“智造机器人”小学S4A个性化课程实验

龙丽嫦

实验背景

自我国实施中小学信息技术教育以来，学术界一直在讨论学科的价值和定位，近年来尤为激烈。作为长期在教学田野里耕耘的教研员和一线教师，关注学科课程研究发展的同时，更多的是努力寻求解决课程实施问题的方法，找到发展的突破口，使课程目标与课程载体内容和教学操作减少落差，实现学科课程提出的育人目标和价值。

信息技术课程是一门年轻的课程，且其工具性和社会性极强，受技术的发展而产生的牵制和影响较大。同时，由于课程年轻，对其研究的广度、深度尚不足，以及实施过程中受师资水平、教材承载、课时设置、地区差异等各种因素影响，致使课程目标较多停留在软件操作层面，难以落实培养学生利用信息技术解决问题的意识和能力的目标。

随着信息技术的发展，目前信息技术课程体系已不能满足不同层次学校的学习需求。综观各地的教材和多年来信息技术课程的实施情况，笔者认为，小、初、高三个阶段课程呈现的逻辑框架及技术载体，是多年来影响我们课程实施质量的主要因素。因此，我们在重新拷问学科课程核心价值定位的同时，也需要思考承载学科课程的逻辑框架和载体，才有可能在课程建设层面首先将理念落地。

为寻求课程研究的突破口，作为教研员笔者先后引领区域开展过关于有效任务设计、虚拟机器人进课堂、Scratch创作等研究。在这些专项研究中，笔者发现，缺乏学科课程的上位思考和顶层设计的研究，很容易又陷入软件教学、工具教学的境地，包括近两年逐渐火热的Scratch教学实践。

在接触计算思维理论之后，笔者认同引入计算思维作为信息技术学科课程的理论基础以及核心内在价值，以反映学科的核心性和稳定性，同时提升信息科学的不可替代性。目前，国内外对计算思维的研究仍然处于理论研究和实践的初步探索阶段。毋庸置疑，机器人教育是计算思维培养的关键性载体之一。在2012年中国教育技术协会信息技术教育专业委会员研制《基础教育信息技术课程标准（2012版）》的工作中，李艺教授等极力主张“机器人进课堂”。但是机器人教育要想实现草根化、去精英化，其硬件平台必须具备价格低廉或可自制、无需专用场室、开源可扩展的特点，并符合机器人的教育性要求，最为关键的是，还需要形成一套可操作、可实施的课程内容体系。要实现这个梦想，首先涉及机器人教育课程的研发，然后才是课程实施的师资培训。而机器人教育课程的研发人，一方面要具备电子电路知识，另一方面还要具备编程能力。我们可以想象，如果研发出自制机器人的核心课程及其配套器件，价格低廉的课程套件就像科学课程的材料包一样配套到校，无需机器人专用场室，机器人的普及教育将为期不远。同时，它开源、可扩展，有条件的学校和有想法、有能力的教师可以基于机器人让学生在计算机科学和科技教育创新上得到更高层次的发展。

实验情况

1. 研发机器人课程的探索路径

研发机器人课程需要懂电子硬件的教育人。在笔者的研究团队中，有一位叫曾祥潘的一线小学教师，他专业发展全面而扎实，头脑灵活有想法，也十分关注学科前沿研究。更可贵的是，他具有电子硬件特长，能够摆弄电子元件和动手制作电子产品。这促使他成为开发软硬结合的机器人课程的先行者之一。

在研究團队的引领下，曾祥潘老师自2012年起开始思考学校实施开源硬件机器人教育的途径。思考探索的路径是：首先寻找硬件，降低硬件成本，继而寻找与其配对的软件。曾老师首先尝试了基于Arduino的硬件编程，用它代替机器人商业产品核心套件。但是由于Arduino板的原生软件是字符界面的，对于中小学生来说有较大难度，即使ArduBlock已经改良为积木式编程，对小学生而言仍然难度不小。后来，他看到了温州中学谢作如老师在个人博客上的S4A互动媒体课程，继而开始了对S4A的探索。

2. S4A与S4A机器人课程

机器人教育课程的研发者，需要研究比较并且找到能够替代商品机器人的硬件和软件体系。

（1）商品机器人系统组成

机器人系统由软件和硬件两大部分组成。商品机器人的程序使用专用软件编写，通常这类软件不通用，更换机器人硬件后通常也要更换编程软件，导致学习成本提高。机器人硬件包含三大模块：控制器、传感器和执行器（如图1）。控制器是硬件系统的核心部分，它执行机器人程序、接收传感器数据和控制执行器的运作。商品机器人的控制器、传感器与执行器由专用接口连接，接口的定义通常不公开，配套的传感器和执行器种类十分有限。这些都导致商品机器人可扩展性受到限制，创造空间降低。

