鄭雨晴

摘 要 在小學(xué)階段開展Arduino機(jī)器人教育，不僅具有很強(qiáng)的實(shí)踐性、綜合性，而且對于小學(xué)生創(chuàng)造力思維以及實(shí)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(jī)器人概念，分析STEM理念下小學(xué)Arduino機(jī)器人教育價值的基礎(chǔ)上，以“手勢控制呼吸燈”為例，探索基于STEM理念的小學(xué)Arduino機(jī)器人校本課程教學(xué)設(shè)計(jì)策略。

關(guān)鍵詞 STEM理念;小學(xué)機(jī)器人教育;教學(xué)設(shè)計(jì);校本課程;Arduino機(jī)器人

中圖分類號：G623.58 文獻(xiàn)標(biāo)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(chǔ)，機(jī)器人教育逐漸成為小學(xué)信息技術(shù)課程中必不可少的內(nèi)容。而STEM理念是美國面對人才競爭提出的一項(xiàng)國家教育戰(zhàn)略，其對小學(xué)機(jī)器人教育產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。然而，目前小學(xué)機(jī)器人教育處于十分尷尬的位置，除了技術(shù)細(xì)節(jié)不公開，廠商硬件設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)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(jī)器人課程納入常規(guī)課程教學(xué)。因此，研究基于STEM理念的小學(xué)Arduino機(jī)器人校本課程教學(xué)具有重要意義。

2 相關(guān)概念概述

STEM理念 STEM是科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)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(qiáng)調(diào)學(xué)生在雜亂無章的學(xué)習(xí)情境中獲得設(shè)計(jì)、合作、實(shí)踐、創(chuàng)新等能力的提升。其旨在消除傳統(tǒng)教學(xué)中各學(xué)科知識割裂的現(xiàn)象，讓學(xué)生在零碎知識與機(jī)械工程中經(jīng)歷探究世界的過程。在具體教學(xué)實(shí)踐中，STEM教育理念表現(xiàn)為綜合性、回歸性、實(shí)踐性、豐富性四個特征。

Arduino機(jī)器人 與Java、C語言IDE集成開發(fā)環(huán)境相類似，Arduino機(jī)器人構(gòu)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(shè)計(jì)之初就是通過利用它，快速地學(xué)習(xí)電子和傳感器等基礎(chǔ)知識，優(yōu)勢在于培養(yǎng)學(xué)生良好的信息素質(zhì)、創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，同時促使學(xué)生掌握機(jī)器人機(jī)械、傳感和控制部分的設(shè)計(jì)與搭建等基本知識與技能。

3 STEM理念下小學(xué)Arduino機(jī)器人教育的價值

滿足學(xué)生現(xiàn)實(shí)發(fā)展需求 STEM理念下小學(xué)Arduino機(jī)器人教育的實(shí)施，不僅能夠讓學(xué)生利用已有知識經(jīng)驗(yàn)和生活經(jīng)驗(yàn)，將所學(xué)各種知識靈活應(yīng)用到不同學(xué)習(xí)活動之中，有效提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐動手能力以及問題解決能力，而且打破學(xué)科之間的界限，讓學(xué)生在“做中學(xué)、玩中學(xué)、錯中學(xué)”，有效激發(fā)學(xué)生探究的興趣，拓寬學(xué)生的視野，達(dá)到促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展的目的。如筆者從實(shí)際需求和節(jié)約能源角度出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)走廊里的聲控?zé)?，讓學(xué)生在綜合應(yīng)用物理學(xué)科中的聲音、光等知識的基礎(chǔ)上，動手、動腦，幫助學(xué)生養(yǎng)成樂于學(xué)習(xí)、敢于創(chuàng)新的學(xué)習(xí)態(tài)度。

滿足學(xué)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(yán)峻的挑戰(zhàn)?？v觀國外發(fā)達(dá)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(shè)機(jī)器人課程滿足未來發(fā)展需求。因此，實(shí)施STEM理念下小學(xué)Arduino機(jī)器人教育，能夠?yàn)閷W(xué)生從事更高層次的研發(fā)工作積累寶貴經(jīng)驗(yàn)，為學(xué)生的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)。特別是通過機(jī)器人課程技術(shù)思想、基礎(chǔ)知識和基本操作技能的學(xué)習(xí)，能夠?yàn)閷W(xué)生面對未來挑戰(zhàn)奠定基礎(chǔ)。

4 基于STEM理念的小學(xué)Arduino機(jī)器人校本課程教學(xué)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)框架構(gòu)想 筆者結(jié)合多年小學(xué)機(jī)器人教育實(shí)踐，借鑒DBR（Design-based Research）的一般研究過程，設(shè)計(jì)出圖1所示基于STEM理念的小學(xué)Arduino機(jī)器人校本課程教學(xué)設(shè)計(jì)模型。該模型是實(shí)施共分為五個階段。

1）廣播考察階段。廣播考察階段是設(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，主要是從機(jī)器人教育實(shí)踐的角度分析現(xiàn)階段機(jī)器人教育內(nèi)容。在具體實(shí)踐中，為了給小學(xué)Arduino機(jī)器人教育提供教學(xué)內(nèi)容上的參考和依據(jù)，教師應(yīng)從教材、教學(xué)案例以及教學(xué)需求三個方面進(jìn)行分析，全面了解和掌握一線教師和學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的實(shí)際需求。

