基于開源硬件Arduino的小學機器人微型課程內容設計

曾祥潘

培養學生的創新能力是新課程的重要理念，機器人教學是培養學生創新能力的環節之一。目前，機器人教育在我國正處于起步階段，越來越受到各級教育部門和學校的重視，各級各類機器人競賽層出不窮。機器人教育大有推廣普及之勢。然而，現在很多學校的機器人教育卻處于十分尷尬的境地。一方面，機器人課程并未列入常規教學，大多以競賽為導向，以課外小組等方式開展，缺少較為完善的課程體系，普及面十分狹窄。另一方面，機器人硬件設備無統一標準，各品牌機器人設備之間無法兼容，而且價格高昂。此外，機器人廠商出于對技術的保護不公開機器人設備的技術細節，學生只能在廠商提供的若干種功能模塊中進行學習，不利于創新能力的培養。

探尋一種開放的機器人硬件并設計出適應學生學習特點的機器人課程成為機器人教育普及的突破口。

一、開源硬件與Arduino機器人

開源硬件是繼承開源軟件的思想開發的。開源硬件的開發者將硬件所有資料公開，包括原理圖、零件列表等，任何人或組織都可以使用這些資料。Arduino是一種應用廣泛的開源硬件，包括一個單片機開發板和軟件開發系統。使用Arduino可以制作出各種各樣的電子創意作品，制作機器人是其中一個重要應用方向。利用Arduino制作的機器人統稱為Arduino機器人。Arduino機器人具有以下優點：

1.技術資料公開

得益于開源思想，Arduino的技術資料全部公開，任何人都可以獲得Arduino的技術細節。開源對于知識的傳播有很大的幫助作用。

2.軟件系統易于學習

Arduino的開發目的是供非單片機專業人士使用，使用它不需要學習單片機語言。Arduino的軟件系統使用的是初學者也能很容易掌握的編程環境，并且可以選擇圖形化編程界面，小學生也能輕松掌握編程工具的使用方法。

3.參考資源十分豐富

Arduino用戶非常多而且很活躍，在網絡上能夠找到使用Arduino制作的各種機器人的資料，這對于拓展思路、培養創新精神十分有益。

4.硬件價格低廉

制作和銷售Arduino硬件的廠商非常多，相對于非開源的硬件，Arduino的性價比非常高。此外，可以通過自制硬件的方法進一步降低機器人造價，同時還鍛煉了動手能力。

二、Arduino小學機器人微型課程設計理念

1.以微型課程為課程開發方式

依照我國三級課程管理體系，機器人課程可以利用“校本課程”的方式加入學校課程。在校本課程的開發方式中，微型課程的開發方式比較符合機器人課程的特點。微型課程又稱為短期課程或課程單元，它是由一系列半獨立的單元組成的。微型課程的特點是持續時間短，課程單元具有半獨立性，規模容量小，對新知識、新思想等吸納節奏快。機器人技術發展很快，無論是軟件還是硬件更新換代速度很快，需要經常性地對課程內容進行調整和修改，而且機器人課程獨立性較高，對常規信息技術課程的依賴比較少，這些都符合微型課程的特點。另外，微型課程的校本性特征與筆者意圖開設該校本性機器人課程也相符合。

2.以興趣培養為課程設計目的

機器人課程是一門涵蓋機械、傳感器、程序設計等技術的綜合性課程。《中小學機器人課程指導綱要》指出，機器人課程要立足于科學與技術素養的培養，注重拓展學生的知識面，開發學生的創造性潛能；小學階段機器人課程的主要任務是讓學生體驗機器人，培養對機器人的興趣。

3.以發展創新能力為理想追求

基于Arduino開源硬件的小學機器人微型課程選取生動有趣的機器人制作項目，各學習模塊相對獨立，在整體上又統一關聯。學生通過動手制作機器人，在做中玩，在做中學，了解機器人的基本知識，體驗設計的思想，使學生在學習上既能夠及時體驗到成功感，又能夠經歷較為完整的機器人從設計到制作的整個過程，引領學生體驗技術創新的價值，培養學生追求創新的精神，實現教師發展學生創新能力的教育理想追求。

