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        基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的高中STEM 課程設(shè)計(jì)
        ——以“OpenMV 追球小車”為例

        2020-12-03 12:24:04廣東省廣州市番禺區(qū)實(shí)驗(yàn)中學(xué)楊瀚盛
        青年心理 2020年27期
        關(guān)鍵詞:課程教師學(xué)生

        廣東省廣州市番禺區(qū)實(shí)驗(yàn)中學(xué) 楊瀚盛

        2017 年教育部頒布的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017 年版)》提出,基于開源硬件的項(xiàng)目設(shè)計(jì)與開發(fā)有益于激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新的興趣,培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的能力,同時(shí)也是在信息技術(shù)課程中實(shí)現(xiàn)STEM(科學(xué)、技術(shù)、工程、人文藝術(shù)與數(shù)學(xué))教育的理想方法。

        在國家大力推廣基于開源項(xiàng)目STEM 課程的大背景下,2019 年年初我校面向全體高一學(xué)生及部分初一、初二及高二社團(tuán)學(xué)生開展以開源框架OpenMV 為基礎(chǔ)的人工智能計(jì)算機(jī)視覺特色STEM 課程。OpenMV 是一套 開源的、基于Python 的嵌入式計(jì)算機(jī) 視覺框架。OpenMV 在一塊小巧的硬件模塊上,提供豐富的硬件接口及Python 編程接口,使用者可以在不需要計(jì)算機(jī)圖像專業(yè)知識(shí)的情況下用Python 語言調(diào)用OpenMV 提供的計(jì)算機(jī)視覺庫實(shí)現(xiàn)諸如追蹤小球、物品的分揀,甚至解魔方機(jī)器人等功能。

        正如課程標(biāo)準(zhǔn)所描述的,基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的OpenMV 人工智能STEM課程能夠很好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí),加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

        一、設(shè)計(jì)核心問題、確定項(xiàng)目主題

        項(xiàng)目式學(xué)習(xí)并非傳統(tǒng)講授課的簡單轉(zhuǎn)換,而應(yīng)該是經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的教學(xué)方式,教師應(yīng)該以項(xiàng)目為主線,并在主線上穿插若干精心設(shè)計(jì)的核心問題,學(xué)生通過查閱資料、學(xué)習(xí)新知、小組討論、協(xié)同實(shí)踐等手段逐一解決問題,從而最終完成項(xiàng)目任務(wù)。所以說,擬解決的問題是項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的核心,也是衡量一個(gè)STEM 活動(dòng)是否具有開展價(jià)值的重要標(biāo)準(zhǔn)。

        為此,教師預(yù)設(shè)的問題需滿足如下兩個(gè)條件:

        一是問題不應(yīng)只是已有知識(shí)的簡單重復(fù),它應(yīng)有助于學(xué)生能力的發(fā)展。

        二是問題的難度要把握得當(dāng),讓學(xué)生跳起來摘桃子。

        本項(xiàng)目學(xué)習(xí)的主題是利用Open MV 制作一臺(tái)追蹤小球運(yùn)動(dòng)的智能小車,相關(guān)的問題則是需要學(xué)生選擇一款小車平臺(tái)并連接OpenMV,調(diào)用OpenMV 視覺函數(shù)、接口函數(shù)驅(qū)動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)。無論從軟件還是硬件的角度看,項(xiàng)目均需要學(xué)生綜合能力的運(yùn)用,學(xué)生結(jié)合原有Python 語言、OpenMV等軟、硬件知識(shí),在教師引導(dǎo)下通過小組協(xié)作學(xué)習(xí)完成,很好地滿足了以上的條件。

        二、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)施過程

        項(xiàng)目式學(xué)習(xí)主要包括項(xiàng)目情境導(dǎo)入、分析問題設(shè)計(jì)方案、項(xiàng)目實(shí)施、交流小結(jié)等環(huán)節(jié)。教師在項(xiàng)目情境導(dǎo)入環(huán)節(jié)創(chuàng)設(shè)問題情境,提高學(xué)生興趣,幫助學(xué)生理解項(xiàng)目的目的和意義;在分析問題設(shè)計(jì)方案環(huán)節(jié)教師著重引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)對問題進(jìn)行分析,準(zhǔn)確把握問題的核心,確定解決問題的策略、方法,培養(yǎng)學(xué)生問題求解的能力;在項(xiàng)目實(shí)施環(huán)節(jié),教師對關(guān)鍵核心問題提供充足的學(xué)習(xí)資源與幫助,從而指導(dǎo)學(xué)生順利實(shí)施項(xiàng)目過程,培養(yǎng)學(xué)生協(xié)作能力、創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力;教師在交流小結(jié)環(huán)節(jié)組織學(xué)生以小組為單位進(jìn)行項(xiàng)目匯報(bào)與經(jīng)驗(yàn)交流,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行評價(jià)、反思、改進(jìn)、升華,培養(yǎng)學(xué)生表達(dá)能力、學(xué)會(huì)取長補(bǔ)短。

