《VR遙感機械手》教學設計

凌偉　黃秦祺

教學內容分析

本課以虛擬現實技術與工業應用的機械手為原型相結合，教授學生應用多學科（信息技術、物理、數學、美術）知識融合完成VR遙感機械手的作品改善。信息技術：在學生掌握桌面級虛擬技術（VR）Leapmotion和Arduino開源硬件編程的基礎上，使用Leapmotion APP Home與mblock軟件建立數據交互，并且編程實現VR遙感機械手的功能。mblock是在Scratch 2.0的基礎上加入了Arduino開源硬件的傳感器模塊，可直接對電子元件進行編程控制。物理：針對機械手容易傾倒、不夠穩定問題，運用所學物理知識（重心）來思考解決方案，并通過實際操作加以解決，體現了理論與實際的相結合。數學：本節課的數學內容主要服務于編程設計，根據Leapmotion X軸數值的改變來轉化為舵機的偏轉角度，實現線轉角，涉及到的知識是反余弦函數。課上將根據幾何畫板的動態演示，講解反余弦函數，從而解決這個應用問題。美術：機器的外觀美化屬于工業設計的范疇，必須要有造型基礎、裝飾色彩基礎以及材料、物理、數學等學科的知識儲備。由于本課的需要，將外觀美化的方法簡約化、通俗化并呈現出來，以此來幫助、啟發學生尋找外觀美化方案。

學生情況分析

1.學生的知識基礎

教學對象為初三上學期的學生，對于數學、物理、信息技術編程都有比較扎實的知識基礎。學生已掌握桌面級虛擬技術（VR）Leapmotion和Arduino開源硬件部分電子元件編程，并且能夠熟練地使用工具進行機械結構的搭建，具備了在教師的引導下和小組成員共同合作完成VR遙感機械手改善提升任務的能力。

2.學生的學習特點與學習習慣

由于我校開展的機器人課程是基于創客理念的，給學生搭建展示的平臺，培養學生的創新探究意識，讓學生通過自己的努力主動參與探究去獲得答案，所以VR遙感機械手的課堂以學生為主體，教師啟發引導學生去完成改善提升VR遙感機械手。

教學準備

機械手、Leap Motion、數據線、零件盒、螺絲扳手、雙孔梁若干、穩壓電源；筆記本電腦。

教學目標

知識與技能目標：激勵學生通過觀察，能夠利用物理重心知識解決VR遙感機械手不穩定的結構問題；向學生介紹數學反余弦函數的知識，并應用反余弦函數將X軸數值轉化為舵機偏轉角度；引導學生利用Leapmotion與機械手相結合編程實現VR遙感機械手的功能；介紹多種美化機器的方法，啟發學生思考VR遙感機械手的美化方案。

過程與方法目標：任務驅動法：教師根據學情設置合理的實踐探究任務，并讓學生以小組合作的方式完成VR遙感機械手的改善與提升，增強同伴間的交流與合作。啟發引導法：教師設置合理的問題情境，引發學生思考關于如何改進VR遙感機械手的問題，發揮想象力得出問題的答案，提升學生的創新思維能力。

情感態度與價值觀目標：激發學生應用虛擬現實技術結合Arduino平臺進行科技創作的興趣；培養學生的邏輯思維能力并增強學生的創新探究意識；培養學生融合應用多學科知識的意識與能力。

教學重點、難點

重點：激勵學生通過觀察，能夠利用物理重心知識解決VR遙感機械手不穩定的結構問題；向學生介紹數學反余弦函數的知識，并應用反余弦函數將X軸數值轉化為舵機偏轉角度；引導學生利用Leapmotion與機械手相結合編程實現VR遙感機械手的功能；介紹多種美化機器的方法，啟發學生思考VR遙感機械手的美化方案。

難點：向學生介紹數學反余弦函數的知識，并應用反余弦函數將X軸數值轉化為舵機偏轉角度；引導學生利用Leapmotion與機械手相結合編程實現VR遙感機械手的功能。

教學過程

1.課程導入

教師引導學生發現VR遙感機械手所存在的待改進問題，總結為三個方面：結構改進、編程實現與作品美化。

設計意圖：利用VR遙感機械手所存在的問題導入課程，向學生明確本課任務，同時激發學生的學習興趣。

2.結構改進（物理）

教師邀請物理黃老師幫助解決機器結構改進的問題。（本環節中以下教師為物理黃老師）

教師從機械手容易傾倒的方向引導學生思考結構改進的方案。

改進方案：電池位置太高——降低重心；電池位置偏后——增大底盤；電池質量太大——改變電池……

教師鼓勵學生積極思考，有不同的方法。

學生根據總結出來的解決方法，以小組為單位動手實踐，改進機械手的結構。（教師巡視并指導）

請2～3組學生展示自己的作品，同時說明自己的解決方法，教師進行點評。

設計意圖：本環節邀請物理老師從重心引入，引導學生討論并確定提升VR遙感機械手的改進方案，提供機會給學生展示成果，培養學生發現問題、解決問題的自主能力。

3.函數應用（數學）

教師帶領學生復習回顧Leapmotion的功能，向學生介紹VR遙感機械手的工作原理，從而引出編程中需要應用到的數學知識（線轉角），邀請數學丁老師介紹反余弦函數。（本環節中以下教師為數學丁老師）

