基于智能小車的STEM科技教育案例的開發(fā)

馮潔卿 羅啟龍

摘要：本案例以"智能小車"為主線開展科技教育活動，引導(dǎo)學(xué)生從動手制作環(huán)保小車，拼裝電子電路小車、制作arduino智能小車、3D小車的設(shè)計和打印四個模塊學(xué)習(xí)有關(guān)小車制作的相關(guān)知識。通過課程的學(xué)習(xí)，將掌握焊接技術(shù)、電子電路知識、arduino傳感器知識、3D設(shè)計與打印等知識，提升學(xué)生的STEM素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：智能小車;STEM;科技教育案例

中圖分類號：G633.98文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1992-7711（2019）12-123-3

一、STEM教育內(nèi)涵

SEM教育是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineer）和數(shù)學(xué)（Mathematics）教育的簡稱，它是八十年代美國為提升國家競爭力和勞動力創(chuàng)新能力而提出的一項國家教育戰(zhàn)略，重點旨在打破學(xué)科領(lǐng)域邊界，培養(yǎng)學(xué)生的科技理工素養(yǎng)[1]。STEM課程著重加強學(xué)生四個維度上的素養(yǎng)：一是科學(xué)素養(yǎng)，即運用科學(xué)知識理解自然界的現(xiàn)象;二是技術(shù)素養(yǎng)，即理解技術(shù)的使用，面對問題能合理選擇技術(shù)并對之綜合評價的能力;三是工程素養(yǎng)，即工程設(shè)計與開發(fā)的能力;四是數(shù)學(xué)素養(yǎng)，即具有概念化、抽象化、模式化的綜合性思維能力。

2016年教育部出臺的《教育信息化"十三五"規(guī)劃》中明確指出有效利用信息技術(shù)推薦"眾創(chuàng)空間"建設(shè)，探索STEM教育、創(chuàng)客教育等新的教育模式，使學(xué)生具有較強的信息意識與創(chuàng)新意識，養(yǎng)成數(shù)字化學(xué)習(xí)習(xí)慣，具備重視信息安全、遵守信息社會倫理道德與法律法規(guī)的素養(yǎng)[2]。

二、基于智能小車的STEM科技教育案例介紹

基于智能小車的STEM科技教育案例是一個涉及材料學(xué)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電子電路技術(shù)、傳感器技術(shù)、3D打印等多領(lǐng)域的科技教育案例，其過程實施能促進學(xué)生整合科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineer）和數(shù)學(xué)（Mathematics）等領(lǐng)域的知識，具有較高的教育意義。

1.綜合性

基于智能小車的STEM科技教育案例綜合了多個基礎(chǔ)學(xué)科知識，包括數(shù)學(xué)建模、物理結(jié)構(gòu)、程序設(shè)計、生物仿真等，以多學(xué)科的基礎(chǔ)知識為支撐。

2.實踐性

本案例以制作智能小車為主線，引導(dǎo)學(xué)生從動手制作環(huán)保小車、拼裝電子電路小車、制作arduino智能小車、3D小車的設(shè)計和打印四個模塊學(xué)習(xí)有關(guān)小車制作的相關(guān)知識。通過課程的學(xué)習(xí)，將掌握焊接技術(shù)、電子電路知識、arduino傳感器知識、3D設(shè)計與打印等知識。

3.創(chuàng)造性

智能小車案例的學(xué)習(xí)不是填鴨式的知識灌輸，需要學(xué)生參與到課堂活動中。通過合理選取材料和動手制作，提出解決方案的創(chuàng)造性想法，旨在鼓勵學(xué)生發(fā)揮自己的創(chuàng)意，設(shè)計各種不同外觀和功能的智能小車。

三、課程理念

課程的開展以案例教學(xué)法為主，教師首選提出第一階段的任務(wù)"自選材料制作一輛小車"的案例要求，學(xué)生在完成該階段的任務(wù)后，再接受"拼裝小車"、"傳感器的使用"、"3D小車設(shè)計"等任務(wù)。由于新任務(wù)都以前一階段任務(wù)為基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上加以拓展，所以學(xué)生的能力在整個課程活動中逐步提升。

課程的學(xué)習(xí)以"小組合作"的形式開展，每個學(xué)生不僅要努力爭取個人學(xué)習(xí)目標(biāo)的達成，更要幫助小組同伴達成目標(biāo)。通過小組成員間互教互學(xué)，共同完成知識建構(gòu)，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，提高學(xué)習(xí)效率，促進學(xué)生間良好的合作機制，促進學(xué)生心理品質(zhì)的發(fā)展。

"智能小車"科技教育案例是一個跨學(xué)科的科技案例，它涉及材料學(xué)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電子電路技術(shù)、傳感器技術(shù)、3D打印等學(xué)科知識，涵蓋了物理、信息技術(shù)、通用技術(shù)、綜合實踐技術(shù)等課程領(lǐng)域，能綜合提升學(xué)生的STEM素養(yǎng)。

四、課程目標(biāo)

