STEAM理念下初中信息技術(shù)arduino機器人教學

謝 杰 周富峰

(江蘇省張家港市常青藤實驗學校 江蘇張家港 215600)

Arduino 機器人作為一門具有較強創(chuàng)造性與實踐性的課程，其課堂教學基本都是實驗課，學生可通過各種各樣的工具制作、組裝機器人，或者是調(diào)試、編寫機器人程序，通過引導學生不斷觀察、發(fā)現(xiàn)、摸索、創(chuàng)新、結(jié)束語的過程，促使學生對科學知識充分興趣。當學生完成燈光閃爍以及馬達旋轉(zhuǎn)的時候，其產(chǎn)生的強大自信和成就感就會轉(zhuǎn)變?yōu)閷W生實現(xiàn)自主學習的動力，而學生后期學習智能機器人的科學技術(shù)、各種傳感器、計算機的高級編程等準確應(yīng)用也極其容易。因此，相對于坐在書桌前學習的傳統(tǒng)學習方式，“做中學”更能帶給學生巨大的能量。

一、STEAM理念下的Arduino機器人

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

二、STEAM理念下的arduino機器人教學

（一）基于Arduino 平臺三維教學目標

教學目標主要是教師根據(jù)教學活動可以在學生身上產(chǎn)生的效果而做出的預(yù)估，且是對師生能否達到預(yù)期的教學標準的評價。對于教學目標而言，其通常具有導教、導學、導測評的作用，因此，教師在具體教學前，需制定相應(yīng)的教學目標，其不僅有助于調(diào)整整個教學過程，而且還能對每節(jié)課及其知識點進行細化，STEAM 理念下的arduino 機器人教學的目標通常從“過程和方法”、“知識和技能”、“情感態(tài)度和價值觀”等實施設(shè)定[2]，本次研究設(shè)計機器人的三維教學的目標模型，如圖1。

圖1 機器人教學的三維目標模型

（二）基于Arduino 平臺教學內(nèi)容

目前，部分機器人的的教學過于注重學科本身的知識，導致學生的視野狹隘，對學生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)有著不利影響。機器人只是當做學習的對象，與機器人技術(shù)有關(guān)的知識形成了機器人課程的教學核心，甚至是全部的內(nèi)容，由于教學內(nèi)容較為單一，就會影響到學生的學科素養(yǎng)及機器人思維的培養(yǎng)[3]。而機器人教學以Arduino 平臺開展，機器人教學的主要內(nèi)容可分成兩部分：第一，程序編寫。程序的編寫通常是以ArduinoIDE圖形化的編程軟件Scratch 開展學習，這不僅有助于調(diào)動學生對機器人學習的興趣，而且還能使學生構(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簡單的機器人，以此使學生學習到相對簡單化的原理，為其后期的學習奠定基礎(chǔ)。

（三）課程實施案例

避障與測距屬于機器人的競賽項目當中較為常見的內(nèi)容，其主要是以有關(guān)的傳感器和微處理器進行間接的測量距離，當測出結(jié)果為“危險范圍”的時候，通過倒退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的方式避讓，其中“Arduino 機器人超聲波測距”的案例就是極其常見的方法，主要指對Arduino 機器人進行組裝，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)老師將事前準備的機器人的超聲波測距的圖像與視頻進行展示，并提出問題，讓學生進行情景感知。同時，對組裝完成的Arduino 機器人的測距進行演示，并通過上位機對距離值進行顯示。

其次，觀察和反思。經(jīng)過實驗現(xiàn)象進行提問，以便于學生反思，例如：“怎樣通過超聲波測距？”“怎樣正確的安裝超聲波模塊？”等等。同時。信息技術(shù)教師需對Arduino 機器人的全部安裝流程與有關(guān)事項進行介紹，如圖2。

圖2 Arduino 機器人超聲波的測距流程示意圖

該階段主要是對Arduino 物理的連接方式、設(shè)計原理等進行介紹，以便于學生后期的獲得良好的實驗成果奠定基礎(chǔ)。

再次，引導和操作。從課前的充分準確就已經(jīng)開始實驗了。該實驗主要是在原有的機器人模型為基礎(chǔ)，引入相應(yīng)的超聲波模塊，以確保實驗的順利實施，教師則需對該模塊實施相應(yīng)的介紹：充分認識到超聲波測距的模塊及其應(yīng)用原理；引導學生學習以及電路連接；圖形化的程序編寫、調(diào)試、刻錄。

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

三、結(jié)束語

綜上所述，基于STEAM 理念實施Arduino 模塊的應(yīng)用課程，其通?？梢允箤W生進行動手制作，通過做中玩、玩中學對Arduino 的相關(guān)知識進行了解，并體驗到編程設(shè)計、硬件搭建及調(diào)試的過程。這不僅可以使學生通過學習體會到成功感，而且還能使學生自己構(gòu)建全部制作過程，并使學生在制作中，對科學技術(shù)進行體驗，從而使學生的應(yīng)用能力得到有效提升。