教師建立數學模型，導入反余弦函數，使用幾何畫板幫助學生理解角度轉換的原理（銳角與鈍角）。

教師設置小練習進行知識鞏固。

設計意圖：根據對教學內容與學生實際情況的分析，邀請數學老師從VR遙感機械手的工作原理為突破口，引導與幫助學生應用數學的反三角函數知識。

4.編程實現（信息技術）

教師指導學生如何將反余弦函數應用到編程中去。

教師布置學生完成舵機角度設置的編程任務，并且連接Leapmotion實現VR遙感機械手的功能。

教師巡視各組完成情況，指導并幫助學生完成任務。

小組展示作品，教師進行點評。

設計意圖：以學生為中心，應用任務驅動法引導學生應用反余弦函數到編程，通過小組間的合作探究學習模式，讓學生在合作中相互促進、提升。

5.作品美化（美術）

教師向學生說明可以改善VR遙感機械手的外觀來提升市場競爭力，邀請美術黃老師幫助學生美化作品的外觀。（本環節中以下教師為美術黃老師）

教師引發學生思考如何對VR遙感機械手進行美化。

教師介紹機器美化的方法（輔以圖片說明）：比例協調、調整秩序、材質魅力、精致工藝、色彩呈現、藝術處理。

教師鼓勵學生暢談對VR遙感機械手美化的想法。

教師展示成品，并簡要敘述機器美化的價值與展望。

設計意圖：以VR遙感機械手作為產品的市場競爭力為引入，邀請美術老師幫助學生對作品進行美化。美術老師從形與色兩方面入手介紹機器美化的方法，啟發學生美化作品的靈感。

6.總結提升

教師對本課學習內容進行簡單總結。

教師介紹機械手在生產生活中的應用，并展示機器人餐廳引發學生對未來生活發展趨勢的思考，以此激勵學生不斷努力提升自己，升華課程。

設計意圖：教師通過機器人餐廳的例子引出科技的飛速發展，激勵學生努力學習，提升自己的競爭力。

教學反思

《VR遙感機械手》一課是融物理、技術、數學、藝術等于一體的課程，學生更多是在做中學。教師們參與其中潛心而愉快，并且思維活躍在指尖上，發揮著各自的創造性。上好一節初中STEM課，最難的不是內容的講授，而是如何融合各科知識于一個項目之中。其中，各學科教師的合作與分工顯得尤為重要。本節課由物理、數學、美術和信息技術教師合作共同上了一節課，真正地體現了課程統整。通過一個STEM項目的完成，使得學生既實現了作品的物化，又實現了物理、數學等知識的深度理解與運用。在這堂課上，教師看起來是輕松的，準備好材料似乎就可以，主要是學生們制作、活動，而后有一點交流。其實教師的課前準備是花了大量時間的，有了課外的精心準備，才有課上的游刃有余。學生們是喜歡這樣的課的！

點 評

《VR遙感機械手》是一節優秀的STEM課例。本節課充分地體現了STEM強調的跨學科和工程問題解決等思路。總結起來，該課具有如下特點：第一，該課例著重培養學生的問題解決能力。在《VR遙感機械手》課例中，首先以實際問題為引入，結合實際需求展開，即引導學生發現VR遙感機械手所存在的待改進問題。這是在課程一開始引入的真實問題，它把學生帶入幫助學校解決實際問題的場景中。問題的重申、任務的重新定義、測試與改進的過程中，都給學生提供了相當多的發現問題的機會，通過課程和教師都將促進學生系統地分析和理解問題，作出推理和決策，排除疑難或困難，找到解決問題的方法。這個過程是真正提高學生問題解決能力的有效途徑。第二，該課例體現了跨學科綜合應用?！禫R遙感機械手》課例以工程設計為主線，結合了與之相結合的物理與工程的基本原理，如力、運動、能量、機械等?！禫R遙感機械手》中所結合的學習內容，正是學生在初中物理中需要學習的科學知識和原理。也就是說，實際上通過這個課程我們完全可以打通STEM教育和初中物理教育的關聯。同時，在《VR遙感機械手》中學生參與了設計、搭建、測試、改進的工程過程，通過這些過程，學生真切地感受到物理知識是如何被應用到解決實際問題中的。該課例已經達成了真正提高學生解決工程問題的各項綜合能力和素質，體現了集成式STEM的跨學科集成與融合。