小學高年級開源機器人課程教學設計與實踐
——以《智能升降病床》一課為例

黃震 江蘇省南京市秦淮區教師發展中心

2022年4月頒布的《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”），首次將信息科技從綜合實踐活動課程中獨立出來。信息科技課程的命名體現了“科”與“技”并重，課程名稱的改變體現了教育思維的重大變革，在教學方式上以真實問題或項目驅動，引導學生認識原理,學會利用算法思維思考，最終能夠運用數字化工具解決問題。在教學中注重鼓勵學生“做中學”“用中學”“創中學”，在課程教學設計中要注重科學原理的介紹，但也不能忽視技能的學習。因此，筆者基于新課標的課程理念開展了小學高年級開源機器人課程教學設計與實踐。

● 小學高年級開源機器人課程教學理念

1.注重創設真實情境

新課標課程理念第4條倡導真實性學習提到“創新教學方式”，以真實問題或項目驅動，引導學生經歷原理運用過程、計算思維過程和數字化工具應用過程，建構知識，提升問題解決能力。在開源機器人課程中，所有的問題情境都來源于學生的生活實際，用學生的親身經歷引發思考，并能將生活中的問題解決方法遷移到設計開源機器人解決問題的過程中。

2.在機器人完成任務的過程中“做中學”“用中學”“創中學”

新課標課程理念第4條倡導真實性學習中提到“鼓勵‘做中學’‘用中學’‘創中學’”。在機器人課程中，編程需要在現實世界實現，在硬件設備的使用和連接中，需要了解硬件設備的屬性，如電壓、接口、引腳、如何讀取設備的數值、確定設備的闕值等。在使用傳感器、舵機等配件來進行任務設計時，需要考慮是否有足夠的接口連接傳感器？可以利用哪種設備解決當下的問題？電壓是否能夠滿足？引腳連接正確了嗎？積木命令使用正確了嗎？……學生在嘗試、使用、實驗、調整、調試的過程中必須經歷失敗的體驗、調試的艱辛和成功的喜悅。

3.通過生活中實例了解算法

新課標課程目標中計算思維學段目標第三學段（5～6年級）提到“通過生活中的實例，了解算法的特征和效率。能用自然語言、流程圖等方式描述算法”“使用順序、分支、循環三種基本控制結構簡單描述實施過程，通過編程驗證該過程”。機器人課程中通過解決生活中的實際問題，幫助學生理解程序設計中的變量、程序結構等概念，學會創建和運用變量實現控制，體會使用自然語言描述問題的解決過程，使用流程圖抽象、建模編程的過程，最后使用積木命令完成編程設計解決問題的各種樣式的算法表達方式，形成解決方案，進而理解并掌握利用算法解決問題的策略和方法。

4.“科”與“技”并重

新課標課程理念第3條遴選科學原理和實踐應用并重的課程內容提到“從信息科技實踐應用出發，注重幫助學生理解基本概念和基本原理”“體現科與技并重”。信息技術注重技能操作，是工具的學習和掌握，對于如何運用計算機科學領域的思想方法，通過科學原理的了解和學習創新性地解決問題，培養學生的創造能力，技術的學習是遠遠達不到的。課程對學生信息素養的培養重點必須由掌握學科知識和工具應用轉變為了解科學原理，掌握思維方法，但也不能是脫離知識和技能的空談。機器人課程通過一個個具體的機器人實例任務，讓學生在知識、技能的實踐中體會工具的使用、傳感器的應用，從而深入理解相關電子元器件的科學原理。

● 《智能升降病床》教學設計與實踐

1.在導入環節創設真實問題情境，培養學生的信息意識

在課堂導入環節，出示兩位學生的對話。小藝：“班長，上周末我們到社區敬老院活動，爺爺奶奶們可開心了。”班長：“現在生活條件好了，爺爺奶奶們吃穿不愁，就想提高生活質量。”小藝:“班長，唐奶奶最近臥床，總是躺著很不舒服，唐奶奶想，病床要能夠自動升降就好了。”班長：“是啊，如果一直躺著不能活動，想想都難受，我們設計一款智能升降病床吧！”通過對話將學生帶入到真實的生活情境中，為了設計出符合病人要求的智能升降病床，學生通過換位思考提出問題：傳統的病床是什么樣式的？具備哪些功能？如果只能躺在床上不能動彈，會有哪些需要？可以用什么傳感器控制病床的升降？可以用什么方式控制病床升降的角度？……經過調研、思考、討論，學生發現傳統的醫療升降病床具備輔助坐臥、升降等功能，大多借助于按鈕或者遙控進行控制和調節，這種方式需要精準操控，不夠智能，無法幫助到無法動彈、不便于用手操作的病人。在學生充分思考和探究后，請他們完成設計“智能升降病床”模型需要的功能，將功能名稱、功能描述填寫在表格中。下表是學生填寫的智能升降病床功能設計表格。

