“翻山越嶺”的機器人小車

學習背景

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時代教育和信息社會發(fā)展要求，發(fā)揮STEM教育在培養(yǎng)青少年創(chuàng)新思維中的作用變得越發(fā)重要。

本課以如何讓機器人小車通過不平坦或者帶有坡度的路面為教學目標，讓學生學會對問題進行分析、判斷，通過分析車輛本身的機械結(jié)構(gòu)、動力輸出以及問題發(fā)生的實際環(huán)境，設計并形成初步的實驗方案；進而嘗試創(chuàng)新性地改造機械結(jié)構(gòu)和動力輸出并修改軟件程序，加深軟件程序控制機械結(jié)構(gòu)的理解，體驗如何利用已學知識與現(xiàn)有實驗材料使機器人小車實現(xiàn)“翻山越嶺”。

本課旨在讓學生親歷發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、設計方案、落實方案、改進方案的一般過程，培養(yǎng)綜合運用所學知識解決實際問題的能力。通過“做中學”的方法，將理論教學與實踐活動有效地結(jié)合起來，充分調(diào)動學生的積極性，激發(fā)學生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)造能力和學習能動性。

教學目標

知識與技能

1.說明任務設計需求并形成初步的實驗方案。

2.參照方案對結(jié)構(gòu)進行改造，理解程序控制結(jié)構(gòu)，獨立完成實驗。

過程與方法

經(jīng)歷設計、改進方案的過程，培養(yǎng)學生運用所學知識解決實際問題的能力。

情感態(tài)度與價值觀

1.體驗技術(shù)問題解決過程中的曲折與艱辛，培養(yǎng)學生敢于克服困難以及不折不撓的意志和決心。

2.通過小組合作培養(yǎng)學生團結(jié)協(xié)作的能力，通過自由搭建激發(fā)學生的創(chuàng)新能力。

教學重點與難點

教學重點 說明任務設計的需求要求，并設計出實驗方案。

教學難點 根據(jù)實際需求改造并調(diào)試結(jié)構(gòu)。

教學過程

一、任務驅(qū)動，制訂方案

教師通過公路救援的新聞報道引入，讓學生發(fā)現(xiàn)救援隊遇到的問題。學生分析手中所擁有的材料，小組成員發(fā)揮特長形成初步的解決方案，進行首次小組交流。

二、實驗操作，驗證方案

在前期討論和交流的基礎上，使用樂高教具進行機械結(jié)構(gòu)和動力輸出的改造，并修改軟件程序。通過不斷地修改和調(diào)試，逐步完善原先的解決方案，提高解決問題的能力。

三、整體展示，反饋交流

學生以小組為單位進行成果展示，并向全班同學介紹方案特色、設計思路、實驗過程中遇到的問題以及解決的方法。由教師和其他小組成員共同對方案進行評價，從而引導學生對方案進行進一步完善和創(chuàng)新，讓學生發(fā)揮想象，設計出更加完美的解決方案。

案例詳解

一、任務驅(qū)動，制訂方案

1.理解問題

教師通過視頻新聞導入情境，并使用預先準備好的樂高車輛模型重現(xiàn)新聞中的實際情況（車輛無法通過一座大橋），讓學生了解實際問題，明確本課的主要任務。

2.討論方案

學生以三人小組的形式，分析問題，討論方案，尋找解決問題的辦法。在學生討論方案的過程中，教師幫助學生回憶車輛的基本結(jié)構(gòu)知識，和學生們一起討論：車輛自身的哪些因素會導致車輛無法通過大橋？引導學生制訂改變車輛自身結(jié)構(gòu)的方案。在初步交流的基礎上，教師繼續(xù)引導學生除了改變車輛的自身因素外，還可以改變一些環(huán)境因素，如改變坡道長度以及增設臨時車輛電梯等來完成任務，拓展學生的思路。

3.制訂方案

學生完成初步方案后，將自己小組準備使用的方案填寫在任務單中。

4.交流反饋

在小組完成任務單后，由組長交流本小組的方案。教師引導學生討論分析每個可供選擇方案的利弊，最終做出合理的選擇。

二、實驗操作，驗證方案

每個小組根據(jù)本組方案，分別從更改車輛的機械結(jié)構(gòu)、車輛的動力輸出以及改變周邊環(huán)境等方面，使用樂高教具進行改造，完善方案。（如圖1、圖2）

