《VR遥感机械手》教学设计

凌伟　黄秦祺

教学内容分析

本课以虚拟现实技术与工业应用的机械手为原型相结合，教授学生应用多学科（信息技术、物理、数学、美术）知识融合完成VR遥感机械手的作品改善。信息技术：在学生掌握桌面级虚拟技术（VR）Leapmotion和Arduino开源硬件编程的基础上，使用Leapmotion APP Home与mblock软件建立数据交互，并且编程实现VR遥感机械手的功能。mblock是在Scratch 2.0的基础上加入了Arduino开源硬件的传感器模块，可直接对电子元件进行编程控制。物理：针对机械手容易倾倒、不够稳定问题，运用所学物理知识（重心）来思考解决方案，并通过实际操作加以解决，体现了理论与实际的相结合。数学：本节课的数学内容主要服务于编程设计，根据Leapmotion X轴数值的改变来转化为舵机的偏转角度，实现线转角，涉及到的知识是反余弦函数。课上将根据几何画板的动态演示，讲解反余弦函数，从而解决这个应用问题。美术：机器的外观美化属于工业设计的范畴，必须要有造型基础、装饰色彩基础以及材料、物理、数学等学科的知识储备。由于本课的需要，将外观美化的方法简约化、通俗化并呈现出来，以此来帮助、启发学生寻找外观美化方案。

学生情况分析

1.学生的知识基础

教学对象为初三上学期的学生，对于数学、物理、信息技术编程都有比较扎实的知识基础。学生已掌握桌面级虚拟技术（VR）Leapmotion和Arduino开源硬件部分电子元件编程，并且能够熟练地使用工具进行机械结构的搭建，具备了在教师的引导下和小组成员共同合作完成VR遥感机械手改善提升任务的能力。

2.学生的学习特点与学习习惯

由于我校开展的机器人课程是基于创客理念的，给学生搭建展示的平台，培养学生的创新探究意识，让学生通过自己的努力主动参与探究去获得答案，所以VR遥感机械手的课堂以学生为主体，教师启发引导学生去完成改善提升VR遥感机械手。

教学准备

机械手、Leap Motion、数据线、零件盒、螺丝扳手、双孔梁若干、稳压电源；笔记本电脑。

教学目标

知识与技能目标：激励学生通过观察，能够利用物理重心知识解决VR遥感机械手不稳定的结构问题；向学生介绍数学反余弦函数的知识，并应用反余弦函数将X轴数值转化为舵机偏转角度；引导学生利用Leapmotion与机械手相结合编程实现VR遥感机械手的功能；介绍多种美化机器的方法，启发学生思考VR遥感机械手的美化方案。

过程与方法目标：任务驱动法：教师根据学情设置合理的实践探究任务，并让学生以小组合作的方式完成VR遥感机械手的改善与提升，增强同伴间的交流与合作。启发引导法：教师设置合理的问题情境，引发学生思考关于如何改进VR遥感机械手的问题，发挥想象力得出问题的答案，提升学生的创新思维能力。

情感态度与价值观目标：激发学生应用虚拟现实技术结合Arduino平台进行科技创作的兴趣；培养学生的逻辑思维能力并增强学生的创新探究意识；培养学生融合应用多学科知识的意识与能力。

教学重点、难点

重点：激励学生通过观察，能够利用物理重心知识解决VR遥感机械手不稳定的结构问题；向学生介绍数学反余弦函数的知识，并应用反余弦函数将X轴数值转化为舵机偏转角度；引导学生利用Leapmotion与机械手相结合编程实现VR遥感机械手的功能；介绍多种美化机器的方法，启发学生思考VR遥感机械手的美化方案。

难点：向学生介绍数学反余弦函数的知识，并应用反余弦函数将X轴数值转化为舵机偏转角度；引导学生利用Leapmotion与机械手相结合编程实现VR遥感机械手的功能。

教学过程

1.课程导入

教师引导学生发现VR遥感机械手所存在的待改进问题，总结为三个方面：结构改进、编程实现与作品美化。

設计意图：利用VR遥感机械手所存在的问题导入课程，向学生明确本课任务，同时激发学生的学习兴趣。

2.结构改进（物理）

教师邀请物理黄老师帮助解决机器结构改进的问题。（本环节中以下教师为物理黄老师）

教师从机械手容易倾倒的方向引导学生思考结构改进的方案。

改进方案：电池位置太高——降低重心；电池位置偏后——增大底盘；电池质量太大——改变电池……

教师鼓励学生积极思考，有不同的方法。

学生根据总结出来的解决方法，以小组为单位动手实践，改进机械手的结构。（教师巡视并指导）

请2～3组学生展示自己的作品，同时说明自己的解决方法，教师进行点评。

设计意图：本环节邀请物理老师从重心引入，引导学生讨论并确定提升VR遥感机械手的改进方案，提供机会给学生展示成果，培养学生发现问题、解决问题的自主能力。

3.函数应用（数学）

教师带领学生复习回顾Leapmotion的功能，向学生介绍VR遥感机械手的工作原理，从而引出编程中需要应用到的数学知识（线转角），邀请数学丁老师介绍反余弦函数。（本环节中以下教师为数学丁老师）

