謝 杰 周富峰

(江蘇省張家港市常青藤實(shí)驗(yàn)學(xué)校 江蘇張家港 215600)

Arduino 機(jī)器人作為一門具有較強(qiáng)創(chuàng)造性與實(shí)踐性的課程，其課堂教學(xué)基本都是實(shí)驗(yàn)課，學(xué)生可通過(guò)各種各樣的工具制作、組裝機(jī)器人，或者是調(diào)試、編寫(xiě)機(jī)器人程序，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生不斷觀察、發(fā)現(xiàn)、摸索、創(chuàng)新、結(jié)束語(yǔ)的過(guò)程，促使學(xué)生對(duì)科學(xué)知識(shí)充分興趣。當(dāng)學(xué)生完成燈光閃爍以及馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，其產(chǎn)生的強(qiáng)大自信和成就感就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)的動(dòng)力，而學(xué)生后期學(xué)習(xí)智能機(jī)器人的科學(xué)技術(shù)、各種傳感器、計(jì)算機(jī)的高級(jí)編程等準(zhǔn)確應(yīng)用也極其容易。因此，相對(duì)于坐在書(shū)桌前學(xué)習(xí)的傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式，“做中學(xué)”更能帶給學(xué)生巨大的能量。

一、STEAM理念下的Arduino機(jī)器人

Arduino 機(jī)器人屬于交叉了不同基礎(chǔ)學(xué)科的一門綜合性課程，通常包含物理、數(shù)學(xué)、多媒體、計(jì)算等。由于涉及多門學(xué)科，因此更符合STEAM 的教學(xué)理念及內(nèi)涵?；赟TEAM 理念下的Arduino機(jī)器人具體為：（1）Arduino屬于硬件開(kāi)源的代碼，且是價(jià)格低廉、資源免費(fèi)的設(shè)計(jì)平臺(tái)。學(xué)生能按照自身需要和傳感器，對(duì)各種各樣的電子組件進(jìn)行連接，并以模型搭建進(jìn)行燈光控制、代碼修改、馬達(dá)等相關(guān)裝置形成簡(jiǎn)易的機(jī)器人及相關(guān)的軟件通信，以完成互動(dòng)媒體的設(shè)計(jì)[1]。（2）在學(xué)校及現(xiàn)實(shí)生活無(wú)法對(duì)學(xué)生對(duì)科技的好奇心進(jìn)行滿足時(shí)，Arduino 機(jī)器人則能夠?qū)W(xué)生對(duì)科學(xué)的興趣進(jìn)行培養(yǎng)。對(duì)于操作流暢且精良的機(jī)器人而言，其可以從每處的設(shè)計(jì)、搭建、C 語(yǔ)言編程之間的結(jié)合，通常涉及物理、機(jī)械、數(shù)學(xué)等各個(gè)學(xué)科中的理論技術(shù)。

二、STEAM理念下的arduino機(jī)器人教學(xué)

（一）基于Arduino 平臺(tái)三維教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)目標(biāo)主要是教師根據(jù)教學(xué)活動(dòng)可以在學(xué)生身上產(chǎn)生的效果而做出的預(yù)估，且是對(duì)師生能否達(dá)到預(yù)期的教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)。對(duì)于教學(xué)目標(biāo)而言，其通常具有導(dǎo)教、導(dǎo)學(xué)、導(dǎo)測(cè)評(píng)的作用，因此，教師在具體教學(xué)前，需制定相應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)，其不僅有助于調(diào)整整個(gè)教學(xué)過(guò)程，而且還能對(duì)每節(jié)課及其知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行細(xì)化，STEAM 理念下的arduino 機(jī)器人教學(xué)的目標(biāo)通常從“過(guò)程和方法”、“知識(shí)和技能”、“情感態(tài)度和價(jià)值觀”等實(shí)施設(shè)定[2]，本次研究設(shè)計(jì)機(jī)器人的三維教學(xué)的目標(biāo)模型，如圖1。

