機器人移動編程教學的策略與實施

周旺純

近年來，計算思維已成為信息時代學生必備的素質與能力。機器人教學提供了融合多學科的教學活動和富有挑戰性的學習任務，學生在學習中需要進行規劃、搭建、編程、運行、調試，充分發展了學生的設計思維、規劃能力和計算思維。

常規機器人教學一般是在電腦上利用編程軟件編寫好程序，然后將生成的代碼通過USB接口或串口發送至機器人，然后進行調試、運行。而機器人移動編程則是移動終端通過紅外或藍牙與機器人連接，直接指揮機器人運行。相對于常規教育機器人，機器人移動編程具有終端豐富、易于連接、便于操控、適合分組教學等特點。

基于計算思維培養的移動機器人教學策略

基于計算思維培養的移動機器人教學策略除了確定有利于計算思維培養的教學目標、選擇直觀易學的可視化編程工具外，還包括以下兩點：

1.搭建貼近學生最近發展區的學習支架

為避免學生在學習過程中漫無目的地“試誤”，在教學過程中，教師或有學習力的同伴可搭建支架，如教師提供的問題解決案例、思維導圖、成就故事，同伴提供的交流協作、過程評價等。

2.組建有利于發揮學生主動性的互助團隊

在教學實踐中，教師在考慮學生的興趣愛好、學習能力和性格的基礎上，將學生兩兩配對。然后，為成員分配角色，讓他們之間互相幫助。教師設計的學習任務也應有一定的復雜性，以此保證小組成員有相互合作的需求和欲望。教師在進行評價時，除了評價提交的作業外，還應注重學生在合作中的態度和方法。

機器人移動編程教學案例

《聲控機器人》一課是學生接觸開源機器人的第5課，在此基礎上將聲音傳感器引入課堂，通過聲音傳感器接受聲音的閾值來控制程序，屬于實踐性的內容。因此，在本課的教學中，教師要給學生留有足夠的操作時間，讓學生在實踐中掌握聲控傳感器的應用。筆者選用的機器人為可編程的DIY機器人套件mBot，軟件使用的是機器人圖形化編程學習應用M部落安卓版，通過藍牙與機器人相連。

1.教學目標

雙基層：了解機器人的結構功能，理解聲音傳感器的工作原理以及腳本語言的運用方法。熟悉數據變量的使用，能夠根據條件做出決策。

問題解決層：能夠通過完整的程序和機器人成品反推聲音傳感器，并能用圖形化的腳本語言編寫運行程序;學會再利用和再創作，在調試中發現和修正錯誤。

學科思維層：實現對機器人的開放和控制，提升計算思維和合作思維。

2.教學思路

本節課采用的是結構創新型教學模式，側重以“分解-結構再造”的方式促進學生實現知識應用和創新實踐。教學中，教師關注學生小組內的分工合作，將小組人員分為規劃員（一般由組長擔任）、軟件操作員（1～2人，由組長決定測試順序）、硬件操作員，任務完成后進行輪換。

3.教學過程

（1）分解觀察，認識聲音傳感器

①生活中的噪聲監測儀。

教師利用課件出示噪聲監測儀，并討論：在繁華的鬧市口，經常會發現這種裝置，大家知道這是什么嗎？它有什么作用？

學生回答問題。

教師總結：噪音會影響人的睡眠質量，強烈的噪聲使人無法入睡、心煩意亂或使人多夢、驚醒，老年人和病人對噪聲的干擾更為敏感，所以要減少噪音。

②我們的噪聲監測儀。

教師出示開源機器人搭建的噪聲測試儀，測試并討論機器人數碼管上顯示的數字與聲音大小之間的關系。

教師提問：除了這個用來顯示數值的數碼管，猜猜機器人身上還應該有一個具有什么樣功能的傳感器？

學生猜想：聲音傳感器獲取的是什么信息？輸入的又是什么信息？

教師總結：聲音傳感器獲取的是聲音的信息，輸入的是聲音大小的信息。

③認識聲音傳感器。

學生觀察聲音傳感器，討論聲音傳感器與其他傳感器相比有什么特別之處，并觀看傳感器介紹視頻。

④測試傳感器。

教師出示噪聲測試儀的腳本。

師生討論：腳本中哪一個控件是用來獲取聲音信息的？為什么在我們保持安靜的情況下，聲音傳感器的數值不是0？將聲音大小的數據（也就是音量）儲存到變量里有什么用處？根據獲取到的聲音數值，機器人一共完成了哪幾個動作？

教師總結：搭建聲控裝置，首先應該有聲控傳感器，其次要有相應的腳本讀取聲控傳感器的值，最后根據讀取到的數據讓機器人執行相應的動作。

設計意圖：用生活案例讓學生感受聲音傳感器應用的實際效果，推此及彼，初步感知傳感器和耳朵一樣，它從外界接收到聲音信號，并控制相應的動作，以此來激發學生的學習興趣和熱情。

（2）結構再造，搭建聲控過道燈

①安裝聲音傳感器。

實踐操作：將傳感器安裝到機器人身上合適的地方。注意傳感器端口上的顏色為黑色，說明只能將傳感器利用RJ11線連接到機器人的3號端口或4號端口上。由于3號端口已經連接了超聲波模塊，可以連接到4號端口。

②編寫聲控腳本。

引導學生討論：在生活中哪些地方見到過聲控設備呢？我們是如何控制燈亮的？聲控燈又是怎么關燈的？

教師根據學生的描述，制作出聲控燈的流程圖。

學生小組合作，編寫聲控燈程序（提醒規劃員、軟件操作員、硬件操作員間要分工合作）。

③學生測試。

設計意圖：用抽象的概念表達機器人身上的變化，用機器人的移動編程語言來實現這些變化，從實物到概念，從抽象到具體，在動手實踐中思考，在思考中學習新知識，通過一個個支架的搭建與撤除幫助學生把自己的想法通過動手操作呈現出來。

（3）產品創新，規劃聲控機器人

學生小組討論，并完成任務單，規劃聲控機器人，如聲控前進機器人、聲控拐彎機器人、聲控競速機器人、聲控燈光報警機器人、聲控發聲機器人等。

規劃匯報，演示機器人。

綜合練習，組建聲控救援車

教師出示任務三：搭建一輛緊急救援車，只要聽到動靜，就亮救護燈、鳴警笛，然后出動。

學生搭建并演示。

設計意圖：從噪聲監控機器人成品到腳本，再從腳本到聲控救援機器人，最后到腳本再創。配對學習，不僅能增強學生的創新思維和實踐動手的意識，而且能激發學生的發散思維和遷移應用能力。

參考文獻：

楊玉芹，龍彥文，孫鈺峰.小學生計算思維培養的過程和策略研究——基于對武漢市從事機器人教育的26位教師的深度訪談[J].電化教育研究，2019，40（12）：115-121.