STEAM教育理念下的小学机器人课程教学实践研究

STEAM教育理念下的小学机器人课程教学实践研究

作者：刘恩霞翟希元孙站英

来源：《新课程·小学》2019年第10期

摘要：机器人教育是今后信息技术学科教育的主要阵地，是全面培养学生信息素质提高其创新精神和综合实践能力的良好平台。开源机器入是一种应用于科学研究和教学的资源开型机器入，其主要特点体现在机器人硬件或软件的开放性，由于硬件和软件的对外开放而得以在教学中推广使用。近年来STEAM教育理念日渐成熟，为培养学生的全新精神提供了有效途径，基于STEAM育理念，借助STEAM模式开展小学开源机器人课程的学习实践与研究，以Arduino Nano单片机与超声波传等传感器设计的智能浇花机器人为典型案例，为机器人教育提供一次有意义的探索。

关键词：机器人;STEAM;Arduino开源硬件

一、引言

人工智能正向我们走来，机器人是人工智能的一个载体，我们所居住的环境中出现了无人环卫车、无人公交车，这正是机器人在生活中的真实应用。机器人的研发目的不正是如此吗？STEAM教育要求以科学的态度认知事物，以数学为基础，从工程和艺术的角度解读科学和技术，以跨学科的理念将不同类型的学科融合，为当代社会的进步提供优秀人才支持。

机器人是一个综合了机械原理、电子传感器、计算机硬件及人工智能等众多行进技术多学科的研究领域。开源机器人（open Source Robot）是一种应用于科学研究和教学的资源开放型机器人。其主要特点体现为机器人硬件或软件的开放性。由于硬件和软件资源的对外开放，极大地方便了机器人技术的交流及二次开发，学生可以根据自己设计自主搭建、自主编写代码，充分发挥其乐于创造的天性，因此，开源机器人备受师生的推崇。教育机器人在国内尚处于起步阶段，缺少课程标准与教学专家的参与和指导。

本文基于为机器人课堂注入更多创造力、更多批判性、可持续性的元动力，以项目式学习为依托，以小学Arduino开源硬件课程设计与实践为主要内容进行研究，以期为开源硬件教育的进一步实践提供参考。

二、相关概念

（一）Arduino开源硬件

Arduino是一款简单易用、便于上手的开源电子原型平台，包含硬件部分（各种符合Arduino规范的开发板）和软件部分（Arduino IDE和相关的开发包）。硬件部分（或称开发板）由微控制器（MCU）、闪存（Flash）以及一组通用输入/輸出接口（GPIO）等构成，你可以将它理解为是一块微型电脑主板。

软件部分则主要由PC端的Arduino IDE以及相关的板级支持包（BsP）和丰富的第三方函数库组成。使用者可以借由Arduino IDE轻松地下载你所持有的开发板相关的BSP和需要的函数库，用于编写你的程序。Arduino IDE是一个基于C语言的编程环境，通过程序的编写、上传控制Arduino硬件，控制多种传感器、伺服马达等零件，完成自动控制，但C语言的编程环境对编程者要求较高，随后Arduino官方平台开发了基于图形化编程的Ardublock（图1），北京师范大学基于Goolge的Blockly图形化编程软件开发了Mixlv（图2），Citilab和Smalhalk 团队在图形化编程软件Scratch的基础上改版推出了Scratch for Arduino（图3），动力猫公司基于Scratch3.0图形化编程软件开发了Scraino（图2），这些图形软件各有千秋，使Arduino 编程门槛降低，使其得以走进小学课堂教学，促进了Arduino开源平台在教学中的广泛使用。

（二）STEAM教育

STEAMEducaion是科学（Science），技术（Technology），工程（Engineering），艺术（Arts），数学（Mathematics）五个首字母的简称。STEAM教育就是集科学、技术、工程、艺术、数学为一体的，多学科、跨学科、多元化智能融合的教育理念。STEAM教育在国外叫做STEM，因部分学者主张认为STEM只是“理工科”的学习，但它又不仅仅只包含理工科的知识。还有艺术、人文、社会、情感等学科的融入，所以应该加上一个A，即艺术（Arts），故而STEM变成了STEAM。STEAM教育要求以科学的态度认知事物，以数学为基础，从工程和艺术的角度解读科学和技术，以跨学科的理念将不同类型的学科融合。

STEAM教育要求学习者基于问题的学习、基于探索式的学习、基于项目式的学习、基于情景式的学习。

STEAM教育要求教育者拥有多学科、跨学科、综合性、多面性的知识，以趣味性、游戏性的教学方式去设计和开发STEAM课程。

教师需要合理安排教学过程，即如何让学生发现问题;如何设计解读问题的方法;如何利用科学、技术、工程、数学、艺术等知识解决问题;如何运用理性方法验证解决效果。

本机器人项目按照：确定主题—功能目标设定一资源储备—项目设计一多元评价的流程进行实践。

三、STEAM教育理念下的小学机器人课程教学实践研究

（一）确定实践项目主题

STEAM教学强调知识整合能力，强调培养解决实际问题的能力，强调培养学生的动手能力，项目主题的确定关系到项目活动能否顺利进行，一个贴近生活，富有挑战性的主题既能激发学生兴趣，又能让学生利用已有知识储备探究新知。项目主题的来源既可以是课程标准、日常生活，又可以是社会和国家的重大事件。选题原则：一是生活性。吸引学生参与项目之中，创造性地开展学习实践。二是学科综合性。让学生综合应用多学科知识发现问题、解决问题，得到跨学科知识应用的能力。三是复杂性。具有一定复杂性能，融合多学科知识，唤起学生已有知识经验。四是实践性。让学生在创新实践中提升对知识的应用能力和问题解决能力。

由于社团的学生受个人能力及第一次参与这样的主题活动没有经验的限制，我和同学们共同进行了此次活动的选题。

随着生活质量的提高，越来越多的人喜欢在家里种植一些花卉，既能增加美感，又能净化空气。但随着现代生活节奏的加快，人们因为出差、旅行、工作忙碌等种种原因而不能及时地为家中的盆栽及时地补充水分，从而导致盆栽因为缺水而枯萎。为了解决这一问题，同学们确定了设计制作智能浇花机器人的主题。

（二）功能目标界定

从主题出发将分散的学科知识进行整合以界定功能目标。首先，让学生进行调研分析目前网络上展示的各种浇花装置的优缺点，学生认为现有的浇花装置处于静态模式，不能移动浇水，因此，学生创造性地提出以移动小车为平台进行浇水作业。其次，让学生讨论研究浇花的次数，经学生讨论认为目前先实现浇一盆比较合理。最后，让学生探讨哪些Arduino传感器和元件可以实现智能浇花小车的功能。

经过同学们的研究将此项目在设计上分为四部分：启动装置、寻迹部分，浇水部分，浇水结束。

当花盘中的土壤传感器的湿度达到一定值时，通过蓝牙通信启动装置;寻迹部分又分为初步检测花盆位置，行进中检测花盆位置，进入花盆近距检测时进一步精确花盆位置，以确定合适的浇水位置停止行进;通过水泵进行浇水操作;当土壤传感器达到一定值时再次通过蓝牙通信停止抽水作业，机器人退回，浇水结束。

（三）资源储备

资源是批支持学习者完成项目的工具或材料，项目的主要资源集中在创客教室内。Arduino开源硬件资源主要可以分类两类：技术类资源、辅助类资源。