基于STEAM理念的 Arduino機器人項目的設計與實踐

陳菁菁

摘要：本文以STEAM理念為導向，以Arduino硬件為載體，以圖形化編程工具為編程手段，引入傳感器、馬達以及生活中的廢舊材料等硬件，設計了基于STEAM理念的Arduino機器人項目，并結合具體實例介紹了項目運作的策略，總結了實踐成效，同時提出，創造具有一定智能性特征的機器人或實體模型的過程能夠拓展學生的跨學科思維，提升學生的合作能力，鍛煉學生的動手能力，提高學生的計算思維，豐富學生的表現能力。

關鍵詞：STEAM;Arduino機器人;項目設計

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2022）06-0000-03

考慮到學生的年齡特點，以及筆者所在學校的信息技術校本課程的實施情況，筆者選擇五年級學生開展全員機器人普及教育，根據STEAM理念在實施階段遵循以下原則：項目主題要來源于學生，貼近生活;項目實施要合作探究，綜合運用;項目成果要可行實用，力求創新;項目評價要注重過程，多元立體。依據上述原則，在設定項目的時候考慮到科學素養、信息素養、數學素養、藝術素養等多方面的滲透和應用，充分挖掘機器人與其他領域的關聯性，確定了“簡易趣味類—基礎操作類—提升應用類—個性創意類”的教學基本序列，如表1所示。

STEAM不是五個學科的簡單相加，其本質是跨學科整合，旨在培養學生的實踐能力和創新精神，它是基于項目學習，運用科學探究的方法以及信息技術手段，采用跨學科的團隊式合作，最終解決實際問題。表1中安排了兩個課時的項目按照下頁圖1所示的教學策略實施，屬于第一課時為1的項目因其設備局限難以再創意運用，所以只落實“理解”環節，但是其內容可以與其他多設備綜合使用，因此可以放到最后的“個性創意類”項目進行發揮。本文中的項目均2人一組合作完成。

上述實施策略是筆者在教學實踐中逐步歸納整理的，在實際教學中還應根據不同的內容靈活運用，力求達到最佳效果。

● 學習設備：根據項目識設備，了解原理知用法

針對每個案例，筆者都會錄制好模型視頻用于導入環節，學生通過上網搜索、閱讀學習助手、觀看微課等多種方式了解設備原理及使用方法，為后續的搭建和編程做好鋪墊。

案例：“距控風扇”項目是學生第一次認識超聲波傳感器，對學生其原理和用法并不清楚，因此播放微課介紹超聲波傳感器的原理——蝙蝠的回聲定位以及具體的使用方法。隨后設置兩道填空題用于測量學生觀看微課后的學習效果（如表2）。

除了微課，學生還可以利用信息搜索來獲取新知，如在“調光護視力”項目中，讓學生先自行搜索波長及光反射知識，然后確定用哪一種燈作為制作保護視力的主要設備，這也是提升學生STEAM素養的表現。

● 關系換算：測試傳感定條件，繪制流程理算法

筆者要求學生在認識傳感器后測試并觀察其不同狀態下返回的值，并通過統計分析確定出程序的判斷條件，或者傳感器的值與其他Arduino設備之間的換算關系，最后利用繪制流程圖的方式理清程序算法。

案例：在“距控風扇”項目中，首先要了解超聲波傳感器檢測不同距離的值，然后確定臨界值，繪制流程圖用于判斷風扇何時工作（如表3、圖2）。結論為障礙物“人”離超聲波傳感器越遠，其檢測到的距離值越（? ?）。（填寫大或小）

除了讓學生經歷實驗并觀察傳感器的工作過程，方法的掌握也很重要，傳感器的使用通常要經過“新建變量—測試統計—確定臨界值—繪制流程圖”或者“新建變量—測試統計—確定換算關系”這兩種過程，后續在學生研究其他工程時，也可以運用上述方法為學生的自我探究能力助力。