三、Arduino小學機器人微型課程目標設計

課程教學目標主要是在知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀3個緯度上制定。鑒于小學階段主要培養學生對機器人的學習興趣，在目標設定上，知識目標的難度要求較低，主要側重于技能和情感態度目標。

1.知識目標

初步了解機器人和Arduino的起源、現狀與發展方向；了解機器人的結構組成、基本原理和機器人傳感器；了解并掌握Arduino機器人簡單編程和程序調試方法。

2.技能目標

通過使用Arduino制作機器人、編寫Arduino機器人程序，體會機器人的工作過程，初步養成綜合運用知識技能的能力。

3.情感態度目標

養成進一步學習、研究機器人的興趣，提高創新意識和創新精神，逐步形成合作意識和協作精神。

四、Arduino小學機器人微型課程內容設計

課程內容包括基礎知識、傳感器運用、機器人主題設計三部分。這些內容的載體是Arduino機器人的硬件及程序開發平臺。除前兩課外，其余6課均涉及機器人機械組裝、電子零件連接、程序編寫。學生在各模塊的學習中，通過任務驅動或項目導向的學習模式，完成機器人設計、制作、編程、調試的過程。微型課程內容具體安排見表1。

表1 Arduino小學機器人微型課程內容設計

1.基礎知識

學生在學習機器人課程之前，對機器人的了解僅限于電影、電視和書籍中對機器人的描繪。通過這一模塊的學習，學生可以初步了解機器人的來歷和發展，掌握Arduino機器人程序編寫和下載的一般步驟，為后面的學習做準備。

第1課《有趣的機器人》。學生通過觀看視頻和網頁，了解機器人的歷史，親手啟動機器人并觀察機器人的運行情況，消除機器人的神秘感。

第2課《連通機器人大腦》。學習安裝Arduino主控板的驅動程序，初步了解Arduino主控板數字端口的輸出控制，使用圖形化編程工具編寫程序控制第13數字端口LED的亮滅。

第3課《交通燈機器人》。初步認識LED和電阻，學會連接LED到Arduino主控板的數字端口，會使用循環編寫程序控制紅、綠兩個LED的亮與滅，設計制作交通燈機器人的外形并將LED安裝到機器人身上。

2.傳感器與執行器

學生通過對傳感器和執行器的學習，初步了解機器人的工作過程。

第4課《機器人臺燈》。認識按鈕開關，能夠把按鈕開關連接到Arduino主控板的數字接口，會讀取數字端口的狀態并控制LED的開關，會制作機器人臺燈外形并安裝LED。

第5課《升旗機器人》。認識晶體三極管、減速電機，會連接三極管、減速電機到Arduino主控板的數字端口，能夠編寫程序控制減速電機的運轉和停止，會使用滑輪和拉線連接減速電機與旗幟。

第6課《音樂機器人》。認識揚聲器及其連接方式，能夠編寫程序控制揚聲器發出音樂聲。

第7課《防撞機器人》。認識超聲波傳感器及其連接方式，能夠編寫程序讀取超聲波傳感器的數值并控制揚聲器的響聲。

3.機器人主題設計

本模塊是綜合創作活動。通過前面的學習，學生初步掌握了傳感器、執行器的使用以及程序的編寫和下載。本節以機器人賽跑為主題，讓學生設計機器人的機械傳動機構，利用超聲波傳感器探測終點位置，使用Arduino主控板控制機器人的運行。通過競賽的形式讓學生參與一系列的機器人制作任務，激發學生對機器人的學習興趣，開放性的制作任務培養學生的創新精神。

五、結束語

本課程內容設計趣味性較高，實踐證明，符合小學生的年齡特點。對于硬件的需求不高，經費投入低，有利于機器人教育的普及。

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