教师建立数学模型，导入反余弦函数，使用几何画板帮助学生理解角度转换的原理（锐角与钝角）。

教师设置小练习进行知识巩固。

设计意图：根据对教学内容与学生实际情况的分析，邀请数学老师从VR遥感机械手的工作原理为突破口，引导与帮助学生应用数学的反三角函数知识。

4.编程实现（信息技术）

教师指导学生如何将反余弦函数应用到编程中去。

教师布置学生完成舵机角度设置的编程任务，并且连接Leapmotion实现VR遥感机械手的功能。

教师巡视各组完成情况，指导并帮助学生完成任务。

小组展示作品，教师进行点评。

设计意图：以学生为中心，应用任务驱动法引导学生应用反余弦函数到编程，通过小组间的合作探究学习模式，让学生在合作中相互促进、提升。

5.作品美化（美术）

教师向学生说明可以改善VR遥感机械手的外观来提升市场竞争力，邀请美术黄老师帮助学生美化作品的外观。（本环节中以下教师为美术黄老师）

教师引发学生思考如何对VR遥感机械手进行美化。

教师介绍机器美化的方法（辅以图片说明）：比例协调、调整秩序、材质魅力、精致工艺、色彩呈现、艺术处理。

教师鼓励学生畅谈对VR遥感机械手美化的想法。

教师展示成品，并简要叙述机器美化的价值与展望。

设计意图：以VR遥感机械手作为产品的市场竞争力为引入，邀请美术老师帮助学生对作品进行美化。美术老师从形与色两方面入手介绍机器美化的方法，启发学生美化作品的灵感。

6.总结提升

教师对本课学习内容进行简单总结。

教师介绍机械手在生产生活中的应用，并展示机器人餐厅引发学生对未来生活发展趋势的思考，以此激励学生不断努力提升自己，升华课程。

设计意图：教师通过机器人餐厅的例子引出科技的飞速发展，激励学生努力学习，提升自己的竞争力。

教学反思

《VR遥感机械手》一课是融物理、技术、数学、艺术等于一体的课程，学生更多是在做中学。教师们参与其中潜心而愉快，并且思维活跃在指尖上，发挥着各自的创造性。上好一节初中STEM课，最难的不是内容的讲授，而是如何融合各科知识于一个项目之中。其中，各学科教师的合作与分工显得尤为重要。本节课由物理、数学、美术和信息技术教师合作共同上了一节课，真正地体现了课程统整。通过一个STEM项目的完成，使得学生既实现了作品的物化，又实现了物理、数学等知识的深度理解与运用。在这堂课上，教师看起来是轻松的，准备好材料似乎就可以，主要是学生们制作、活动，而后有一点交流。其实教师的课前准备是花了大量时间的，有了课外的精心准备，才有课上的游刃有余。学生们是喜欢这样的课的！

点 评

《VR遥感机械手》是一节优秀的STEM课例。本节课充分地体现了STEM强调的跨学科和工程问题解决等思路。总结起来，该课具有如下特点：第一，該课例着重培养学生的问题解决能力。在《VR遥感机械手》课例中，首先以实际问题为引入，结合实际需求展开，即引导学生发现VR遥感机械手所存在的待改进问题。这是在课程一开始引入的真实问题，它把学生带入帮助学校解决实际问题的场景中。问题的重申、任务的重新定义、测试与改进的过程中，都给学生提供了相当多的发现问题的机会，通过课程和教师都将促进学生系统地分析和理解问题，作出推理和决策，排除疑难或困难，找到解决问题的方法。这个过程是真正提高学生问题解决能力的有效途径。第二，该课例体现了跨学科综合应用。《VR遥感机械手》课例以工程设计为主线，结合了与之相结合的物理与工程的基本原理，如力、运动、能量、机械等。《VR遥感机械手》中所结合的学习内容，正是学生在初中物理中需要学习的科学知识和原理。也就是说，实际上通过这个课程我们完全可以打通STEM教育和初中物理教育的关联。同时，在《VR遥感机械手》中学生参与了设计、搭建、测试、改进的工程过程，通过这些过程，学生真切地感受到物理知识是如何被应用到解决实际问题中的。该课例已经达成了真正提高学生解决工程问题的各项综合能力和素质，体现了集成式STEM的跨学科集成与融合。