● 繪制草圖：繪制草圖顯創意，羅列分工助實施

在模仿案例思考其如何運用到生活中時，為了讓每一小組都能收獲成功，學生可以選擇教師提供的項目，也可以自行創意設計。為了明確下一節課所需的材料、結構和具體的功能，小組利用iPad“全景課堂”APP中的“畫板”功能繪制模型，在圖中批注出材料以及每個結構所展示的功能，并使用“筆記”功能記錄兩人的分工，這樣能使后期實施更有效率。

案例：上課伊始，學生對2人如何高效分工合作比較茫然，因此教師在iPad中發布每節課的分工任務，即小組成員、兩人的分工、所需的材料、作品的功能等，方便學生建立起規劃意識，此外學生的筆記也分享至班級，方便學生之間相互學習。

● 制作模型：自由搭建展個性，連接端口組模型

根據草圖，小組攜帶找到的廢舊材料、美術工具等，利用Arduino機器人的設備按照項目需要進行搭建，將創意想法變成現實。

案例：學生利用身邊的廢舊材料、彩紙、剪刀、膠布等工具進行結構搭建，并且將Arduino設備與模型結構相連，如風扇帽子、倒走健身障礙提示器、玩具小車、多功能儲物盒、菊花燈、床頭燈、密碼防盜盒、南瓜燈、智能的帳篷等。

DIY制作工程模型，一方面能張揚學生個性，另一方面也體現了STEAM跨學科融合的學習理念，提高學生的動手實踐能力和創新設計能力。

● 調試程序：線上線下齊并進，調試修改優項目

程序設計是實現Arduino機器人智能化的關鍵環節，項目需要運用傳感器相關的程序指令，如聲音、光敏、按鈕、溫度、超聲波、霍爾傳感器等。筆者制作了傳感器的系列微課程，介紹了每種傳感器在可視化編程中的指令及操作方法，并上傳至教學平臺，便于小組根據項目功能需求挑選對應的微課。此外，小組還可在家學習微課并制作模型，再帶回學校用可視化編程實現流程圖中表達的思路，并結合機器人模型反復調試。

案例：在“距控風扇”項目中，學生結合之前繪制的流程圖，用腳本指令實現其智能化的功能，部分遇到困難的學生可以自學《超聲波傳感器》微課，從而掌握編寫程序實現信號傳輸的一般方法。

這個過程不僅要實現程序與機器人模型的虛實結合，更重要的是培養學生的計算思維，提高編程能力。

● 交流分享：平板記錄互提升，發布展示廣宣傳

課內，小組間通過iPad拍照、錄像并且做圖片的注解，然后分享到班級，學生在平板上瀏覽其他小組的成果，并且點贊或留言評價，教師通過五星評價模式給每個作品打分，最后挑選代表性作品設置成精品并向全班演示，其他小組可以互動提問，在探討的過程中進行思維碰撞、相互學習。

課后，筆者將學生的作品發布到“LC創客工作室”微信公眾號。興趣濃厚的學生也會與家長們一起體驗制作個性化機器人的項目，并且通過“易企秀”制作圖文并茂的短文進行網絡宣傳。筆者也將其產生的二維碼貼在創客工作室內供來賓參觀學習。另外，其精品作品還借助學校“智慧校園特色和科技節”活動進行現場展示，多平臺、多層次地給予學生交流分享的機會。從技術、主題、創意、合作等多維度給予評價，體現出創意、藝術、功能性等多樣的評價角度。

● 反思與展望

通過綜合解決項目的過程，學生表示科學會變得很有用，數學也可以是工具，STEAM的滲透式教學不是生硬地為整合而整合，而是講方法、有目的、和諧地整合，不僅包括課堂內的點滴整合，還包括課堂外的項目或者研究性學習的帶著靈活性、以創新為目的整合。

總之，基于STEAM理念的Arduino機器人教學項目，不僅可以激發學生學習機器人的興趣，提高學生的創造力，還可以激發學生對其他學科的興趣，希望開展STEAM理念下的機器人項目教學能成為機器人教學的一種借鑒。