小學(xué)高年級開源機器人課程教學(xué)設(shè)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(qū)教師發(fā)展中心

2022年4月頒布的《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”），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(xiàn)了“科”與“技”并重，課程名稱的改變體現(xiàn)了教育思維的重大變革，在教學(xué)方式上以真實問題或項目驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生認識原理,學(xué)會利用算法思維思考，最終能夠運用數(shù)字化工具解決問題。在教學(xué)中注重鼓勵學(xué)生“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”，在課程教學(xué)設(shè)計中要注重科學(xué)原理的介紹，但也不能忽視技能的學(xué)習(xí)。因此，筆者基于新課標(biāo)的課程理念開展了小學(xué)高年級開源機器人課程教學(xué)設(shè)計與實踐。

● 小學(xué)高年級開源機器人課程教學(xué)理念

1.注重創(chuàng)設(shè)真實情境

新課標(biāo)課程理念第4條倡導(dǎo)真實性學(xué)習(xí)提到“創(chuàng)新教學(xué)方式”，以真實問題或項目驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷原理運用過程、計算思維過程和數(shù)字化工具應(yīng)用過程，建構(gòu)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(xué)生的生活實際，用學(xué)生的親身經(jīng)歷引發(fā)思考，并能將生活中的問題解決方法遷移到設(shè)計開源機器人解決問題的過程中。

2.在機器人完成任務(wù)的過程中“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”

新課標(biāo)課程理念第4條倡導(dǎo)真實性學(xué)習(xí)中提到“鼓勵‘做中學(xué)’‘用中學(xué)’‘創(chuàng)中學(xué)’”。在機器人課程中，編程需要在現(xiàn)實世界實現(xiàn)，在硬件設(shè)備的使用和連接中，需要了解硬件設(shè)備的屬性，如電壓、接口、引腳、如何讀取設(shè)備的數(shù)值、確定設(shè)備的闕值等。在使用傳感器、舵機等配件來進行任務(wù)設(shè)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(shè)備解決當(dāng)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(xué)生在嘗試、使用、實驗、調(diào)整、調(diào)試的過程中必須經(jīng)歷失敗的體驗、調(diào)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(biāo)課程目標(biāo)中計算思維學(xué)段目標(biāo)第三學(xué)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(huán)三種基本控制結(jié)構(gòu)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(xué)生理解程序設(shè)計中的變量、程序結(jié)構(gòu)等概念，學(xué)會創(chuàng)建和運用變量實現(xiàn)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(shè)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(biāo)課程理念第3條遴選科學(xué)原理和實踐應(yīng)用并重的課程內(nèi)容提到“從信息科技實踐應(yīng)用出發(fā)，注重幫助學(xué)生理解基本概念和基本原理”“體現(xiàn)科與技并重”。信息技術(shù)注重技能操作，是工具的學(xué)習(xí)和掌握，對于如何運用計算機科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，通過科學(xué)原理的了解和學(xué)習(xí)創(chuàng)新性地解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力，技術(shù)的學(xué)習(xí)是遠遠達不到的。課程對學(xué)生信息素養(yǎng)的培養(yǎng)重點必須由掌握學(xué)科知識和工具應(yīng)用轉(zhuǎn)變?yōu)榱私饪茖W(xué)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(wù)，讓學(xué)生在知識、技能的實踐中體會工具的使用、傳感器的應(yīng)用，從而深入理解相關(guān)電子元器件的科學(xué)原理。

