基于开源硬件Arduino的小学机器人微型课程内容设计

基于开源硬件Arduino的小学机器人微型课程内容设计
培养学生的创新能力是新课程的重要理念，机器人教学是培养学生创新能力的环节之一。

目前，机器人教育在我国正处于起步阶段，越来越受到各级教育部门和学校的重视，各级各类机器人竞赛层出不穷。

机器人教育大有推广普及之势。

然而，现在很多学校的机器人教育却处于十分尴尬的境地。

一方面，机器人课程并未列入常规教学，大多以竞赛为导向，以课外小组等方式开展，缺少较为完善的课程体系，普及面十分狭窄。

另一方面，机器人硬件设备无统一标准，各品牌机器人设备之间无法兼容，而且价格高昂。

此外，机器人厂商出于对技术的保护不公开机器人设备的技术细节，学生只能在厂商提供的若干种功能模块中进行学习，不利于创新能力的培养。

探寻一种开放的机器人硬件并设计出适应学生学习特点的机器人课程成为机器人教育普及的突破口。

一、开源硬件与Arduino机器人
开源硬件是继承开源软件的思想开发的。

开源硬件的开发者将硬件所有资料公开，包括原理图、零件列表等，任何人或组织都可以使用这些资料。

Arduino 是一种应用广泛的开源硬件，包括一个单片机开发板和软件开发系统。

使用Arduino可以制作出各种各样的电子创意作品，制作机器人是其中一个重要应用方向。

利用Arduino制作的机器人统称为Arduino机器人。

Arduino机器人具有以下优点：
1.技术资料公开
得益于开源思想，Arduino的技术资料全部公开，任何人都可以获得Arduino 的技术细节。

开源对于知识的传播有很大的帮助作用。

2.软件系统易于学习
Arduino的开发目的是供非单片机专业人士使用，使用它不需要学习单片机语言。

Arduino的软件系统使用的是初学者也能很容易掌握的编程环境，并且可以选择图形化编程界面，小学生也能轻松掌握编程工具的使用方法。

3.参考资源十分丰富
Arduino用户非常多而且很活跃，在网络上能够找到使用Arduino制作的各种机器人的资料，这对于拓展思路、培养创新精神十分有益。

4.硬件价格低廉
制作和销售Arduino硬件的厂商非常多，相对于非开源的硬件，Arduino的性价比非常高。

此外，可以通过自制硬件的方法进一步降低机器人造价，同时还锻炼了动手能力。

二、Arduino小学机器人微型课程设计理念
1.以微型课程为课程开发方式
依照我国三级课程管理体系，机器人课程可以利用“校本课程”的方式加入学校课程。

在校本课程的开发方式中，微型课程的开发方式比较符合机器人课程的特点。

微型课程又称为短期课程或课程单元，它是由一系列半独立的单元组成的。

微型课程的特点是持续时间短，课程单元具有半独立性，规模容量小，对新知识、新思想等吸纳节奏快。

机器人技术发展很快，无论是软件还是硬件更新换代速度很快，需要经常性地对课程内容进行调整和修改，而且机器人课程独立性较高，对常规信息技术课程的依赖比较少，这些都符合微型课程的特点。

另外，微型课
程的校本性特征与笔者意图开设该校本性机器人课程也相符合。

2.以兴趣培养为课程设计目的
机器人课程是一门涵盖机械、传感器、程序设计等技术的综合性课程。

《中小学机器人课程指导纲要》指出，机器人课程要立足于科学与技术素养的培养，注重拓展学生的知识面，开发学生的创造性潜能；小学阶段机器人课程的主要任务是让学生体验机器人，培养对机器人的兴趣。