說明：去掉左圖中原始的萬向輪，在相同位置增加第三個馬達（如右圖），并改變輪胎的大小。

說明：去掉左圖中原始車輛的四個輪胎，改裝成右圖中的履帶。

針對改造后的車輛結(jié)構(gòu)，適當對原有程序進行修改來配合改造情況。（如圖3、圖4、圖5）

說明：程序啟動后，車輛的兩個馬達（B+C端口）全程以100%的功率運轉(zhuǎn)，快速通過。

說明：程序啟動后，首先重置陀螺儀傳感器（2號端口），車輛的兩個馬達（B+C端口）以50%的功率前進，當陀螺儀傳感器（2號端口）測得的角度數(shù)據(jù)大于15°時，車輛的兩個馬達（B+C端口）以100%的功率前進，否則繼續(xù)以50%的功率前進，保存動力。

說明：程序啟動后，首先重置陀螺儀傳感器（2號端口），車輛的兩個馬達（B+C端口）以100%的功率前進，當陀螺儀傳感器（2號端口）測得的角度數(shù)據(jù)大于15°時，啟動車輛的第三馬達（D端口）以100%的功率前進，否則D端口馬達不啟動。

改造完成后，各組進行實驗，驗證方案是否有效并記錄方案實施過程和結(jié)果，填寫任務單。

三、整體展示，交流反饋

組長再次交流任務實施的結(jié)果，對遇到的問題做簡單描述，并提出繼續(xù)改進的設想。教師進行點評總結(jié)，深化學生提出問題、經(jīng)歷實際操作、找出解決方法的一般過程。

反思與啟迪

一、培養(yǎng)計算思維

在本課實施過程中，學生獲得的不僅是信息技術(shù)的知識與技能，更是一種獨特思考和解決問題的方式——計算思維。通過培養(yǎng)計算思維，能讓學生更深入地理解解決問題的過程，并培養(yǎng)學生在收集信息、篩選信息、處理信息和反饋信息等方面的能力。

二、學會分解問題

在實踐過程中，教師不斷引導學生將復雜的問題分解成多個易于管理解決的小問題；并對這些小問題單獨觀察處理，關注其中的主要問題，進而通過程序的調(diào)整或者結(jié)構(gòu)的調(diào)整，不斷完善方法和規(guī)則解決每個小問題，最終形成解決問題的整體方案。

三、培養(yǎng)工程素養(yǎng)

通過樂高的搭建，以及實驗過程中的不斷重建、修改與調(diào)試，幫助學生了解車輛結(jié)構(gòu)中的奧秘，思考合理的工程設計為工作生活帶來的便利，通過不同改進方案的對照，培養(yǎng)學生的工程素養(yǎng)。

四、增進團結(jié)協(xié)作

在方案實施的過程中，小組成員根據(jù)任務的不同完成各自的工作，通過不斷解決出現(xiàn)的問題，增進了成員間的團結(jié)協(xié)作。在本課實施過程中，最終只有極少部分小組完成任務，讓學生充分體會到解決問題的過程中充滿著曲折與艱辛，所有的成功并非一蹴而就，培養(yǎng)學生敢于克服困難以及不折不撓的意志和決心。

教學點評

不論是信息技術(shù)課程還是STEM創(chuàng)客教育，都需要關注學生在活動過程中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。在本節(jié)課中，汪曉鳴老師以新聞中報道的真實事件為導入，提供學生解決實際問題的情境，激發(fā)學生的學習興趣；在教學實施過程中，通過小組討論發(fā)現(xiàn)問題，提出初步解決方案，在不斷調(diào)試的過程中分析各種方案的實際情況并進行適當?shù)恼{(diào)整，來驗證方案的效果，進而解決問題。當然在這堂課中，并不是所有的學生小組最終都解決了問題，但也讓學生體會到了改進與發(fā)展一項技術(shù)的艱難曲折，培養(yǎng)了學生勇于探索、敢于嘗試、不畏挫折的品質(zhì)。（點評人：王世達，上海市普陀區(qū)教育學院現(xiàn)代教育技術(shù)研究室副主任，信息技術(shù)教研員）