基于智能小車的STEM科技教育案例的總目標(biāo)是提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、動手制作能力和綜合設(shè)計的能力，從而提升學(xué)生的STEM素養(yǎng)。通過本科技活動案例的學(xué)習(xí)，學(xué)生能掌握以下知識結(jié)構(gòu)：

（1）掌握基本的焊接知識;（2）熟悉小車硬件組成，能夠用身邊材料制作簡易小車;（3）了解面包板、碰撞開關(guān)等電子元器件的原理和使用方法;（4）了解arduino傳感器的功能和使用方法，完成小車避障和尋跡功能;（5）能夠使用3DONE軟件設(shè)計小車主體，并完成打印工作;（6）在制作和調(diào)試過程中，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，提高小組合作的能力。

五、學(xué)習(xí)者分析

本案例針對高中生開展科技活動，高中生有豐富的理論知識基礎(chǔ)，理論學(xué)習(xí)能力強，但普遍缺乏動手能力。他們在物理課上學(xué)習(xí)了電路知識，但側(cè)重于理論學(xué)習(xí)，實踐能力相對較弱。大部分學(xué)生未曾學(xué)習(xí)過電子學(xué)基礎(chǔ)知識、arduino編程和傳感器的知識、3D建模與打印等新技術(shù)，他們對于新知識新技術(shù)有強烈的學(xué)習(xí)興趣。

六、教學(xué)內(nèi)容

本課程內(nèi)容分為四個模塊開展，每個模塊又分不同的課題進行，詳見表1。

模塊一內(nèi)容為"自選材料制作一輛環(huán)保小車"。該內(nèi)容要求學(xué)生選擇身邊的材料，制作一輛能運動起來的小車。教師除了提供雙軸TT馬達（130直流減速電機）、車軸、船型開關(guān)、電池盒外，其他一切材料均由學(xué)生自己身邊的物品制作。因此，學(xué)生需要考慮車體和車輪的材料，并對小車進行一定的外觀美化工作。因為電池盒、馬達需要焊接使用，因此要學(xué)習(xí)一些簡單的焊接知識，并學(xué)會萬用表測電壓等知識。這個模塊教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計目的在于讓學(xué)生掌握小車主要零部件的構(gòu)成，各零部件間是如何連接工作的。同時，學(xué)生在挑選材料制作小車時，需要考慮材料學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)等方面的知識，對于提升廢物利用的觀念，有很大的幫助。

模塊二內(nèi)容為"電子電路知識"。為了方便教學(xué)的實施，教師可通過淘寶網(wǎng)購置小車底盤、TT馬達、萬向輪、車輪、四節(jié)電池盒、螺母螺絲、碰撞開關(guān)等材料。學(xué)生學(xué)習(xí)組裝小車的過程能大大提高學(xué)生的動手能力。同時，這些電子元器件需要面包板連接使用，因此學(xué)生也需要掌握面包板的相關(guān)知識。在這個模塊教學(xué)中，難點是面包板的使用和碰撞開關(guān)的使用。教學(xué)重點是學(xué)生在面包板上如何正確連接電子元器件，如何正確連接電路。

模塊三內(nèi)容為"arduino智能小車的制作"。Arduino是一款世界上最流行的開源硬件制作平臺，具有價格低廉、容易學(xué)習(xí)、兼容性高等優(yōu)點。Arduino簡單的開發(fā)方式比面包板制作小車要靈活，功能的可拓展性高。本模塊的arduino套件使用DFrobot公司的MiniQ小車套件（圖5），套件配套的器材如下：Romeo控制器，USB線，鋰電池，小車直流電機，智能小車底盤，Mini尋線傳感器（兩個）碰撞傳感器（左右各一）。觸碰傳感器（圖6）帶有一條長長的金屬條，像一個踏板一樣。當(dāng)金屬條觸碰到障礙物時，金屬條被按下，電路導(dǎo)通，從而實現(xiàn)智能小車轉(zhuǎn)向。MINI巡線傳感器（圖7）能幫助智能小車實現(xiàn)尋線功能，它可以檢測白色背景中的黑線，也可以檢測黑色背景中的白線。當(dāng)檢測為黑線時發(fā)出低電平信號，反之白線時為高電平信號。

模塊教學(xué)上使用ArduBlock圖形化編程軟件。ArduBlock是一款基于Arduino的圖形化編程軟件，必須依附于ArduinoIDE軟件才能運行。使用ArduBlock編程時，只需要拖拉圖形化積木即可。其可視化的編程模式大大降低了編程門檻，讓沒有編程基礎(chǔ)的人也可以完成編寫程序的工作。[3]

模塊四的內(nèi)容為"3D小車的設(shè)計與打印"。本模塊教學(xué)使用3DONE軟件，讓學(xué)生學(xué)會如何設(shè)計小車模型，并應(yīng)用3D打印機將小車的各部分零件打印出來，組裝成一個實體小車模型。小車的整體結(jié)構(gòu)比較簡單，主要由車架、支撐架、車輪等零件組成。學(xué)生可以根據(jù)自己的特長和能力，在小車模型的基礎(chǔ)上進行改裝和完善。