3.以发展创新能力为理想追求
基于Arduino开源硬件的小学机器人微型课程选取生动有趣的机器人制作项目，各学习模块相对独立，在整体上又统一关联。

学生通过动手制作机器人，在做中玩，在做中学，了解机器人的基本知识，体验设计的思想，使学生在学习上既能够及时体验到成功感，又能够经历较为完整的机器人从设计到制作的整个过程，引领学生体验技术创新的价值，培养学生追求创新的精神，实现教师发展学生创新能力的教育理想追求。

三、Arduino小学机器人微型课程目标设计
课程教学目标主要是在知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观3个纬度上制定。

鉴于小学阶段主要培养学生对机器人的学习兴趣，在目标设定上，知识目标的难度要求较低，主要侧重于技能和情感态度目标。

1.知识目标
初步了解机器人和Arduino的起源、现状与发展方向；了解机器人的结构组成、基本原理和机器人传感器；了解并掌握Arduino机器人简单编程和程序调试方法。

2.技能目标
通过使用Arduino制作机器人、编写Arduino机器人程序，体会机器人的工作过程，初步养成综合运用知识技能的能力。

3.情感态度目标
养成进一步学习、研究机器人的兴趣，提高创新意识和创新精神，逐步形成合作意识和协作精神。

四、Arduino小学机器人微型课程内容设计
课程内容包括基础知识、传感器运用、机器人主题设计三部分。

这些内容的载体是Arduino机器人的硬件及程序开发平台。

除前两课外，其余6课均涉及机器人机械组装、电子零件连接、程序编写。

学生在各模块的学习中，通过任务驱动或项目导向的学习模式，完成机器人设计、制作、编程、调试的过程。

微型课程内容具体安排见表1。

表1 Arduino小学机器人微型课程内容设计
1.基础知识
学生在学习机器人课程之前，对机器人的了解仅限于电影、电视和书籍中对机器人的描绘。

通过这一模块的学习，学生可以初步了解机器人的来历和发展，掌握Arduino机器人程序编写和下载的一般步骤，为后面的学习做准备。

第1课《有趣的机器人》。

学生通过观看视频和网页，了解机器人的历史，亲手启动机器人并观察机器人的运行情况，消除机器人的神秘感。

第2课《连通机器人大脑》。

学习安装Arduino主控板的驱动程序，初步了解Arduino主控板数字端口的输出控制，使用图形化编程工具编写程序控制第13数字端口LED的亮灭。

第3课《交通灯机器人》。

初步认识LED和电阻，学会连接LED到Arduino主控板的数字端口，会使用循环编写程序控制红、绿两个
LED的亮与灭，设计制作交通灯机器人的外形并将LED安装到机器人身上。

2.传感器与执行器
学生通过对传感器和执行器的学习，初步了解机器人的工作过程。

第4课《机器人台灯》。

认识按钮开关，能够把按钮开关连接到Arduino主控板的数字接口，会读取数字端口的状态并控制LED的开关，会制作机器人台灯外形并安装LED。

第5课《升旗机器人》。

认识晶体三极管、减速电机，会连接三极管、减速电机到Arduino主控板的数字端口，能够编写程序控制减速电机的运转和停止，会使用滑轮和拉线连接减速电机与旗帜。

第6课《音乐机器人》。

认识扬声器及其连接方式，能够编写程序控制扬声器发出音乐声。

第7课《防撞机器人》。

认识超声波传感器及其连接方式，能够编写程序读取超声波传感器的数值并控制扬声器的响声。

3.机器人主题设计
本模块是综合创作活动。

通过前面的学习，学生初步掌握了传感器、执行器的使用以及程序的编写和下载。

本节以机器人赛跑为主题，让学生设计机器人的机械传动机构，利用超声波传感器探测终点位置，使用Arduino主控板控制机器人的运行。

通过竞赛的形式让学生参与一系列的机器人制作任务，激发学生对机器人的学习兴趣，开放性的制作任务培养学生的创新精神。

五、结束语
本课程内容设计趣味性较高，实践证明，符合小学生的年龄特点。

对于硬件的需求不高，经费投入低，有利于机器人教育的普及。

参考文献
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