Arduino開(kāi)源機(jī)器人STEM創(chuàng)新課程的構(gòu)建與研究

[摘 要]STEM與創(chuàng)客教育注重跨學(xué)科融合以解決真實(shí)情境中發(fā)生的問(wèn)題，關(guān)注學(xué)生個(gè)性化和創(chuàng)造力的發(fā)展，是提升學(xué)生核心素養(yǎng)的重要途徑。以實(shí)例闡述校本化機(jī)器人創(chuàng)新課程的創(chuàng)設(shè)實(shí)踐與研究過(guò)程，以及教學(xué)與評(píng)價(jià)模式的創(chuàng)新嘗試，為破解機(jī)器人教學(xué)長(zhǎng)期以來(lái)的諸多困擾提供了新思路，對(duì)平民化機(jī)器人課程的普及實(shí)施具有一定的啟發(fā)意義。

[關(guān)鍵詞]STEM；創(chuàng)客；Arduino；mBlock編程；開(kāi)源機(jī)器人

一、STEM教育的興起及其課程開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

現(xiàn)代學(xué)生缺乏動(dòng)手學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。有些學(xué)校的設(shè)施設(shè)備，由于擔(dān)心學(xué)生會(huì)占用太多“準(zhǔn)備大學(xué)”和標(biāo)準(zhǔn)化考試的時(shí)間而沒(méi)有被充分使用。杜威主張“做中學(xué)”，他認(rèn)為兒童不從活動(dòng)而由聽(tīng)課和讀書(shū)所獲得的知識(shí)是虛渺的。2001年8月，教育部和中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)共同推動(dòng)的一項(xiàng)科學(xué)教育改革項(xiàng)目就命名為“做中學(xué)”。

創(chuàng)設(shè)學(xué)生熟悉的感興趣的真實(shí)情境中發(fā)生的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)小組協(xié)作，討論分析問(wèn)題，把復(fù)雜問(wèn)題分解成若干較為簡(jiǎn)單的問(wèn)題單元，運(yùn)用跨學(xué)科的知識(shí)融合來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。這種學(xué)習(xí)是讓學(xué)生通過(guò)實(shí)踐制作開(kāi)展學(xué)習(xí)，而不是通過(guò)PPT或者網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)擊來(lái)學(xué)習(xí)；是發(fā)散性的學(xué)習(xí)，而不是按部就班的學(xué)習(xí)；是跨學(xué)科的學(xué)習(xí)，而不是單一學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)。這就是2011年奧巴馬總統(tǒng)推出的旨在確保經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與繁榮的新版《美國(guó)創(chuàng)新戰(zhàn)略》中的STEM教育計(jì)劃。實(shí)際上，“做中學(xué)”與STEM教育的理念一致，都強(qiáng)調(diào)在制作中學(xué)習(xí)，并倡導(dǎo)以多“兵團(tuán)”作戰(zhàn)的方式攻克問(wèn)題堡壘。

STEM與創(chuàng)客教育開(kāi)展的主要瓶頸之一是課程的開(kāi)發(fā)。這對(duì)國(guó)外教師來(lái)講也是一大難題。校外公司開(kāi)發(fā)的STEM或創(chuàng)客課程往往脫離教學(xué)實(shí)際，或是投入巨大，有些單一項(xiàng)目的投入就已經(jīng)成千上萬(wàn)。美國(guó)、德國(guó)、荷蘭等STEM教育開(kāi)展較好的國(guó)家已有一些成熟的案例可供借鑒，但是系列化的可直接移植到國(guó)內(nèi)課堂的課程寥寥無(wú)幾。事實(shí)上，美國(guó)本土的很多STEM案例也很普通。

