基于Arduino開源硬件的機器人課程資源開發(fā)與研究

易向東

摘要：機器人課程是一門涉及多個學(xué)科知識的綜合性實踐課程。隨著基礎(chǔ)教育新課程改革的不斷深入實施，我國中小學(xué)機器人教育有了較快發(fā)展，但是機器人課程資源的研究還很少，該文闡述了基于Arduino開源硬件的機器人課程資源的開發(fā)，對機器人課程的課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、教材開發(fā)、課程實施以及教學(xué)器材等方面進行了研究。

關(guān)鍵詞：Arduino 機器人 課程資源 中小學(xué)

中圖分類號：G62 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）11（a）-0070-02

Development and Research of Robot Course Resources Based on Arduino Open Source Hardware

YI Xiangdong

（Dept. of Physics and Information Engineering，Guangdong University of Education，Guangzhou Guangdong，510303，China）

Abstract：Robot course is a comprehensive practical course which involves a number of subjects. With the deepening of the implementation of the new curriculum reform of basic education in primary and middle schools in China， Robotics Education has been developing rapidly， but there has been little research robot curriculum resources， this paper expounds the development of robot curriculum resources Arduino open source hardware based on robot， curriculum goal， curriculum content， curriculum implementation and the development of teaching materials， teaching equipment etc. aspects of the study.

Key Words：Arduino；Robot；Course resources；Primary and middle school

當(dāng)今社會機器人教育越來越受人重視，國家的各種政策支持更是為機器人教育的普及提供了新的契機。但是，目前用于機器人教育的開發(fā)平臺種類繁多，質(zhì)量參差不齊，而且各種機器人平臺之間無法兼容，開放性較低，機器人的課程資源不完善。由于Arduino開源硬件的機器人產(chǎn)品的開放程度高，價格低廉，編程方便。因此，開發(fā)配套的Arduino機器人課程資源有著重大的現(xiàn)實意義。

1 Arduino機器人的特點

Arduino是一個基于單片機并且開放源碼的計算機平臺，和一套為Arduino板編寫程序的開發(fā)環(huán)境組成[1]。Arduino機器人相比于同類的教育機器人的優(yōu)點主要有以下幾個方面。

1.1 開放性

Arduino機器人作為一款開源的機器人產(chǎn)品，它的硬件和軟件的開放性讓其能極好地應(yīng)用在科學(xué)研究和教學(xué)上。

1.2 廉價

Arduino機器人的價格相比較同類的教育機器人來說價格優(yōu)勢相當(dāng)明顯，例如樂高機器人的一套最低配置的價格也需要2 000元起，而同樣功能的Arduino機器人的教學(xué)套件大概需要五六百元左右。

1.3 容易搭建教學(xué)環(huán)境

Arduino機器人可以利用學(xué)校的計算機室進行教學(xué)活動，不需要設(shè)計專門實驗室或者興趣活動中心。

1.4 編程軟件

分為文本式的編程環(huán)境和圖形化積木式的編程環(huán)境，可以方便學(xué)生理解。

2 Arduino機器人課程資源的開發(fā)

2.1 課程性質(zhì)和理念

Arduino機器人設(shè)計是通過老師講授、學(xué)生小組實踐等方法鍛煉學(xué)生創(chuàng)新能力、協(xié)作能力、解決實際問題能力的課程，課程理念遵循STEM科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四位一體的理念[2]，力求通過此課程讓學(xué)生將所學(xué)的眾多科學(xué)類學(xué)科知識融會貫通，綜合應(yīng)用。它的科學(xué)性、實踐性、綜合性、創(chuàng)新性對學(xué)生的綜合能力培養(yǎng)有很大的幫助。

2.2 課程目標(biāo)

Arduino機器人課程總體目標(biāo)是通過Arduino機器人課程讓學(xué)生對機器人的開發(fā)有所了解，并建立學(xué)習(xí)興趣，從而在學(xué)習(xí)過程中鍛煉他們的創(chuàng)新能力、合作能力、解決問題的能力[3]，培養(yǎng)學(xué)生動手動腦獨立思考的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