七、教學(xué)策略

本科技教育案例從生活案例出發(fā)，鼓勵學(xué)生使用身邊材料制作一輛小車開始引入課程，學(xué)生圍繞案例教學(xué)來開展學(xué)習(xí)活動。案例由淺入深，從簡單的電子電路到編程電路，從簡單的材料組裝到3D打印設(shè)計。通過不同模塊的學(xué)習(xí)，學(xué)生逐步掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容，整合多學(xué)科知識。在整個案例活動中，鼓勵學(xué)生自主探究、動手體驗，在活動中發(fā)現(xiàn)問題，在實踐中解決問題，獲得知識、不斷提高。

1.基于生活的教學(xué)案例設(shè)計，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

本案例圍繞車開展教學(xué)，學(xué)生在接觸模塊一"自選材料制作一輛環(huán)保小車"時，有非常高的熱情，感覺回到兒時的小制作。在第一次小車競速競賽時，每個學(xué)生都投入到活動中。通過對比自己小組和其他小組小車的結(jié)構(gòu)以及競速效果后，明白選材和結(jié)構(gòu)的重要性。在學(xué)習(xí)的過程中，教師要注意鼓勵學(xué)生發(fā)揮想象，將自己的創(chuàng)意融入到小車外觀的制作上。

在講解模塊二"電子電路知識"時，教師需要和學(xué)生一起分析碰撞開關(guān)的工作原理。碰撞開關(guān)是最常用的接觸式測障傳感器，它完全依靠內(nèi)部的機械結(jié)構(gòu)來完成電路的通和斷。當(dāng)碰撞開關(guān)的外部探測臂受到碰撞，探測臂受力下壓，帶動碰撞開關(guān)內(nèi)部的簧片撥動，從而電路的導(dǎo)通狀態(tài)發(fā)生改變。在組裝電路時，用鋼絲做兩根觸須，一左一右各連接到碰撞開關(guān)上，分別控制兩個車輪的運動方向。小車的轉(zhuǎn)向由改變車輪的運動方向來實現(xiàn)。當(dāng)沒有障礙物時，觸須沒有被擠壓，不觸發(fā)碰撞開關(guān)，碰撞開關(guān)默認通路，給電機提供一個"正方向"的電流，電機按"順時針方向"運動。當(dāng)有障礙物時，觸須被擠壓，觸發(fā)碰撞開關(guān)，碰撞開關(guān)斷開默認通路，連接另外的一組通路，給電機提供"反方向"的電流，于是電機按"逆時針方向"運動。最后，學(xué)生通過親自動手實驗，解決小車碰撞轉(zhuǎn)彎的問題。

2.小組合作，協(xié)同學(xué)習(xí)

在教學(xué)過程中采用"小組合作，協(xié)同學(xué)習(xí)"的模式進行，為學(xué)生創(chuàng)造了互相認識、相互交流、相互了解的機會，整個過程注重學(xué)生在課堂上的積極參與和小組合作。在每個模塊教學(xué)后，教師都安排了小組比賽，旨在通過比賽，提高學(xué)生的競爭意識，使教學(xué)活動更加生動有趣。

八、教學(xué)評價

本課例的組合靈活生動，教師可以根據(jù)學(xué)生水平開展教學(xué)活動。模塊一和模塊二適合大多數(shù)學(xué)生學(xué)習(xí)，他們對于自己能完成一個小車有非常高的成就感。模塊三和模塊四，為課程的進一步拓展，適合有興趣的學(xué)生拓展學(xué)習(xí)。每個模塊也可以單獨處理教學(xué)，有非常高的教學(xué)靈活度。

[參考文獻]

[1]王旭卿.面向STEM教育的創(chuàng)客教育模式研究[J].中國電化教育，2015，8：36-41.

[2]教育部關(guān)于印發(fā)《教育信息化"十三五"規(guī)劃》的通知.中華人民共和國教育部.教技〔2016〕2號.

[3]程晨.米思齊實戰(zhàn)手冊Arduino圖形化編程指南[M].北京：人民郵電出版社，2017.

[4]謝作如，張祿.Arduino創(chuàng)意機器人入門[M].北京：人民郵電出版社，2016.

[5]黃文愷，伍馮潔，吳羽.3D建模與3D打印快速入門[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2016.

作者簡介：馮潔卿，廣東省廣州市南沙第一中學(xué)，高級教師;羅啟龍，廣東省廣州市南沙第一中學(xué)，中級教師。

本文為南沙區(qū)教育科學(xué)"十三五"規(guī)劃2018年度課題"基于互動媒體技術(shù)的STEM校本課程的開發(fā)和實踐研究"（課題號：NSKY2018003）、廣州市中小學(xué)綜合實踐活動學(xué)科2018年度"學(xué)《綱要》，推課程"專項課題"基于互動藝術(shù)設(shè)計的STEM創(chuàng)新教育課程資源的開發(fā)與實踐研究"（課題號：2018zhsj071）的課題研究成果。