二、機(jī)器人教學(xué)的現(xiàn)狀

各級(jí)各類(lèi)機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)的開(kāi)展帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)外的機(jī)器人廠商如雨后春筍般地涌現(xiàn)，由于利潤(rùn)較高，目前已形成一大產(chǎn)業(yè)。但其中不乏有些公司利用贊助比賽的機(jī)會(huì)進(jìn)行“裝備競(jìng)爭(zhēng)”[1]，其根本目的只是賣(mài)裝備。因?yàn)椋毁I(mǎi)新設(shè)備就沒(méi)辦法獲得好成績(jī)。有時(shí)，有些新購(gòu)置的裝備，到了第二年就面臨被淘汰，或者必須再購(gòu)買(mǎi)升級(jí)包才能參賽。從通知下達(dá)到正式比賽的一兩個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，不需要學(xué)生做什么事，廠家就會(huì)提供齊全的搭建、編程說(shuō)明，大多數(shù)情況下學(xué)生只需動(dòng)手按一下開(kāi)關(guān)或略作調(diào)整就可以參賽。這樣的競(jìng)賽功利性很強(qiáng)，幾乎等同于用錢(qián)買(mǎi)證書(shū)，而所購(gòu)買(mǎi)的機(jī)器人往往在比賽結(jié)束后就被束之高閣。例如，某學(xué)校五年前投入三十余萬(wàn)元建設(shè)了機(jī)器人教室，由于機(jī)器人價(jià)格昂貴，版本不斷升級(jí)，數(shù)量又較少，開(kāi)始僅用于社團(tuán)活動(dòng)。但是每年競(jìng)賽都需要購(gòu)買(mǎi)專門(mén)的機(jī)器人器材，而這些器材動(dòng)輒就每套幾千甚至上萬(wàn)元，原有器材的維護(hù)成本也較高，最后導(dǎo)致該校的機(jī)器人教室成為了擺設(shè)。很多其他學(xué)校也都不同程度地存在類(lèi)似問(wèn)題。

事實(shí)上，上海、溫州、深圳等地的一些學(xué)校已經(jīng)開(kāi)展了機(jī)器人的普及性教學(xué)，并已有硬件、師資、課程方面的配套。而對(duì)于國(guó)內(nèi)大多數(shù)學(xué)校而言，機(jī)器人教育仍然停留在小眾化的“精英”階段，缺乏系統(tǒng)的課程支持。以機(jī)器人競(jìng)賽項(xiàng)目為例，師資培訓(xùn)由提供相關(guān)產(chǎn)品的廠家負(fù)責(zé)，以獲獎(jiǎng)為目的的機(jī)器人教學(xué)被公司化包裝。雖然廠家也為程序編制提供了專門(mén)的圖形界面，但是每個(gè)公司都使用自己開(kāi)發(fā)的編程軟件，學(xué)校如果想要使用另一家公司的產(chǎn)品，師生就必須重新熟悉一套新的編程軟件。這導(dǎo)致學(xué)生的知識(shí)和技能不易平滑遷移，教師也難以進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

三、國(guó)內(nèi)機(jī)器人STEM課程的開(kāi)發(fā)

機(jī)器人教學(xué)集機(jī)械、編程、感測(cè)等于一身，是除3D建模打印、Scratch教學(xué)外進(jìn)行STEM和創(chuàng)客教育的重要途徑，目前在信息技術(shù)教材中穿插了一些相關(guān)內(nèi)容，但主要存在以下問(wèn)題：一是編程平臺(tái)仍帶有公司化印記，不利于遷移學(xué)習(xí)；二是與Arduino的開(kāi)源硬件無(wú)法兼容，難以二次開(kāi)發(fā)；三是價(jià)格較貴，不易普及；四是案例較少，不成系列；五是項(xiàng)目版本陳舊，難以激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

目前適合中小學(xué)生的開(kāi)源的機(jī)器人圖形化編程語(yǔ)言有Scratch、S4A、Mixly、mBlock等，其中S4A與Makeblock都是基于Scratch2.0研發(fā)的，S4A在動(dòng)作命令中增加了數(shù)字端及模擬端的控制模塊，mBlock則新增了機(jī)器人命令模塊。近期已有相應(yīng)書(shū)籍陸續(xù)出版發(fā)行，它們的普遍特征是：大多處于啟蒙階段，案例較少，案例雷同，可選擇余地小；缺乏融入創(chuàng)新思維和融合更多學(xué)科的案例，難以滿足一線教師的需要。因此，機(jī)器人的普及教學(xué)急需一線教師參與開(kāi)發(fā)的STEM創(chuàng)新課程。

四、基于Arduino的機(jī)器人STEM創(chuàng)新課程

的創(chuàng)設(shè)實(shí)踐

機(jī)器人教學(xué)涉及運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、傳感技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)等多領(lǐng)域的知識(shí)。信息技術(shù)主要包括計(jì)算技術(shù)、控制技術(shù)和通信技術(shù)三個(gè)方面，在過(guò)去的中小學(xué)信息技術(shù)課程中，計(jì)算技術(shù)和通信技術(shù)占據(jù)主要地位，而控制技術(shù)很少涉及。中國(guó)教育技術(shù)協(xié)會(huì)信息技術(shù)專業(yè)委員會(huì)制定的《基礎(chǔ)教育信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2012版）》中提出，在小學(xué)和初中學(xué)段都開(kāi)展機(jī)器人教學(xué)，希望每一個(gè)學(xué)生都能獲得了解機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)的機(jī)會(huì)。這一目標(biāo)的制定具有前瞻性。