圖1 機(jī)器人教學(xué)的三維目標(biāo)模型

（二）基于Arduino 平臺(tái)教學(xué)內(nèi)容

目前，部分機(jī)器人的的教學(xué)過(guò)于注重學(xué)科本身的知識(shí)，導(dǎo)致學(xué)生的視野狹隘，對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)有著不利影響。機(jī)器人只是當(dāng)做學(xué)習(xí)的對(duì)象，與機(jī)器人技術(shù)有關(guān)的知識(shí)形成了機(jī)器人課程的教學(xué)核心，甚至是全部的內(nèi)容，由于教學(xué)內(nèi)容較為單一，就會(huì)影響到學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)及機(jī)器人思維的培養(yǎng)[3]。而機(jī)器人教學(xué)以Arduino 平臺(tái)開(kāi)展，機(jī)器人教學(xué)的主要內(nèi)容可分成兩部分：第一，程序編寫(xiě)。程序的編寫(xiě)通常是以ArduinoIDE圖形化的編程軟件Scratch 開(kāi)展學(xué)習(xí)，這不僅有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)機(jī)器人學(xué)習(xí)的興趣，而且還能使學(xué)生構(gòu)建相應(yīng)的編程思維；第二，硬件搭建。硬件搭建通常是以搭建相對(duì)簡(jiǎn)單的機(jī)器人，以此使學(xué)生學(xué)習(xí)到相對(duì)簡(jiǎn)單化的原理，為其后期的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

（三）課程實(shí)施案例

避障與測(cè)距屬于機(jī)器人的競(jìng)賽項(xiàng)目當(dāng)中較為常見(jiàn)的內(nèi)容，其主要是以有關(guān)的傳感器和微處理器進(jìn)行間接的測(cè)量距離，當(dāng)測(cè)出結(jié)果為“危險(xiǎn)范圍”的時(shí)候，通過(guò)倒退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的方式避讓，其中“Arduino 機(jī)器人超聲波測(cè)距”的案例就是極其常見(jiàn)的方法，主要指對(duì)Arduino 機(jī)器人進(jìn)行組裝，安裝上超聲波模塊且能夠控制。

首先，情境引入。初中的信息技術(shù)老師將事前準(zhǔn)備的機(jī)器人的超聲波測(cè)距的圖像與視頻進(jìn)行展示，并提出問(wèn)題，讓學(xué)生進(jìn)行情景感知。同時(shí)，對(duì)組裝完成的Arduino 機(jī)器人的測(cè)距進(jìn)行演示，并通過(guò)上位機(jī)對(duì)距離值進(jìn)行顯示。

其次，觀察和反思。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行提問(wèn)，以便于學(xué)生反思，例如：“怎樣通過(guò)超聲波測(cè)距？”“怎樣正確的安裝超聲波模塊？”等等。同時(shí)。信息技術(shù)教師需對(duì)Arduino 機(jī)器人的全部安裝流程與有關(guān)事項(xiàng)進(jìn)行介紹，如圖2。

圖2 Arduino 機(jī)器人超聲波的測(cè)距流程示意圖

該階段主要是對(duì)Arduino 物理的連接方式、設(shè)計(jì)原理等進(jìn)行介紹，以便于學(xué)生后期的獲得良好的實(shí)驗(yàn)成果奠定基礎(chǔ)。

再次，引導(dǎo)和操作。從課前的充分準(zhǔn)確就已經(jīng)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)了。該實(shí)驗(yàn)主要是在原有的機(jī)器人模型為基礎(chǔ)，引入相應(yīng)的超聲波模塊，以確保實(shí)驗(yàn)的順利實(shí)施，教師則需對(duì)該模塊實(shí)施相應(yīng)的介紹：充分認(rèn)識(shí)到超聲波測(cè)距的模塊及其應(yīng)用原理；引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)以及電路連接；圖形化的程序編寫(xiě)、調(diào)試、刻錄。

最后，總結(jié)和應(yīng)用。通常前幾個(gè)階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)能夠?qū)﹄娮与娐愤M(jìn)行組裝，對(duì)程序設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)試與下載。同時(shí)，信息技術(shù)的學(xué)習(xí)主要就是為了應(yīng)用，在學(xué)生對(duì)于學(xué)習(xí)的內(nèi)容與方法有了初步的印象后，教師則需為學(xué)生提供相應(yīng)的應(yīng)用情景，這不僅有助于學(xué)生對(duì)自身學(xué)習(xí)知識(shí)的鞏固，而且還能使學(xué)生形成發(fā)散性思維。

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，基于STEAM 理念實(shí)施Arduino 模塊的應(yīng)用課程，其通?？梢允箤W(xué)生進(jìn)行動(dòng)手制作，通過(guò)做中玩、玩中學(xué)對(duì)Arduino 的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行了解，并體驗(yàn)到編程設(shè)計(jì)、硬件搭建及調(diào)試的過(guò)程。這不僅可以使學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)體會(huì)到成功感，而且還能使學(xué)生自己構(gòu)建全部制作過(guò)程，并使學(xué)生在制作中，對(duì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)行體驗(yàn)，從而使學(xué)生的應(yīng)用能力得到有效提升。