2）設(shè)計(jì)開發(fā)階段。設(shè)計(jì)開發(fā)階段是設(shè)計(jì)研究的重要環(huán)節(jié)，主要是對干預(yù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)踐者、管理者等人員共同設(shè)計(jì)與開發(fā)。

3）實(shí)施驗(yàn)證教育干預(yù)階段。實(shí)施驗(yàn)證教育干預(yù)階段是設(shè)計(jì)研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要是將基于STEM理念的小學(xué)Arduino

機(jī)器人應(yīng)用到具體教學(xué)實(shí)踐中，并對于出現(xiàn)的不足進(jìn)行修改和重新設(shè)計(jì)，不斷對其進(jìn)行修改和完善。

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

5）完善優(yōu)化教育干預(yù)階段。完善優(yōu)化教育干預(yù)階段是根據(jù)分析評價結(jié)果，不斷豐富和完善原有小學(xué)Arduino機(jī)器人，并對其進(jìn)行推廣和優(yōu)化。

設(shè)計(jì)原則

1）實(shí)踐性原則。小學(xué)Arduino機(jī)器人教育更多體現(xiàn)的是以工程為主線的設(shè)計(jì)性和探究性等問題，就是讓學(xué)生全程參與小學(xué)Arduino機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制作，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。

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

3）趣味性原則。要立足于現(xiàn)實(shí)生活實(shí)際，從學(xué)生興趣出發(fā)，設(shè)計(jì)出有趣味性的項(xiàng)目。如在實(shí)施LED項(xiàng)目時，筆者從學(xué)生周邊的聲控?zé)舫霭l(fā)，有效激發(fā)學(xué)生探究的興趣。

4）創(chuàng)造性原則。不能實(shí)施教條式的課本知識灌輸，而是在具體設(shè)計(jì)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(yùn)用機(jī)器人知識和技術(shù)有效解決實(shí)際問題。

教學(xué)實(shí)踐 實(shí)施基于STEM理念的小學(xué)Arduino機(jī)器人教育的總目標(biāo)，是提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、綜合設(shè)計(jì)能力以及動手實(shí)踐能力。筆者在綜合教材、教學(xué)案例以及教學(xué)需求的基礎(chǔ)上，以Arduino為平臺，以智能LED為主題進(jìn)行探究。

1）多媒體視頻展示，引入新課。為了激發(fā)學(xué)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(xué)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(jī)提問學(xué)生，如果提問學(xué)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(xué)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(jìn)行提問。如果學(xué)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(jìn)行提示，并引出本節(jié)新的課題。

2）布置任務(wù)，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(shù)和原理，并以此為契機(jī)，引導(dǎo)學(xué)生以“光線傳感器、按鈕能否識別出各種手勢”為主題，進(jìn)行組間討論和查閱資料，并在上述討論基礎(chǔ)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(yīng)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(xué)基本知識，類比平面中點(diǎn)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(jié)出兩個傳感器識別出手勢的思路，即利用物理學(xué)路程與時間關(guān)系式t=s/v，并將手勢識別這個抽象的問題轉(zhuǎn)化為易于理解和實(shí)現(xiàn)的手勢控制LED流程圖（如圖2所示）。

3）探究任務(wù)，搭建硬件。為了將上述獲得的知識應(yīng)用于具體實(shí)踐中，筆者在提供手勢從左到右點(diǎn)亮LED等程序以及LED、演示傳感器等器材的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)探究任務(wù)：手勢從左到右點(diǎn)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(dǎo)。如當(dāng)有學(xué)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(xué)生回顧手勢識別的過程并修改程序。

4）展示交流，課堂總結(jié)。根據(jù)教師布置的教學(xué)任務(wù)，邀請小組展示設(shè)計(jì)思路和成果，談?wù)勛约涸诰唧w實(shí)踐過程中的收獲;其他學(xué)生在聆聽的基礎(chǔ)上對其進(jìn)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(xué)生進(jìn)行展示和交流。同時，教師應(yīng)對學(xué)生探究過程中出現(xiàn)的共性問題進(jìn)行講解，總結(jié)和補(bǔ)充概括學(xué)生講解的，鼓勵學(xué)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(jìn)行評價，并通過演示手勢控制PPT的過程對本節(jié)課進(jìn)行總結(jié)，要求學(xué)生在課后利用所學(xué)知識或上網(wǎng)查閱資料等方式嘗試實(shí)現(xiàn)自己的想法。

值得說明的是，任何一種教學(xué)方案的效果都需要在提出解決問題的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改和完善。因此，在具體教學(xué)實(shí)踐中，教師應(yīng)采用逐步改進(jìn)的方法，把最初的設(shè)計(jì)付諸實(shí)施，并根據(jù)教學(xué)實(shí)踐效果不斷進(jìn)行完善和優(yōu)化。

5 結(jié)語

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

參考文獻(xiàn)

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