在真實的問題情境中，學生能夠迅速開展場景分析，結合自己的生活經驗和自身體驗的感悟，發現問題，提出問題，思考解決問題的方法。根據實際需求開發的功能讓學生實現了“做中學”“用中學”“創中學”，學生的信息意識在項目的創新開發中得到了很好的培養。

2.繪制流程圖初步解決問題，培養學生的計算思維

在新授環節，首先讓學生描述了智能升降病床的實現目標，然后通過具體任務分解問題解決過程，最后讓學生繪制程序流程圖，借助統一的標準符號描述程序運行的具體步驟，幫助學生理清解決問題的思路，輔助程序的編寫。

（1）任務發布。任務描述：制作智能升降病床，實現用主板傾斜方向來控制舵機旋轉的角度，從而實現病床升降。

（2）具體任務。可以分為兩個部分：①當開機時，初始化。②向左傾斜，舵機旋轉到120度；向右傾斜，舵機旋轉到150度；屏幕朝上，舵機旋轉到180度；屏幕朝下，舵機旋轉到90度。

序號 功能名稱 功能描述1 自動識別姿勢 能夠識別到病人姿勢的改變，控制病床的升降2 病床的升降 病床可以調節0度、30度、60度、90度四檔角度

（3）流程圖。流程圖如圖1所示。

圖1

3.通過團隊合作編程實現機器人操作，培養學生合作與探究的能力

根據程序流程圖，學生通過團隊合作，進行程序的編寫和電路的連接。在《智能升降病床》一課中，學生需要在Micro:bit擴展板上接入舵機模塊，舵機模塊需要5V電壓供電，而Micro:bit主板默認是3V供電，連接舵機就需要舵機的三色線將橙色對準P2插入，旁邊的黃色帽子要拔下插入到5V接口中。Micro:bit主板自帶加速度傳感器，可以偵測多種動作實現自動感應。在了解了相關電子元器件的基本屬性后，學生進行程序的編寫,并正確連接電路（如圖2）。

在將程序結合硬件實現設計方案的過程中，學生合作解決連接電路和調試程序中遇到的各種困難，合作和探究的能力在解決問題的過程中得到歷練。

4.用實踐成果輔助解釋科學原理

在《智能升降病床》一課中，主要用到兩個電子元器件：舵機、Microbit主板上自帶加速度傳感器。學生對這兩個專業的電子元器件是陌生的，沒有知識儲備，而通過智能升降病床的實際操作和應用，學生深入了解了Microbit主板上自帶加速度傳感器可以檢測Microbit的振動、徽標朝上、徽標朝下、屏幕朝上、屏幕朝下、向左傾斜、向右傾斜、自由落體等動作，還可以用于記錄運動過程中的相關數據，可以用在計步器、運動手環、汽車安全等很多電子儀器上。舵機又稱為角度伺服電動機，會根據角度變化而改變運動的方向，舵機主要由小型直流電動機、變速齒輪組、可調電位器等組成，其中電動機是提供動力的主要來源。變速齒輪組可以將小功率的電動機實現大扭力的輸出。可調電位器將旋轉的數值反饋到主控板上，實現角度的控制。白色塑料板是舵柄，用來旋轉角度和定位。

5.通過反思交流創新，對作品進行完善和迭代

在功能實現后，學生需要進行外觀設計，思考如何將功能在應用場景中實現。學生在親手實踐中積極主動運用信息科技解決問題，開展交流展示活動對作品進行反思、改善和迭代，進行創新思維活動。

● 結束語

基于新課標課程理念的開源機器人課程教學設計與實踐，從學生已有的認知結構、生活經驗和學習環境出發創設，以通過機器人實現一個個項目任務的問題為線索，激發學生的思考和對算法的學習運用，引導學生發現問題、提出問題、分析問題、解決問題，并創新問題，在此過程中深入理解科學原理，形成自主學習、合作探究的能力，全面提升學生的信息素養。