小學(xué)高年級(jí)開源機(jī)器人課程教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)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(jiǎn)稱“新課標(biāo)”），首次將信息科技從綜合實(shí)踐活動(dòng)課程中獨(dú)立出來(lái)。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(shí)問(wèn)題或項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)原理,學(xué)會(huì)利用算法思維思考，最終能夠運(yùn)用數(shù)字化工具解決問(wèn)題。在教學(xué)中注重鼓勵(lì)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(jì)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(jí)開源機(jī)器人課程教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐。

● 小學(xué)高年級(jí)開源機(jī)器人課程教學(xué)理念

1.注重創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境

新課標(biāo)課程理念第4條倡導(dǎo)真實(shí)性學(xué)習(xí)提到“創(chuàng)新教學(xué)方式”，以真實(shí)問(wèn)題或項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷原理運(yùn)用過(guò)程、計(jì)算思維過(guò)程和數(shù)字化工具應(yīng)用過(guò)程，建構(gòu)知識(shí)，提升問(wèn)題解決能力。在開源機(jī)器人課程中，所有的問(wèn)題情境都來(lái)源于學(xué)生的生活實(shí)際，用學(xué)生的親身經(jīng)歷引發(fā)思考，并能將生活中的問(wèn)題解決方法遷移到設(shè)計(jì)開源機(jī)器人解決問(wèn)題的過(guò)程中。

2.在機(jī)器人完成任務(wù)的過(guò)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(shí)性學(xué)習(xí)中提到“鼓勵(lì)‘做中學(xué)’‘用中學(xué)’‘創(chuàng)中學(xué)’”。在機(jī)器人課程中，編程需要在現(xiàn)實(shí)世界實(shí)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(jī)等配件來(lái)進(jìn)行任務(wù)設(shè)計(jì)時(shí)，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(wèn)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(shí)驗(yàn)、調(diào)整、調(diào)試的過(guò)程中必須經(jīng)歷失敗的體驗(yàn)、調(diào)試的艱辛和成功的喜悅。

3.通過(guò)生活中實(shí)例了解算法

新課標(biāo)課程目標(biāo)中計(jì)算思維學(xué)段目標(biāo)第三學(xué)段（5～6年級(jí)）提到“通過(guò)生活中的實(shí)例，了解算法的特征和效率。能用自然語(yǔ)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(jiǎn)單描述實(shí)施過(guò)程，通過(guò)編程驗(yàn)證該過(guò)程”。機(jī)器人課程中通過(guò)解決生活中的實(shí)際問(wèn)題，幫助學(xué)生理解程序設(shè)計(jì)中的變量、程序結(jié)構(gòu)等概念，學(xué)會(huì)創(chuàng)建和運(yùn)用變量實(shí)現(xiàn)控制，體會(huì)使用自然語(yǔ)言描述問(wèn)題的解決過(guò)程，使用流程圖抽象、建模編程的過(guò)程，最后使用積木命令完成編程設(shè)計(jì)解決問(wèn)題的各種樣式的算法表達(dá)方式，形成解決方案，進(jìn)而理解并掌握利用算法解決問(wèn)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(shí)踐應(yīng)用并重的課程內(nèi)容提到“從信息科技實(shí)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(duì)于如何運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，通過(guò)科學(xué)原理的了解和學(xué)習(xí)創(chuàng)新性地解決問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力，技術(shù)的學(xué)習(xí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的。課程對(duì)學(xué)生信息素養(yǎng)的培養(yǎng)重點(diǎn)必須由掌握學(xué)科知識(shí)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(shí)和技能的空談。機(jī)器人課程通過(guò)一個(gè)個(gè)具體的機(jī)器人實(shí)例任務(wù)，讓學(xué)生在知識(shí)、技能的實(shí)踐中體會(huì)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(jì)與實(shí)踐

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

在課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)，出示兩位學(xué)生的對(duì)話。小藝：“班長(zhǎng)，上周末我們到社區(qū)敬老院活動(dòng)，爺爺奶奶們可開心了?！卑嚅L(zhǎng)：“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?！毙∷?“班長(zhǎng)，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(dòng)升降就好了。”班長(zhǎng)：“是啊，如果一直躺著不能活動(dòng)，想想都難受，我們?cè)O(shè)計(jì)一款智能升降病床吧！”通過(guò)對(duì)話將學(xué)生帶入到真實(shí)的生活情境中，為了設(shè)計(jì)出符合病人要求的智能升降病床，學(xué)生通過(guò)換位思考提出問(wèn)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(dòng)彈，會(huì)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(guò)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(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，這種方式需要精準(zhǔn)操控，不夠智能，無(wú)法幫助到無(wú)法動(dòng)彈、不便于用手操作的病人。在學(xué)生充分思考和探究后，請(qǐng)他們完成設(shè)計(jì)“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(jì)表格。

