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小学高年级基于Arduino平台的机器人教学

范文

张舒驰

机器人教育作为一门集实践性、创新性、发展性于一身的课程，近年来已逐渐走进了小学信息技术的课堂，成为培养小学生信息素养不可或缺的重要一环。笔者所在学校针对学生实际情况与硬件条件，开展了高年级机器人教学的一系列研究，摸索出一套适合教师的课程内容与教学模式，从而提升了学生数字化学习与创新能力，促进了学生信息素养的全面提升。

小學高年级信息技术教学现状

1.学生能力与水平差异较大

通过抽样调查发现，小学高年级阶段学生在信息素养与实际应用方面，存在着比较大的差异，特别是在机器人技术、物联网技术、人工智能等模块，在要求学生实际运用与解决问题的能力上，呈现出两级分化的态势。

2.信息技术教师专业化程度不高

在强调核心素质培养的今天，教师的专业素养尤为重要，其教学水平直接影响学生的学习效果，因此提高教师的水平和素质是教师专业发展的根本。但笔者所在区域在信息技术授课教师的配置上，存在着兼职与专职并存，甚至没有专职信息技术教师的情况。

3.场地与实验设备配备不均衡

机器人教学需要有相对独立的活动空间进行项目测试与仪器设备的存放，但在机器人仪器设备的配置上，绝大多数学校的机器人为专业的竞赛机器人，缺乏适用于日常教学的普及化机器人相关设备。

4.高年级课程本地化程度不足

学校在高年级信息技术课程教学内容的安排上，基本上是以教科书为主，多数教师也照本宣科，播放教学光盘中的视频。通过让学生上网查询和自学书本内容的方式，无论是学习的效果，还是对学生信息素养与能力的培养，都不尽如人意。

软硬件的部署与准备

1.硬件器材的准备方案

高年级机器人教学模块需要使用的器材除了基本的Arduino主控板外，还涉及各类传感器、执行器、连接线等，所有产品均为开源硬件与通用电子设备，学校可借助各类网购平台或者定点厂家集中采购。为满足教师日常教学的需求，笔者所在学校根据实践，整理出常用的硬件设备（如下页表）。整套器材只需一个小号收纳盒即可存放，可以供3～4人的学习小组使用。

2.软件平台与安装

Arduino官方推荐Arduino IDE作为软件编辑环境。学生搭建的机器人是通过代码执行来完成一项项任务的，两者缺一不可。但官方平台是一种纯文本的编程环境，对于不具备这类编程技能的小学生来说上手难度较高，教师难以开展日常教学。Mixly（米思奇）是一款免费的图形化编程平台，该平台支持大部分Arduino型号。它使用积木块代替了复杂的文本操作，为学生的快速入门奠定了良好的基础，对于已经系统学习过图形化编程内容的学生来说，可以很轻松地上手。

教师可下载Mixly_WIN.7z压缩包，解压到本地磁盘。第一次解压的软件只含有最基础的文件，不能直接运行。需要先运行“一键更新.bat”或“update.bat”下载最新版的Mixly软件。等待片刻后，会显示更新进度。当看到提示“Mixly更新完成”时，说明软件下载完毕。更新完成后，双击Mixly.exe打开Mixly软件即可进行程序的编写与上传。

项目化课程设计建议

根据高年级教材中的机器人教学内容，要在一学期实现所有项目的制作，是比较困难的。因此，笔者所在学校选择具有代表性的内容进行项目化整合与改编，注重学生活动的参与度与课程实施的有效性，将项目缩减为3个，每个项目再细分为初、中、高难度的子项目，由浅入深，由基础到提高。具体项目安排如下。

1.“发光的机器人”项目

灯是日常生活中最常见的电器，学会怎样用Arduino控制LED的打开与关闭，是学习机器人技术最常见的一种途径。通过项目一的教学，让学生了解LED的基本应用，如手机、电筒及各类照明设备的控制原理。

项目一主要目标是让学生熟悉Arduino硬件设备，掌握Mixly软件平台编程的基本操作。涉及的主要器材有Arduino控制器、LED模块、数据线、光线传感器。具体教学内容可分为：①点亮一盏LED;②闪烁的LED;③光控LED。

