基于核心素養的初中機器人教材設計思路解析

韓蕾 鐘柏昌

機器人教學能夠有效培養學生的動手實踐能力、問題解決能力以及創意設計能力。一直以來，筆者致力于中小學機器人教育的普及工作，并于2015年初承擔了河北省小學和初中機器人電子教材（以下簡稱“冀教版”）的開發任務。本文以冀教版八年級下冊《機器人》為例，闡述初中機器人教材的設計思路及特點。本冊教材采用Arduino開源硬件板和Ardublock圖形化編程環境，共計20課時，其中第15～20課時為可選課時。

目標定位：核心素養

學科核心素養可分為三個層次：雙基層，以基礎知識和基本技能為核心；問題解決層，以解決問題過程中所獲得的基本方法和基本態度為核心；學科思維層，指在系統的學科學習中通過體驗、認識及內化等過程逐步形成相對穩定的思考問題、解決問題的思維方法和價值觀。以核心素養的三層結構為指引，筆者試圖將上述核心素養滲透于教材中，詳情見下頁表1。

內容選擇：知行并舉

機器人教育強調學生的自主實踐，因此更適合以項目的形式來組織教學。與項目教學相對應，項目化的教材要求每節課以項目的形式組織，并整合完成項目所需的理論知識，因此其本質上體現了知行并舉的內容選擇和組織思路。在本冊教材中，在兩個層面上體現了知識與能力的整合。

一是知識的單列與項目的映射。在每個項目中，根據項目任務分析，形成一個專門的模塊“基礎知識與基本技能”。此模塊并非孤立存在，在后繼具體的實踐中將直接運用該模塊中的知識，因此與具體的項目實踐有著緊密的聯系（映射），只是為了方便描述和學習，將其“切片”出來作為一個重點內容，列出了一些較具代表性的課時（如下頁表2）。

二是問題引入與知識內化。在“基礎知識與基本技能”模塊，知識的呈現不是直白的描述，而是基于問題和實踐循循善誘，以序列小問題的分析和解決不斷強化這些關鍵的知識和技能的掌握。

例1：第8課《聲控風扇》中“基礎知識和基本技能”節選。

【基礎知識】PWM模式控制電機的針腳分配；設置電機模塊和模擬聲音傳感器的功能及使用方法。

【基本技能】利用PWM模式和設置電機模塊來控制電機的轉動；利用模擬聲音傳感器收集聲音信號。

【問題分析與知識引入】制作聲控風扇的關鍵是風扇的驅動和聲音的檢測。扇葉安裝在直流電機上，因此風扇的驅動需要由電機控制，聲音的檢測則可使用模擬聲音傳感器。繼而在“基礎知識與基本技能”中引出直流電機與模擬聲音傳感器的功能及使用方法。

【知識應用】在ArduBlock中利用“PWM模式”和“設置電機模塊”控制電機的轉動，參考程序如圖1和圖2所示。在ArduBlock中利用串口監視器監測模擬聲音傳感器的輸入值，參考程序如圖3所示。

【問題分析與知識內化】

（1）將圖1程序中的去掉，會有什么現象？

（2）將圖2程序中的電機速度200改為-100，觀察風扇轉動有何變化？

【案例解讀】在第1個問題中，引導學生思考針腳4對測試結果的影響，以此強化學生對PWM模式下針腳4所對應功能的理解；在第2個問題中，提供了教材中原有程序的變式，若設置電機模塊中的速度值為負，則電機轉動方向為反轉，從而使學生能夠靈活設置電機模塊中的值來控制風扇的轉動。

內容組織：聚類思想

本冊教材主要以聚類化的思想來組織教學內容，從而完成整體框架和章節結構的設計。聚類化課程設計思想，即依據某種線索組合一系列教學項目。根據已有研究，大致有三種聚類方式：以相似的功能聚類，以相似的目標聚類，以相似的技術思想聚類。

本冊教材按輸入與輸出為線索進行單元主題的聚類，即數字輸出與模擬輸出（LED）—數字輸入（電子骰子）—模擬輸入（蜂鳴器）—單電機控制（風扇）—雙電機控制（小車）—科學探究實驗（科學探究專題）。