要全面提升學(xué)生信息技術(shù)學(xué)科素養(yǎng)，有必要面向全體學(xué)生普及推廣機(jī)器人STEM創(chuàng)新課程。與以參賽為目的或只以社團(tuán)、興趣小組活動(dòng)為主的形式不同，機(jī)器人STEM創(chuàng)新課程要面向全體學(xué)生大面積走進(jìn)課堂，具有普及性及可持續(xù)性的特點(diǎn)。為此，筆者編撰了《中小學(xué)生3D建模打印課程》《面向STEM的Scratch創(chuàng)新課程》及《面向STEM的mBlock智能機(jī)器人創(chuàng)新課程》。這些課程選用了Arduino開(kāi)源器件，與壟斷型產(chǎn)品相比價(jià)格更低，且兼容性、通用性更強(qiáng)，有些簡(jiǎn)單的模塊如按鈕開(kāi)關(guān)、LED發(fā)光模塊等可以自制，能兼容很多在Scratch創(chuàng)新課程中使用的傳感器，大大減少前期投入和后期維護(hù)的費(fèi)用，更便于普及推廣。課程采用以Scratch2.0為內(nèi)核的mBlock編程軟件，與Scratch界面類(lèi)似，僅增加了機(jī)器人模塊，對(duì)于已有Scratch編程基礎(chǔ)的小學(xué)生而言，更有利于知識(shí)與技能的正遷移。課程突出學(xué)生STEM素養(yǎng)的提升，在許多案例中增加了3D建模打印環(huán)節(jié)，學(xué)生不必再像機(jī)器人競(jìng)賽中那樣為了取勝而拘泥于廠家所限定的條條框框。由于傳感設(shè)備可以通過(guò)RJ25轉(zhuǎn)接器接入，支架或者傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以用3D建模打印，學(xué)生可以把自己豐富的想象力和創(chuàng)新思維融入其中，設(shè)計(jì)制造出與眾不同的機(jī)器人。教師可參考以下創(chuàng)設(shè)過(guò)程。

1.課程目標(biāo)與內(nèi)容

設(shè)計(jì)課程目標(biāo)時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面。一是了解機(jī)器人的歷史、發(fā)展，分類(lèi)和應(yīng)用現(xiàn)狀及未來(lái)的發(fā)展方向。認(rèn)識(shí)智能機(jī)器人對(duì)人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的重要意義，理解機(jī)器人對(duì)人類(lèi)社會(huì)的價(jià)值，增強(qiáng)學(xué)習(xí)機(jī)器人技術(shù)的興趣。二是感受機(jī)器人技術(shù)的重要性以及Arduino平臺(tái)的便捷性，培養(yǎng)對(duì)Arduino機(jī)器人課程學(xué)習(xí)的興趣以及動(dòng)手解決實(shí)際生活問(wèn)題的興趣，促進(jìn)個(gè)性發(fā)展。三是初步掌握機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成，理解基于“控制—傳感—通信—結(jié)構(gòu)”框架下的機(jī)器人運(yùn)作基本原理，以及相關(guān)傳感器、主控板的軟硬件知識(shí)。四是能夠完成創(chuàng)意機(jī)器人的規(guī)劃設(shè)計(jì)與組裝、零部件的制作、mBlock編程、綜合測(cè)試與調(diào)整。五是能通過(guò)整合3D建模打印、機(jī)械傳動(dòng)、編程控制、物聯(lián)網(wǎng)等知識(shí)，借助小組協(xié)作、網(wǎng)絡(luò)求助、教師引導(dǎo)等解決較為復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題，提升STEM素養(yǎng)。六是感悟創(chuàng)意思維，形成創(chuàng)造意識(shí)，提升創(chuàng)新能力，從機(jī)器人產(chǎn)品的消費(fèi)者逐步轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人產(chǎn)品的創(chuàng)意設(shè)計(jì)和制造者。課程內(nèi)容的安排可參考表1。