● 《智能升降病床》教學(xué)設(shè)計與實踐

1.在導(dǎo)入環(huán)節(jié)創(chuàng)設(shè)真實問題情境，培養(yǎng)學(xué)生的信息意識

在課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)，出示兩位學(xué)生的對話。小藝：“班長，上周末我們到社區(qū)敬老院活動，爺爺奶奶們可開心了。”班長：“現(xiàn)在生活條件好了，爺爺奶奶們吃穿不愁，就想提高生活質(zhì)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(shè)計一款智能升降病床吧！”通過對話將學(xué)生帶入到真實的生活情境中，為了設(shè)計出符合病人要求的智能升降病床，學(xué)生通過換位思考提出問題：傳統(tǒng)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(jīng)過調(diào)研、思考、討論，學(xué)生發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的醫(yī)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(diào)節(jié)，這種方式需要精準(zhǔn)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(xué)生充分思考和探究后，請他們完成設(shè)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(xué)生填寫的智能升降病床功能設(shè)計表格。

在真實的問題情境中，學(xué)生能夠迅速開展場景分析，結(jié)合自己的生活經(jīng)驗和自身體驗的感悟，發(fā)現(xiàn)問題，提出問題，思考解決問題的方法。根據(jù)實際需求開發(fā)的功能讓學(xué)生實現(xiàn)了“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”，學(xué)生的信息意識在項目的創(chuàng)新開發(fā)中得到了很好的培養(yǎng)。

2.繪制流程圖初步解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維

在新授環(huán)節(jié)，首先讓學(xué)生描述了智能升降病床的實現(xiàn)目標(biāo)，然后通過具體任務(wù)分解問題解決過程，最后讓學(xué)生繪制程序流程圖，借助統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)符號描述程序運行的具體步驟，幫助學(xué)生理清解決問題的思路，輔助程序的編寫。

（1）任務(wù)發(fā)布。任務(wù)描述：制作智能升降病床，實現(xiàn)用主板傾斜方向來控制舵機旋轉(zhuǎn)的角度，從而實現(xiàn)病床升降。

（2）具體任務(wù)。可以分為兩個部分：①當(dāng)開機時，初始化。②向左傾斜，舵機旋轉(zhuǎn)到120度；向右傾斜，舵機旋轉(zhuǎn)到150度；屏幕朝上，舵機旋轉(zhuǎn)到180度；屏幕朝下，舵機旋轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)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(xiàn)機器人操作，培養(yǎng)學(xué)生合作與探究的能力

根據(jù)程序流程圖，學(xué)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(xué)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(zhǔn)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(xiàn)自動感應(yīng)。在了解了相關(guān)電子元器件的基本屬性后，學(xué)生進行程序的編寫,并正確連接電路（如圖2）。

在將程序結(jié)合硬件實現(xiàn)設(shè)計方案的過程中，學(xué)生合作解決連接電路和調(diào)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(xué)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(xué)生對這兩個專業(yè)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(yīng)用，學(xué)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(biāo)朝上、徽標(biāo)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(guān)數(shù)據(jù)，可以用在計步器、運動手環(huán)、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(jù)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(diào)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(xiàn)大扭力的輸出。可調(diào)電位器將旋轉(zhuǎn)的數(shù)值反饋到主控板上，實現(xiàn)角度的控制。白色塑料板是舵柄，用來旋轉(zhuǎn)角度和定位。

5.通過反思交流創(chuàng)新，對作品進行完善和迭代

在功能實現(xiàn)后，學(xué)生需要進行外觀設(shè)計，思考如何將功能在應(yīng)用場景中實現(xiàn)。學(xué)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(chuàng)新思維活動。

● 結(jié)束語

基于新課標(biāo)課程理念的開源機器人課程教學(xué)設(shè)計與實踐，從學(xué)生已有的認知結(jié)構(gòu)、生活經(jīng)驗和學(xué)習(xí)環(huán)境出發(fā)創(chuàng)設(shè)，以通過機器人實現(xiàn)一個個項目任務(wù)的問題為線索，激發(fā)學(xué)生的思考和對算法的學(xué)習(xí)運用，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題、解決問題，并創(chuàng)新問題，在此過程中深入理解科學(xué)原理，形成自主學(xué)習(xí)、合作探究的能力，全面提升學(xué)生的信息素養(yǎng)。