        (一)項(xiàng)目情境導(dǎo)入

        創(chuàng)設(shè)一個(gè)合適的情境導(dǎo)入項(xiàng)目活動(dòng),不僅能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,還能幫助學(xué)生更好地理解項(xiàng)目活動(dòng)的目的和意義,讓學(xué)生更快地找準(zhǔn)項(xiàng)目的核心問題,為后面項(xiàng)目開展作鋪墊。

        本課在實(shí)際教學(xué)中我們以觀看電影《跟蹤》片段作為引入,警方在跟蹤犯罪嫌疑人過程中被發(fā)現(xiàn)并且不幸犧牲。此時(shí),教師引導(dǎo)學(xué)生思考、探討,如果要設(shè)計(jì)一款自動(dòng)跟蹤裝置應(yīng)具備什么功能?學(xué)生很快能夠凝聚出共識(shí),諸如應(yīng)該有自由移行能力;安裝GPS 定位裝置;能根據(jù)相貌、衣著、身形等特征識(shí)別嫌疑人等。然后,教師揭開課程項(xiàng)目面紗:設(shè)計(jì)、制作“OpenMV 追球小車”,把情境導(dǎo)入環(huán)節(jié)推向高潮,學(xué)生帶著強(qiáng)烈的好奇心進(jìn)入下一環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)中。

        (二)分析問題找出解決方案

        準(zhǔn)確把握問題的核心,從而設(shè)計(jì)出合理的解決方案是項(xiàng)目得以順利開展的關(guān)鍵,但是,由于STEM 課程的多學(xué)科特性,STEM 項(xiàng)目往往涉及的知識(shí)面較廣,在課程實(shí)施過程中對學(xué)生掌握知識(shí)的廣度、深度提出了較高的要求。如此,在提出問題后如果任由學(xué)生天馬行空自由發(fā)揮,容易使學(xué)生思維過度發(fā)散,不利于教師把控項(xiàng)目進(jìn)度。因此,學(xué)生在明確項(xiàng)目目標(biāo)任務(wù)后,教師應(yīng)該合理引導(dǎo)和幫助學(xué)生分析問題,尋求合適的解決方案。

        具體到“OpenMV 追球小車”項(xiàng)目,教師可以引導(dǎo)學(xué)生探討如何合理使用OpenMV 的軟、硬件功能,構(gòu)想實(shí)現(xiàn)這輛追球小車的多種可能性,并在此基礎(chǔ)上分析確定硬件、軟件方案。

        一般先從較直觀的硬件方面入手,雖然學(xué)生已經(jīng)對OpenMV 開發(fā)板有較深入的了解,但是要制作一臺(tái)能夠移動(dòng)的小車,需要在OpenMV 基礎(chǔ)上添加更多的硬件設(shè)備。教師可以提供一些如巡線機(jī)器人、機(jī)器人足球比賽等相關(guān)視頻素材,學(xué)生在觀看相關(guān)視頻過程中對小車平臺(tái)形成一個(gè)初步印象,學(xué)生一般都能把現(xiàn)實(shí)世界中對汽車的認(rèn)知遷移到這里。進(jìn)而鼓勵(lì)學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)查閱相關(guān)資料,更深入了解小車平臺(tái)的構(gòu)造、工作原理等必備知識(shí)。因此,教師必須參與到學(xué)生的小組互動(dòng)中,誘導(dǎo)學(xué)生提出生成性問題,調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性,給出合理建議,引導(dǎo)學(xué)生形成一個(gè)高效、合理、低成本的解決方案。最后,教師可以給出OpenMV 官方標(biāo)配的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板+小車平臺(tái)這一現(xiàn)成方案,學(xué)生在對比自選方案與官方方案的優(yōu)、缺點(diǎn)后,進(jìn)一步優(yōu)化、改進(jìn)自己的項(xiàng)目硬件解決方案。

        軟件相比硬件更加抽象,如果前期沒有相關(guān)知識(shí)鋪墊,學(xué)生很難形成方案。我們首先從問題分析入手,教師引導(dǎo)學(xué)生回顧情境導(dǎo)入中設(shè)想的自動(dòng)裝置是根據(jù)什么識(shí)別出嫌疑人的?相貌、衣著、身形,識(shí)別的關(guān)鍵就是被識(shí)別物體的特征。學(xué)生第一反應(yīng)大多是把小球的形狀——圓形作為特征,這個(gè)特征非常明顯,如果我們使用一個(gè)純色小球,那么顏色也是小球的特征。這樣,學(xué)生就能夠把現(xiàn)有知識(shí)快速遷移到這個(gè)項(xiàng)目中,利用find_circle查找圓形函數(shù)或者find_blobs 查找色塊函數(shù)。

