gòu)平臺(tái)或者定點(diǎn)廠(chǎng)家集中采購(gòu)。為滿(mǎn)足教師日常教學(xué)的需求，筆者所在學(xué)校根據(jù)實(shí)踐，整理出常用的硬件設(shè)備（如下頁(yè)表）。整套器材只需一個(gè)小號(hào)收納盒即可存放，可以供3～4人的學(xué)習(xí)小組使用。

2.軟件平臺(tái)與安裝

Arduino官方推薦Arduino IDE作為軟件編輯環(huán)境。學(xué)生搭建的機(jī)器人是通過(guò)代碼執(zhí)行來(lái)完成一項(xiàng)項(xiàng)任務(wù)的，兩者缺一不可。但官方平臺(tái)是一種純文本的編程環(huán)境，對(duì)于不具備這類(lèi)編程技能的小學(xué)生來(lái)說(shuō)上手難度較高，教師難以開(kāi)展日常教學(xué)。Mixly（米思奇）是一款免費(fèi)的圖形化編程平臺(tái)，該平臺(tái)支持大部分Arduino型號(hào)。它使用積木塊代替了復(fù)雜的文本操作，為學(xué)生的快速入門(mén)奠定了良好的基礎(chǔ)，對(duì)于已經(jīng)系統(tǒng)學(xué)習(xí)過(guò)圖形化編程內(nèi)容的學(xué)生來(lái)說(shuō)，可以很輕松地上手。

教師可下載Mixly_WIN.7z壓縮包，解壓到本地磁盤(pán)。第一次解壓的軟件只含有最基礎(chǔ)的文件，不能直接運(yùn)行。需要先運(yùn)行“一鍵更新.bat”或“update.bat”下載最新版的Mixly軟件。等待片刻后，會(huì)顯示更新進(jìn)度。當(dāng)看到提示“Mixly更新完成”時(shí)，說(shuō)明軟件下載完畢。更新完成后，雙擊Mixly.exe打開(kāi)Mixly軟件即可進(jìn)行程序的編寫(xiě)與上傳。

項(xiàng)目化課程設(shè)計(jì)建議

根據(jù)高年級(jí)教材中的機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容，要在一學(xué)期實(shí)現(xiàn)所有項(xiàng)目的制作，是比較困難的。因此，筆者所在學(xué)校選擇具有代表性的內(nèi)容進(jìn)行項(xiàng)目化整合與改編，注重學(xué)生活動(dòng)的參與度與課程實(shí)施的有效性，將項(xiàng)目縮減為3個(gè)，每個(gè)項(xiàng)目再細(xì)分為初、中、高難度的子項(xiàng)目，由淺入深，由基礎(chǔ)到提高。具體項(xiàng)目安排如下。

1.“發(fā)光的機(jī)器人”項(xiàng)目

燈是日常生活中最常見(jiàn)的電器，學(xué)會(huì)怎樣用Arduino控制LED的打開(kāi)與關(guān)閉，是學(xué)習(xí)機(jī)器人技術(shù)最常見(jiàn)的一種途徑。通過(guò)項(xiàng)目一的教學(xué)，讓學(xué)生了解LED的基本應(yīng)用，如手機(jī)、電筒及各類(lèi)照明設(shè)備的控制原理。

項(xiàng)目一主要目標(biāo)是讓學(xué)生熟悉Arduino硬件設(shè)備，掌握Mixly軟件平臺(tái)編程的基本操作。涉及的主要器材有Arduino控制器、LED模塊、數(shù)據(jù)線(xiàn)、光線(xiàn)傳感器。具體教學(xué)內(nèi)容可分為：①點(diǎn)亮一盞LED;②閃爍的LED;③光控LED。

2.“讓機(jī)器人動(dòng)起來(lái)”項(xiàng)目

機(jī)器人是具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器，具備一些人或者與其他生物相似的能力，可以實(shí)現(xiàn)諸如搬運(yùn)、救援、家務(wù)類(lèi)的任務(wù)，成為人類(lèi)生活與工作的好幫手。

項(xiàng)目二的主要目標(biāo)是讓學(xué)生了解并掌握直流電機(jī)與數(shù)字舵機(jī)的工作原理，結(jié)合傳感器搭建一個(gè)可以移動(dòng)并執(zhí)行具體任務(wù)的機(jī)器人。涉及的主要器材有Arduino控制器、直流電機(jī)、風(fēng)扇、數(shù)字舵機(jī)、火焰?zhèn)鞲衅鞯?。具體教學(xué)內(nèi)容可分為：①聲控機(jī)械臂;②滅火機(jī)器人;③掃地機(jī)器人。

3.“機(jī)器人真聰明”項(xiàng)目

機(jī)器人運(yùn)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，具備像人一樣的感官能力，而且能夠獨(dú)立思考、獨(dú)立工作。衡量一個(gè)機(jī)器人智能化程度，可以從其解決問(wèn)題的方式與效率上判斷出來(lái)。

項(xiàng)目三選擇了機(jī)器人教學(xué)中的兩個(gè)經(jīng)典案例——超聲波避障與巡線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，讓學(xué)生掌握機(jī)器人躲避障礙與巡線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的原理并搭建出一個(gè)具備上述功能的機(jī)器人。涉及的主要器材有Arduino控制器、直流電機(jī)、超聲波傳感器、灰度傳感器等。具體教學(xué)內(nèi)容分為：①避障機(jī)器人;②巡線(xiàn)機(jī)器人;③綜合創(chuàng)意機(jī)器人。