在課時層面上，教材就不同知識點也進行了不同形式的聚類。

1.以相似的功能聚類

筆者通過設計某些問題解決活動，將技術工具所具有的相似功能集合在一起，達到功能操作和問題解決的融會貫通。

例2：第10課《遙控風扇》中的程序設計。

【教材呈現】假設風扇的速度分為三擋，則遙控換擋風扇的程序可參考圖4。

做一做：使用“如果/否則”能夠完成上述程序嗎？試試看。

【案例解讀】在教材呈現的參考程序中，利用了單分支模塊來完成遙控器變換風扇轉速擋位的程序編寫，而“做一做”向學生提出是否能夠利用“如果/否則”模塊來完成相同的程序功能，可以引發學生向新知識的遷移。

2.以相似的目標聚類

使用不同的工具可以解決相同的問題，從而聚類不同的技術工具和使用方法。

例3：第11課《驅動小車》控制機器人小車的運動。

【教材呈現】針腳控制小車前進參考程序如圖5所示，電機模塊控制小車前進參考程序如圖6所示。

做一做：①任選一種方法來控制小車，使其后退；②任選一種方法來控制小車，使其原地轉圈。

【案例解讀】兩種方式均可控制小車的運動，第一種方法可以通過設置針腳的高低電平來控制車輪的運動方向；設置針腳的模擬值來控制小車的車速；第二種方法則是直接設置M1和M2的值控制小車的運動方向與車速。這種呈現方式便于學生理解這兩種方法的異同并能在不同的任務中遷移應用。

3.以相似的技術思想聚類

技術工具雖有不同，但其背后的技術思想可能是一致的，將這些具有相同技術思想的技術工具挖掘出來，以豐富多樣的技術活動表達出來，可以達到舉一反三的功效。

例4：編程中的循環結構

【教材呈現】想一想：請同學們思考一下，與兩者之間的異同。

【案例解讀】主程序是一個自循環體，每當程序執行結束就重新開始執行程序。當循環中有條件語句與執行語句，只有條件語句滿足時才會運行執行語句，而主程序是無條件循環。對比兩種模塊，可以幫助學生更好地理解當循環語句及其程序設計思想。

內容呈現：生活化與結構化

1.教材內容的生活化呈現

生活化即回到學生的生活世界，從學生經驗出發逐漸引入新的概念，而不是生硬地呈現這些概念。

一方面，利用學生的生活經驗，使用類比分析幫助學生理解新的知識。

例5：第1課《點亮星燈》的第一部分“機器人是什么”中講解機器人的構造。

【教材呈現】類似人類的身體，機器人也是由幾大“器官”組成：機器人的大腦——主控制器，機器人的眼睛、耳朵和觸角——傳感器，機器人的手、足——驅動器和執行器。

【案例解讀】此處將機器人比作人類，經過這種生活化的類比，使學習者更好地理解機器人各部分的組成及功能。

另一方面，利用學生的學習經驗，通過認知沖突幫助學生接受新的知識。這種呈現方式基于學生已有的學習經驗，但又高于學生的已有認知，處于認知的“最近發展區”，故有利于學生對新知識的理解，建立新舊知識之間的聯系。

例6：第3課《呼吸燈》PWM概念的提出。

【教材呈現】由于呼吸燈不只有亮和滅兩種狀態，還具有若干不同明暗度的變化，所以采用上節課中的數字輸出控制LED將無法實現預期效果，此時需要采用一種新的輸出方式——PWM。我們可以參考表1中的設計方案，來完成呼吸燈的制作。

【案例解讀】教材中PWM的概念并不是直接呈現給學生，而是由相關的問題引入，引起他們的認知沖突，再適時引入PWM的概念。

2.教材內容的結構化呈現

結構化即按照一定的邏輯思路將教材內容依據某一特定框架進行呈現。結構化地呈現教材內容，目的是方便學生閱讀，減少認知負擔，并提供學習支持。本冊教材的必修課由闡明學習目標、呈現內容結構、背景主題介紹、方案設計、基礎知識與基本技能、實現過程和拓展提升七部分組成。

小結

本教材具有基礎性、創造性、趣味性、主體性與整合性等特點。筆者希望通過本教材的學習，學生能夠習得Arduino機器人的基礎知識與基礎技能，能夠獲得利用Arduino機器人解決實際問題的能力，從而進一步形成利用機器人分析問題、解決問題的思維方法和價值觀，并初步得到利用智能裝置改造生活的方法論，建立認識人工智能的世界觀。