        設(shè)計(jì)項(xiàng)目解決方案是建立在學(xué)生對項(xiàng)目問題透徹分析的基礎(chǔ)上的,只有設(shè)計(jì)出合理的方案項(xiàng)目才能順利實(shí)施。此外,學(xué)生在分析問題、設(shè)計(jì)方案過程中通過教師引導(dǎo)、查閱資料獲得新知并且結(jié)合其現(xiàn)有的知識(shí)進(jìn)行知識(shí)重構(gòu),培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力。

        (三)協(xié)作學(xué)習(xí)實(shí)施項(xiàng)目

        學(xué)生以小組為單位按照設(shè)計(jì)方案開展項(xiàng)目活動(dòng),實(shí)質(zhì)就是學(xué)生在已有知識(shí)的基礎(chǔ)上不斷探索解決問題的過程。但是,受學(xué)生的預(yù)見性與能力等因素所限,在解決問題的過程中會(huì)衍生出更多新問題,教師應(yīng)做好充分準(zhǔn)備,預(yù)估在項(xiàng)目實(shí)施過程中學(xué)生的突出問題和主要困難并為此提供充足的學(xué)習(xí)資源,引導(dǎo)學(xué)生按步驟逐一破解難題,幫助學(xué)生順利完成項(xiàng)目。教師應(yīng)遵循放手不撒手、指引不代替的原則,既要給學(xué)生以適當(dāng)?shù)膸椭?,又不能過度參與,把主動(dòng)權(quán)還給學(xué)生。在這過程中,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力與合作學(xué)習(xí)能力。

        以“OpenMV 追球小車”為例,為解決小車組裝可能出現(xiàn)的問題,教師可為學(xué)生準(zhǔn)備組裝圖紙并列出主要步驟;OpenMV 與小車驅(qū)動(dòng)板的連接也是一個(gè)難點(diǎn),為此,我們準(zhǔn)備了一個(gè)5 分鐘的微課,對主要接口的作用、如何連線、注意事項(xiàng)等進(jìn)行必要的講解;軟件方面,輪子轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速需要使用Timer 類的PWM 功能,這方面知識(shí)學(xué)生初次接觸。因此,可以給予0.5 課時(shí)的講授;至于小球定位的圓形查找函數(shù)和色塊查找函數(shù),學(xué)生在以前課程中已能熟練使用,定位小球的大小和坐標(biāo)后,驅(qū)動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)了,當(dāng)然這里還涉及一些簡單的數(shù)學(xué)公式,教師可以提前準(zhǔn)備,并加以點(diǎn)撥即可。

        在項(xiàng)目實(shí)施過程中學(xué)生也會(huì)有一些生成性問題是教師沒有預(yù)料到的,比如有的小組就提出為什么小車運(yùn)行不夠平順,總是左右搖擺?為此,我們還專門介紹了PID 算法,但是像這類較復(fù)雜問題,以學(xué)生現(xiàn)有知識(shí)還沒法掌握,教師點(diǎn)到即止便可,也可把代碼封裝成類,直接提供給學(xué)生使 用。

        (四)匯報(bào)交流與小結(jié)

        項(xiàng)目完成后,教師應(yīng)為學(xué)生提供平臺(tái),讓學(xué)生充分展示項(xiàng)目成果,展示的方法可以采用成果介紹、經(jīng)驗(yàn)分享等多種形式。本項(xiàng)目我們還別開生面地組織了一場追小球競賽,兩輛小車同時(shí)追球,哪臺(tái)小車先跟丟小球就出局,最終決出了冠亞季軍。

        最后,通過自我反思、小組互評和教師點(diǎn)評等方式進(jìn)行小結(jié),歸納遇到的問題,提出改進(jìn)的意見。在小結(jié)過程中,學(xué)生紛紛提出諸如自己的小車攝像頭太矮被前車遮擋而跟丟小球;小車底盤太輕在碰撞過程中容易吃虧等問題。

        三、結(jié)語

        以項(xiàng)目的形式把STEM 課程中零碎的知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來,在開展項(xiàng)目學(xué)習(xí)的過程中,教師引導(dǎo)學(xué)生“在做中學(xué)”,充分體現(xiàn)學(xué)生的主體地位。在高中STEM 課程中運(yùn)用項(xiàng)目式學(xué)習(xí),能夠充分培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、問題求解能力、實(shí)踐能力、協(xié)作學(xué)習(xí)能力,項(xiàng)目式學(xué)習(xí)必將讓我校高中STEM 課程結(jié)出累累碩果。

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