（2） S4A机器人系统组成

图2 S4A机器人硬件的核心模块

如图2所示，S4A机器人使用Arduino主控板作为控制器。由于开源的Arduino板价格低廉，接口资料公开且支持丰富多样的传感器和执行器，而传感器和执行器采用市面常用零件，选择面十分宽广。机器人编程软件使用S4A软件。S4A（Scratch for Arduino）是基于Scratch衍生的二次开发软件，具有原生的Scratch图形化程序设计的特点和功能，简单易懂，并且能与Arduino板连接，可利用它进行机器人编程。教师还可以利用各种各样的可回收资源，如泡沫材料、纸板、光盘片等，指导孩子将它们收集起来并制作为机器人造型的零件，为孩子拓展创作空间提供了无限可能，极具培养创新思维的教育价值。

3. 开展机器人课程的教学实验

曾祥潘所在的景泰小学建设有校本个性化选修课程，课程以选修的方式向全校学生跨年级开出。得益于学校这种课程机制，曾老师边研发边实验，他拟构建的机器人课程为“智造机器人”，共11个课时，每课完成一个小项目，最终目标是支持学生完成一个“土制机器人”，课程内容框架见表1。

表1 “智造机器人”课程内容框架

模块内容 相关零配件 课程

内容 课时

顺序

控制器 Arduino板 初识S4A 1

Arduino板+LED 闪烁的星星 2

Arduino板+蜂鸣器 勤劳的蜜蜂 5

Arduino板+舵机 自动泡茶机器人 7

Arduino板+直流电机 升旗机器人 9

Arduino板+按钮开关 延时灯 3

Arduino板+光敏电阻 用光线演奏音乐 6

Arduino板+热敏电阻 多彩体温表 10

Arduino板+按钮开关+LED 智能交通灯 4

Arduino板+光敏电阻+舵机 表情机器人 8

Arduino板+热敏电阻+直流电机+蜂鸣器 高温预警、防暑降温机器人 11

“智造机器人”课程每期招收30人，逢周一下午第一节开展，四年级～六年级的学生可选。目前已进入第二轮教学实验，基本成型的项目实例约有八个，但还需要实验修正。其中一些实验案例，如“舵机的应用”、“闪烁的星星”等课例先后在区和省市级骨干教师培训活动中展示，并通过Scratch猫友群向全国传播，产生了一定的影响。

实验案例

【课题】闪烁的星星——使用随机数控制LED闪烁

【设计意图】利用LED闪烁作为数据输出信号，是常见的反馈方式之一。在Arduino及其他单片机编程学习中，点亮LED是最为经典的案例。通过内容分析发现，大多数案例较为单调，趣味性不强，体现计算思维不足。因此，在亮灭控制的基础上增加LED模拟星星闪烁的内容。

【教学目标】在上一课中，学生已经初步掌握Arduino板的安装及利用S4A积木块编写程序控制LED灯的亮灭。本课在此基础上，引导学生利用S4A的循环和随机数积木块，编写LED控制程序，实现控制LED模拟星星闪烁的效果。

【器材准备】必备硬件：Arduino主控板；本课选用的电子元件：蓝色LED、470欧姆电阻、面包板、杜邦线、USB-AB线。

【认知建构路径】

1. 认识元件：认识LED和电阻的作用，观察其外观和内部结构。

2. 动手操作：实践体验，掌握LED、电阻与Arduino板的线路连接方法，领悟LED的13号管脚连接、电阻连接限流的作用。

3. 编写程序实现互动：使用S4A软件编程，先后通过实现“点亮LED”→“LED重复闪烁”→“LED随机闪烁”三种效果，层层深入，使学生懂得如何使用逐步逼近法解决问题。

图3 LED、电阻与Arduino板的连接

图4 LED随机闪烁控制的S4A程序

4.课外拓展延伸：怎样实现两颗星星互不干扰地各自闪烁？

实验反思

S4A课程内容基于控制交互的动手探究学习，小学生的参与兴趣十分浓厚，学习思维活跃，自始至终投入最大的注意力到学习中来。而且学生能够掌握基于电子元件的动手操作连接，并接受和理解基于S4A的編程互动实现自己的想法和意图。

S4A是承载和培养学生计算思维的载体，但是在研发和实施S4A课程中，如何渗透计算思维，既在内容体系中逻辑渗透，也在教学法上融入渗透，实现计算科学的教育目标和价值，需要理论把握和实践验证。因此，曾祥潘老师“智造机器人”课程的研发，无论是课程结构、内容选取、元器件准备、制作以及教材内容组织、教学法等方面，还需要进一步斟酌研究和验证。否则，也只不过是新增了电子元件机器人课程内容模块，不一定能够达到计算思维和创新教育的培养目标。

此外，传统课堂的40分钟远远不能满足此类课程，如能实现，最好是以连堂2节作为每次课程的教学时间，方能利于学生在每次项目主题课上进行充分实践与探究。

（作者单位：广东广州市白云区教育发展中心）

参考文献

1 李艺，钟柏昌.基础教育信息技术课程标准：起点、内容与实施[J].中国电化教育，2012（10）.

2 范运平.S4A在台湾中小学的发展概况及其多元的应用可能性[J].中国信息技术教育，2014（5）.

3 曾祥潘. 闪烁的星星——“智造机器人”小学S4A课程之使用随机数控制LED闪烁”教学设计[Z].广州，2014.