2.課程相應(yīng)器材配備

器材配套為Makeblock mBot Ranger游俠STEM機(jī)器人，售價(jià)在千元以內(nèi)，以48人的班級(jí)規(guī)模，每3人一組器材配備標(biāo)準(zhǔn)，僅需1.5萬(wàn)元即可在全年級(jí)開(kāi)展機(jī)器人普及性教學(xué)。此外輔以一些RJ25轉(zhuǎn)接器，即可使S4A傳感器通用，大大減少了重復(fù)投入。采用開(kāi)源Arduino作為機(jī)器人教育平臺(tái)，可以充分借鑒國(guó)際同行的機(jī)器人教育研究與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可以有效避免閉源產(chǎn)品因各自為政而產(chǎn)生的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的問(wèn)題。

3.教學(xué)與評(píng)價(jià)模式創(chuàng)新

一是利用翻轉(zhuǎn)課堂創(chuàng)新教學(xué)模式。STEM與創(chuàng)客教育主張減少傳統(tǒng)的大班講授式教學(xué)，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)解決問(wèn)題，根據(jù)實(shí)際需要選擇要學(xué)習(xí)的知識(shí)。其中相關(guān)知識(shí)的傳授可利用翻轉(zhuǎn)課堂，由學(xué)生在課下按需學(xué)習(xí)，為課上的實(shí)踐類(lèi)活動(dòng)創(chuàng)造更多機(jī)會(huì)，使師生、生生及組間有更充分的互動(dòng)。事實(shí)上，一些機(jī)器人的教學(xué)案例需要3D建模打印、程序編寫(xiě)和組裝調(diào)試等，不可避免地會(huì)經(jīng)歷曲折反復(fù)的過(guò)程，用時(shí)較長(zhǎng)，翻轉(zhuǎn)課堂的使用讓學(xué)生在有限的課堂時(shí)間里獲得更多的實(shí)踐體驗(yàn)。

二是以過(guò)程性測(cè)評(píng)創(chuàng)新評(píng)價(jià)模式。與其他STEM課程相同，為更好地激勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)新思維，教師需要設(shè)計(jì)許多過(guò)程性的測(cè)評(píng)量表，內(nèi)容涉及小組合作、交流表達(dá)、創(chuàng)意或奇思妙想等，學(xué)生在這些方面的表現(xiàn)都應(yīng)得到關(guān)注和及時(shí)肯定。實(shí)踐證明，合理“加分”對(duì)激勵(lì)學(xué)生進(jìn)步永遠(yuǎn)奏效。例如，為了促進(jìn)學(xué)生之間的協(xié)作，筆者在某個(gè)時(shí)段讓學(xué)生投票選出對(duì)自己幫助最大的同學(xué)，票數(shù)排在前五名的學(xué)生會(huì)得到額外加分。此外，若班級(jí)的階段性任務(wù)完成量排在年級(jí)前三名，則全班學(xué)生得到整體加分。

4.開(kāi)源機(jī)器人STEM創(chuàng)新課程教學(xué)課例

學(xué)校需要個(gè)性化的具有獨(dú)創(chuàng)性的基于學(xué)生眼光的更有趣的案例。為此，筆者在《面向STEM的mBlock智能機(jī)器人創(chuàng)新課程》中，設(shè)計(jì)了20個(gè)層次不同的案例，師生可以從中選擇感興趣的、適合自己水平的案例進(jìn)行制作。由于使用了Arduino開(kāi)源平臺(tái)，且圖形化編程的案例資源日趨豐富，使學(xué)生可以借助相關(guān)網(wǎng)絡(luò)案例資源對(duì)自己的機(jī)器人設(shè)計(jì)進(jìn)行功能拓展和完善，融入自己的創(chuàng)意進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。例如，其中有一個(gè)結(jié)合3D建模打印的“自閉癥”機(jī)器人[2]，設(shè)計(jì)理念源于臺(tái)灣某次機(jī)器人比賽的口號(hào)“做簡(jiǎn)單的機(jī)器人，不作復(fù)雜的機(jī)器人，做無(wú)用的機(jī)器人，不做有用的機(jī)器人”。學(xué)生評(píng)價(jià)這款機(jī)器人很“魔幻”，愛(ài)不釋手。現(xiàn)以此例，簡(jiǎn)述其教學(xué)過(guò)程。