2.“让机器人动起来”项目

机器人是具有高度灵活性的自动化机器，具备一些人或者与其他生物相似的能力，可以实现诸如搬运、救援、家务类的任务，成为人类生活与工作的好帮手。

项目二的主要目标是让学生了解并掌握直流电机与数字舵机的工作原理，结合传感器搭建一个可以移动并执行具体任务的机器人。涉及的主要器材有Arduino控制器、直流电机、风扇、数字舵机、火焰传感器等。具体教学内容可分为：①声控机械臂;②灭火机器人;③扫地机器人。

3.“机器人真聪明”项目

机器人运用了计算机技术，具备像人一样的感官能力，而且能够独立思考、独立工作。衡量一个机器人智能化程度，可以从其解决问题的方式与效率上判断出来。

项目三选择了机器人教学中的两个经典案例——超声波避障与巡线运动，让学生掌握机器人躲避障碍与巡线运动的原理并搭建出一个具备上述功能的机器人。涉及的主要器材有Arduino控制器、直流电机、超声波传感器、灰度传感器等。具体教学内容分为：①避障机器人;②巡线机器人;③综合创意机器人。

基于Arduino的课堂教学实践

1.选用合适的教学方法

在机器人教学模块中，如果不具备开展实际操作的条件，可以运用演示法教学。教师要精选演示内容，通过演示的方式展示机器人的工作原理与实际效果，要注重演示结合讲解，如果学生知识不丰富，观察能力不强，教师要通过简明的指导语引导他们观察与思考。

在机器人技术教学中，以游戏或者比赛的形式为载体，可以极大地激发学生的学习兴趣与创作欲望。利用学生的好胜心、自尊心，组织学生参与竞争型游戏或比赛，能更好地激发学生的竞争意识，调动学习积极性。

2.尝试项目化教学模式

项目式学习（PBL）通常是在一个学习小组中进行，学生们在这个小组中有各自的角色，而这个角色会不断輪换，在项目式学习中学生的学习是通过自己的思考和推理来实现的。教师的角色是通过支持、建议和指导来帮助学生们更好地学习，并且在必要时拓展他们对问题的理解。学生对机器人技术的项目化学习可按照以下流程展开。

（1）提出项目问题。在项目学习的开始，教师提出问题：机器人有哪些独一无二的特点？生活中哪些地方运用到了机器人技术？鼓励学生以小组为单位提出自己的问题，并将其列在清单上，这些问题要具有真实性和一定的挑战性。

（2）制订项目方案。小组成员在组长的带领下，完成项目方案的制订。方案需要通过组内讨论形式决定项目主题、人员分工、所需器材等，教师在学生初次制订方案时及时指导，帮助有困难的学生找到自己合适的定位。

（3）解决实际问题。这是具体操作的环节，组内成员根据先前的分工，实现各个模块的组装搭建、程序编写、调试运行。这对学生的协作能力与个人能力是一个比较大的考验。组员要从功能实现、美观程度、程序结构等方面通盘考虑，完成作品的制作。

（4）评价与反思。作品完成后，以小组为单位进行作品演示，要让每一位成员都有展示自己的机会。通过演示文稿汇报设计思路与成员分工，通过现场运行展示机器人的功能，其他小组的学生可以在这个过程中学习他人的创意与优点，同时发现自己小组的不足，以便后期对作品进行升级与优化。这一步主要以学生互评为主，教师评价为辅，让学生充分体会到团队归属感与成功的喜悦。

3.关注学习过程中产生的“无用”

在信息技术课堂教学中，有时会看到学生制作出一些“瞎闹”“无聊”的东西，可是学生乐在其中，一个“优秀”的作品往往就是因为加入了这些“副产品”，才显得出类拔萃。作为教师，遇到这样的情况，千万不要一味否定，要引导学生钻研下去，将自己的这些发现与创意保留下来，在不久的将来发挥出它应有的价值。

有用还是没用，时间会给出答案，因为教育是面向未来的。真正的学习应该去功利化，用课程内容去吸引学生。正如我们面对美食的时候，总是先受到色、香、味的吸引，而不是先研究各种维生素的比例。一旦人的饮食纯粹为了补充营养、维持生命，生命就毫无乐趣可言。学习也是如此，机器人教育也要关注“无用”的学习，关注个性化的创造过程。

综上所述，借助Arduino平台在高年级信息技术课上开展机器人教学，并选择合适的课程内容与教学方法，让学生体验到程序设计、机器人搭建与团队合作的快乐，对培养和提高他们的信息素养、合作能力、动手能力都有着重要的意义。

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