2.3 課程內(nèi)容

通過對Arduino機器人課程的研究，設(shè)計出的課程內(nèi)容主要包括Arduino機器人元件的應(yīng)用和智能小車的設(shè)計[2]。通過Arduino機器人各類元件的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生逐步掌握機器人編程方法、搭建思路、多個元件配合使用方法等，為Arduino機器人小車課程的開展打下基礎(chǔ)，讓學(xué)生將所學(xué)知識帶入生活提高創(chuàng)新能力。具體課程內(nèi)容如表1所示。

2.4 教材編寫

Arduino機器人教材編寫要充分理解Arduino機器人課程性質(zhì)與理念，明確把握課程目標(biāo)，把培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)融入進教材中，充分發(fā)揮Arduino開源教育機器人的特點和優(yōu)勢，給出以下幾點體會。

2.4.1 編程平臺的選擇

在編寫Arduino機器人教材時所選用的編程平臺應(yīng)該選擇圖形化的編程平臺。首次接觸機器人課程，編程也是零基礎(chǔ)。中小學(xué)生的邏輯思維能力正在以形象的思維能力向抽象的思維能力過渡，不宜過早接觸文本化的編程平臺。

2.4.2 以中小學(xué)生的視角解釋Arduino機器人

編寫教材時應(yīng)以中小學(xué)生的視角去解釋Arduino機器人的結(jié)構(gòu)和功能，將各種傳感器的功能和人體器官的功能進行對照講解等，各種元件的作用原理需要相應(yīng)地簡化，不要太過復(fù)雜[3]。

2.5 課程實施建議

開展Arduino機器人課程時要注意顯性課程資源與隱性課程資源的結(jié)合應(yīng)用，多總結(jié)利用課堂生成性課程資源，激發(fā)課堂活力，潛移默化地改變學(xué)生的身心發(fā)展，讓他們從被動的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)到主動的渴求知識。在此給出以下幾點建議。

2.5.1 根據(jù)學(xué)生實際情況來進行學(xué)生分組

機器人教學(xué)適合以團隊的形式開展，讓學(xué)生分組互相交流學(xué)習(xí)是機器人教學(xué)時常用的方式。從學(xué)生的情況來講，有的學(xué)生適合機器人結(jié)構(gòu)功能設(shè)計，有的學(xué)生擅長編程，有的學(xué)生擅長統(tǒng)籌規(guī)劃，所以教師可以開展一次機器人設(shè)計創(chuàng)意課，從而更加了解學(xué)生的能力之后對學(xué)生進行分組以增強學(xué)生的參與程度、相互學(xué)習(xí)、積極性、合作能力等。

2.5.2 將生活實踐融入到機器人課程中

教師可以開展一些活動，讓學(xué)生制作的機器人能應(yīng)用到他們的學(xué)習(xí)生活中去，甚至應(yīng)用到其他科目中去。例如，利用Arduino制作LED顯示板用來顯示值日生表、上課搶答器等，提高他們的觀察能力和解決實際問題的能力。

2.5.3 Arduino機器人課程要以探究為主

中小學(xué)生有著很強烈的好奇心，教師在開展課程時主要以引導(dǎo)為主，讓學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)問題，讓他們在錯誤的過程中找出原因。注意不要把自己固有的想法強加給學(xué)生，讓他們自由去創(chuàng)造。

3 結(jié)語

該文從機器人課程的目標(biāo)、內(nèi)容、教材開發(fā)、課程實施以及教學(xué)器材等方面，研究了基于Arduino開源硬件的機器人課程資源的開發(fā)。在課程資源開發(fā)時，應(yīng)當(dāng)加強對Arduino機器人的理解，要從中小學(xué)學(xué)生的心理生理特點出發(fā)，以學(xué)校為中心進行開發(fā)。要充分地利用家庭和社會等相關(guān)課程資源，將它們有機地與課堂結(jié)合起來。

參考文獻

[1] 駱巍.開源平臺在中小學(xué)機器人教學(xué)中的應(yīng)用—基于Arduino的機器人學(xué)習(xí)平臺建構(gòu)與實踐[J].中國信息技術(shù)教育，2012（9）：48-49.

[2] 趙中建.為了創(chuàng)新而教育[N].中國教育報，2012-6-15.

[3] 李俊港.關(guān)于中小學(xué)機器人教育的思考與分析[J].求知導(dǎo)刊，2016（45）：53.