基于Arduino的課堂教學(xué)實(shí)踐

1.選用合適的教學(xué)方法

在機(jī)器人教學(xué)模塊中，如果不具備開(kāi)展實(shí)際操作的條件，可以運(yùn)用演示法教學(xué)。教師要精選演示內(nèi)容，通過(guò)演示的方式展示機(jī)器人的工作原理與實(shí)際效果，要注重演示結(jié)合講解，如果學(xué)生知識(shí)不豐富，觀察能力不強(qiáng)，教師要通過(guò)簡(jiǎn)明的指導(dǎo)語(yǔ)引導(dǎo)他們觀察與思考。

在機(jī)器人技術(shù)教學(xué)中，以游戲或者比賽的形式為載體，可以極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與創(chuàng)作欲望。利用學(xué)生的好勝心、自尊心，組織學(xué)生參與競(jìng)爭(zhēng)型游戲或比賽，能更好地激發(fā)學(xué)生的競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性。

2.嘗試項(xiàng)目化教學(xué)模式

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（PBL）通常是在一個(gè)學(xué)習(xí)小組中進(jìn)行，學(xué)生們?cè)谶@個(gè)小組中有各自的角色，而這個(gè)角色會(huì)不斷輪換，在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中學(xué)生的學(xué)習(xí)是通過(guò)自己的思考和推理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。教師的角色是通過(guò)支持、建議和指導(dǎo)來(lái)幫助學(xué)生們更好地學(xué)習(xí)，并且在必要時(shí)拓展他們對(duì)問(wèn)題的理解。學(xué)生對(duì)機(jī)器人技術(shù)的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)可按照以下流程展開(kāi)。

（1）提出項(xiàng)目問(wèn)題。在項(xiàng)目學(xué)習(xí)的開(kāi)始，教師提出問(wèn)題：機(jī)器人有哪些獨(dú)一無(wú)二的特點(diǎn)？生活中哪些地方運(yùn)用到了機(jī)器人技術(shù)？鼓勵(lì)學(xué)生以小組為單位提出自己的問(wèn)題，并將其列在清單上，這些問(wèn)題要具有真實(shí)性和一定的挑戰(zhàn)性。

（2）制訂項(xiàng)目方案。小組成員在組長(zhǎng)的帶領(lǐng)下，完成項(xiàng)目方案的制訂。方案需要通過(guò)組內(nèi)討論形式?jīng)Q定項(xiàng)目主題、人員分工、所需器材等，教師在學(xué)生初次制訂方案時(shí)及時(shí)指導(dǎo)，幫助有困難的學(xué)生找到自己合適的定位。

（3）解決實(shí)際問(wèn)題。這是具體操作的環(huán)節(jié)，組內(nèi)成員根據(jù)先前的分工，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的組裝搭建、程序編寫(xiě)、調(diào)試運(yùn)行。這對(duì)學(xué)生的協(xié)作能力與個(gè)人能力是一個(gè)比較大的考驗(yàn)。組員要從功能實(shí)現(xiàn)、美觀程度、程序結(jié)構(gòu)等方面通盤(pán)考慮，完成作品的制作。

（4）評(píng)價(jià)與反思。作品完成后，以小組為單位進(jìn)行作品演示，要讓每一位成員都有展示自己的機(jī)會(huì)。通過(guò)演示文稿匯報(bào)設(shè)計(jì)思路與成員分工，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行展示機(jī)器人的功能，其他小組的學(xué)生可以在這個(gè)過(guò)程中學(xué)習(xí)他人的創(chuàng)意與優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)自己小組的不足，以便后期對(duì)作品進(jìn)行升級(jí)與優(yōu)化。這一步主要以學(xué)生互評(píng)為主，教師評(píng)價(jià)為輔，讓學(xué)生充分體會(huì)到團(tuán)隊(duì)歸屬感與成功的喜悅。

3.關(guān)注學(xué)習(xí)過(guò)程中產(chǎn)生的“無(wú)用”

在信息技術(shù)課堂教學(xué)中，有時(shí)會(huì)看到學(xué)生制作出一些“瞎鬧”“無(wú)聊”的東西，可是學(xué)生樂(lè)在其中，一個(gè)“優(yōu)秀”的作品往往就是因?yàn)榧尤肓诉@些“副產(chǎn)品”，才顯得出類(lèi)拔萃。作為教師，遇到這樣的情況，千萬(wàn)不要一味否定，要引導(dǎo)學(xué)生鉆研下去，將自己的這些發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)意保留下來(lái)，在不久的將來(lái)發(fā)揮出它應(yīng)有的價(jià)值。

有用還是沒(méi)用，時(shí)間會(huì)給出答案，因?yàn)榻逃敲嫦蛭磥?lái)的。真正的學(xué)習(xí)應(yīng)該去功利化，用課程內(nèi)容去吸引學(xué)生。正如我們面對(duì)美食的時(shí)候，總是先受到色、香、味的吸引，而不是先研究各種維生素的比例。一旦人的飲食純粹為了補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)、維持生命，生命就毫無(wú)樂(lè)趣可言。學(xué)習(xí)也是如此，機(jī)器人教育也要關(guān)注“無(wú)用”的學(xué)習(xí)，關(guān)注個(gè)性化的創(chuàng)造過(guò)程。

綜上所述，借助Arduino平臺(tái)在高年級(jí)信息技術(shù)課上開(kāi)展機(jī)器人教學(xué)，并選擇合適的課程內(nèi)容與教學(xué)方法，讓學(xué)生體驗(yàn)到程序設(shè)計(jì)、機(jī)器人搭建與團(tuán)隊(duì)合作的快樂(lè)，對(duì)培養(yǎng)和提高他們的信息素養(yǎng)、合作能力、動(dòng)手能力都有著重要的意義。