（1）課前翻轉(zhuǎn)，視頻導(dǎo)入，明確目標(biāo)。搜索無(wú)用機(jī)器人視頻，用Makeblock設(shè)計(jì)制作一個(gè)類(lèi)似患“自閉癥”的機(jī)器人，并作進(jìn)一步創(chuàng)新改進(jìn)。所謂“自閉癥”，指的是當(dāng)裝有機(jī)器人的箱蓋被打開(kāi)時(shí)，機(jī)器人將會(huì)自動(dòng)關(guān)上箱蓋。

（2）小組討論，器材準(zhǔn)備。各小組用PPT或視頻展示介紹“自閉癥”機(jī)器人的解決預(yù)案，詳細(xì)說(shuō)明所需要的傳感器、完成機(jī)械動(dòng)作的輸出設(shè)備、相關(guān)器件或設(shè)備的參數(shù)及使用時(shí)的注意事項(xiàng)。教師引導(dǎo)確定最終設(shè)計(jì)目標(biāo)及基本思路。

（3）難題分解，子課題認(rèn)領(lǐng)。請(qǐng)學(xué)生想一想，這個(gè)項(xiàng)目可以分解成哪些子任務(wù)。然后組內(nèi)學(xué)生分配或協(xié)調(diào)各自的任務(wù)，分別認(rèn)領(lǐng)并完成3D建模、3D打印、機(jī)械傳動(dòng)組裝、程序編制等子任務(wù)。教師作為“總工程師”對(duì)各子任務(wù)間的工作進(jìn)行協(xié)調(diào)，學(xué)生遇到難題時(shí)大家協(xié)作攻克。

（4）機(jī)械傳動(dòng)調(diào)試，遭遇障礙。學(xué)生在調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)舵機(jī)的動(dòng)力不足以撥動(dòng)鈕子開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)“自閉”。案例中沒(méi)有給出解決辦法，而是在課堂上將其作為動(dòng)態(tài)生成問(wèn)題，讓學(xué)生設(shè)法運(yùn)用已學(xué)知識(shí)尋找適合本裝置的開(kāi)關(guān)。

（5）編制程序，整體試運(yùn)行。小組各自編制程序上傳主控器，脫機(jī)試運(yùn)行。要求完成較快的組將調(diào)試經(jīng)驗(yàn)共享，并完成以下拓展作業(yè)：增加LED燈帶，當(dāng)磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)被觸發(fā)時(shí)點(diǎn)亮燈帶。

以上最為耗時(shí)的環(huán)節(jié)是3D打印。學(xué)生放學(xué)后可到專門(mén)的創(chuàng)客教室用3D打印機(jī)完成自己的設(shè)計(jì)，每組分配兩個(gè)打印機(jī)，可以同時(shí)進(jìn)行外殼與傳動(dòng)部件的打印，所有部件全部打印完成需要12小時(shí)左右。這個(gè)機(jī)器人曾經(jīng)是出現(xiàn)在研究生論文中的一個(gè)課題，通過(guò)恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)與切入角度，成為了深受小學(xué)生歡迎的STEM課程資源，使學(xué)生從中增長(zhǎng)了見(jiàn)識(shí)與能力，并獲得了成功體驗(yàn)。

為了探尋開(kāi)放的機(jī)器人硬件并創(chuàng)設(shè)開(kāi)源機(jī)器人STEM創(chuàng)新課程，克服現(xiàn)有機(jī)器人課程的弊端，找尋機(jī)器人教育普及的突破口而編寫(xiě)的《面向STEM的mBlock智能機(jī)器人創(chuàng)新課程》，由于具備適切性、可復(fù)制性、可遷移性、可選擇性、低門(mén)檻與多層次性等特點(diǎn)，為Arduino 機(jī)器人教育的推廣創(chuàng)造了有力條件。隨著研究的不斷深入，相信會(huì)有更多教師投身到機(jī)器人教育的實(shí)踐中，使其課程體系進(jìn)一步完善，并使機(jī)器人教學(xué)“去精英化”，不再只是“有錢(qián)人孩子”的專屬。

參考文獻(xiàn)

[1]吳良輝， 楊青.深圳市初中機(jī)器人課程的探索與實(shí)踐——兼談《標(biāo)準(zhǔn)》的學(xué)習(xí)體會(huì)[J].中國(guó)電化教育，2012（11）：31-35.

[2]周迎春.創(chuàng)設(shè)意外情境 生成精彩課堂——例談面向STEM與創(chuàng)客教育的小學(xué)信息技術(shù)靈動(dòng)課堂[J].基礎(chǔ)教育參考，2017（19）：44-46.

（責(zé)任編輯 郭向和）