在真實(shí)的問(wèn)題情境中，學(xué)生能夠迅速開展場(chǎng)景分析，結(jié)合自己的生活經(jīng)驗(yàn)和自身體驗(yàn)的感悟，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提出問(wèn)題，思考解決問(wèn)題的方法。根據(jù)實(shí)際需求開發(fā)的功能讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)了“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”，學(xué)生的信息意識(shí)在項(xiàng)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(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)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(shí)現(xiàn)目標(biāo)，然后通過(guò)具體任務(wù)分解問(wèn)題解決過(guò)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(hào)描述程序運(yùn)行的具體步驟，幫助學(xué)生理清解決問(wèn)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(shí)現(xiàn)用主板傾斜方向來(lái)控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度，從而實(shí)現(xiàn)病床升降。

（2）具體任務(wù)?？梢苑譃閮蓚€(gè)部分：①當(dāng)開機(jī)時(shí)，初始化。②向左傾斜，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)到120度；向右傾斜，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)到150度；屏幕朝上，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)到180度；屏幕朝下，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)到90度。

序號(hào) 功能名稱 功能描述1 自動(dòng)識(shí)別姿勢(shì) 能夠識(shí)別到病人姿勢(shì)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(guò)團(tuán)隊(duì)合作編程實(shí)現(xiàn)機(jī)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(guò)團(tuán)隊(duì)合作，進(jìn)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(kuò)展板上接入舵機(jī)模塊，舵機(jī)模塊需要5V電壓供電，而Micro:bit主板默認(rèn)是3V供電，連接舵機(jī)就需要舵機(jī)的三色線將橙色對(duì)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(cè)多種動(dòng)作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jìn)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的過(guò)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(wèn)題的過(guò)程中得到歷練。

4.用實(shí)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(gè)電子元器件：舵機(jī)、Microbit主板上自帶加速度傳感器。學(xué)生對(duì)這兩個(gè)專業(yè)的電子元器件是陌生的，沒有知識(shí)儲(chǔ)備，而通過(guò)智能升降病床的實(shí)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(cè)Microbit的振動(dòng)、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(dòng)作，還可以用于記錄運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，可以用在計(jì)步器、運(yùn)動(dòng)手環(huán)、汽車安全等很多電子儀器上。舵機(jī)又稱為角度伺服電動(dòng)機(jī)，會(huì)根據(jù)角度變化而改變運(yùn)動(dòng)的方向，舵機(jī)主要由小型直流電動(dòng)機(jī)、變速齒輪組、可調(diào)電位器等組成，其中電動(dòng)機(jī)是提供動(dòng)力的主要來(lái)源。變速齒輪組可以將小功率的電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)大扭力的輸出?？烧{(diào)電位器將旋轉(zhuǎn)的數(shù)值反饋到主控板上，實(shí)現(xiàn)角度的控制。白色塑料板是舵柄，用來(lái)旋轉(zhuǎn)角度和定位。

5.通過(guò)反思交流創(chuàng)新，對(duì)作品進(jìn)行完善和迭代

在功能實(shí)現(xiàn)后，學(xué)生需要進(jìn)行外觀設(shè)計(jì)，思考如何將功能在應(yīng)用場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)。學(xué)生在親手實(shí)踐中積極主動(dòng)運(yùn)用信息科技解決問(wèn)題，開展交流展示活動(dòng)對(duì)作品進(jìn)行反思、改善和迭代，進(jìn)行創(chuàng)新思維活動(dòng)。

● 結(jié)束語(yǔ)

基于新課標(biāo)課程理念的開源機(jī)器人課程教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐，從學(xué)生已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)、生活經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)環(huán)境出發(fā)創(chuàng)設(shè)，以通過(guò)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)一個(gè)個(gè)項(xiàng)目任務(wù)的問(wèn)題為線索，激發(fā)學(xué)生的思考和對(duì)算法的學(xué)習(xí)運(yùn)用，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，并創(chuàng)新問(wèn)題，在此過(guò)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)。