STEAM理念下初中信息技术arduino机器人教学

谢 杰 周富峰

(江苏省张家港市常青藤实验学校 江苏张家港 215600)

Arduino 机器人作为一门具有较强创造性与实践性的课程，其课堂教学基本都是实验课，学生可通过各种各样的工具制作、组装机器人，或者是调试、编写机器人程序，通过引导学生不断观察、发现、摸索、创新、结束语的过程，促使学生对科学知识充分兴趣。当学生完成灯光闪烁以及马达旋转的时候，其产生的强大自信和成就感就会转变为学生实现自主学习的动力，而学生后期学习智能机器人的科学技术、各种传感器、计算机的高级编程等准确应用也极其容易。因此，相对于坐在书桌前学习的传统学习方式，“做中学”更能带给学生巨大的能量。

一、STEAM理念下的Arduino机器人

Arduino 机器人属于交叉了不同基础学科的一门综合性课程，通常包含物理、数学、多媒体、计算等。由于涉及多门学科，因此更符合STEAM 的教学理念及内涵。基于STEAM 理念下的Arduino机器人具体为：（1）Arduino属于硬件开源的代码，且是价格低廉、资源免费的设计平台。学生能按照自身需要和传感器，对各种各样的电子组件进行连接，并以模型搭建进行灯光控制、代码修改、马达等相关装置形成简易的机器人及相关的软件通信，以完成互动媒体的设计[1]。（2）在学校及现实生活无法对学生对科技的好奇心进行满足时，Arduino 机器人则能够对学生对科学的兴趣进行培养。对于操作流畅且精良的机器人而言，其可以从每处的设计、搭建、C 语言编程之间的结合，通常涉及物理、机械、数学等各个学科中的理论技术。

二、STEAM理念下的arduino机器人教学

（一）基于Arduino 平台三维教学目标

教学目标主要是教师根据教学活动可以在学生身上产生的效果而做出的预估，且是对师生能否达到预期的教学标准的评价。对于教学目标而言，其通常具有导教、导学、导测评的作用，因此，教师在具体教学前，需制定相应的教学目标，其不仅有助于调整整个教学过程，而且还能对每节课及其知识点进行细化，STEAM 理念下的arduino 机器人教学的目标通常从“过程和方法”、“知识和技能”、“情感态度和价值观”等实施设定[2]，本次研究设计机器人的三维教学的目标模型，如图1。

图1 机器人教学的三维目标模型

（二）基于Arduino 平台教学内容

目前，部分机器人的的教学过于注重学科本身的知识，导致学生的视野狭隘，对学生的创新能力培养有着不利影响。机器人只是当做学习的对象，与机器人技术有关的知识形成了机器人课程的教学核心，甚至是全部的内容，由于教学内容较为单一，就会影响到学生的学科素养及机器人思维的培养[3]。而机器人教学以Arduino 平台开展，机器人教学的主要内容可分成两部分：第一，程序编写。程序的编写通常是以ArduinoIDE图形化的编程软件Scratch 开展学习，这不仅有助于调动学生对机器人学习的兴趣，而且还能使学生构建相应的编程思维；第二，硬件搭建。硬件搭建通常是以搭建相对简单的机器人，以此使学生学习到相对简单化的原理，为其后期的学习奠定基础。

（三）课程实施案例

避障与测距属于机器人的竞赛项目当中较为常见的内容，其主要是以有关的传感器和微处理器进行间接的测量距离，当测出结果为“危险范围”的时候，通过倒退、左转、右转的方式避让，其中“Arduino 机器人超声波测距”的案例就是极其常见的方法，主要指对Arduino 机器人进行组装，安装上超声波模块且能够控制。

首先，情境引入。初中的信息技术老师将事前准备的机器人的超声波测距的图像与视频进行展示，并提出问题，让学生进行情景感知。同时，对组装完成的Arduino 机器人的测距进行演示，并通过上位机对距离值进行显示。

其次，观察和反思。经过实验现象进行提问，以便于学生反思，例如：“怎样通过超声波测距？”“怎样正确的安装超声波模块？”等等。同时。信息技术教师需对Arduino 机器人的全部安装流程与有关事项进行介绍，如图2。

图2 Arduino 机器人超声波的测距流程示意图

该阶段主要是对Arduino 物理的连接方式、设计原理等进行介绍，以便于学生后期的获得良好的实验成果奠定基础。

再次，引导和操作。从课前的充分准确就已经开始实验了。该实验主要是在原有的机器人模型为基础，引入相应的超声波模块，以确保实验的顺利实施，教师则需对该模块实施相应的介绍：充分认识到超声波测距的模块及其应用原理；引导学生学习以及电路连接；图形化的程序编写、调试、刻录。

最后，总结和应用。通常前几个阶段的学习，学生已经能够对电子电路进行组装，对程序设计进行调试与下载。同时，信息技术的学习主要就是为了应用，在学生对于学习的内容与方法有了初步的印象后，教师则需为学生提供相应的应用情景，这不仅有助于学生对自身学习知识的巩固，而且还能使学生形成发散性思维。

三、结束语

综上所述，基于STEAM 理念实施Arduino 模块的应用课程，其通常可以使学生进行动手制作，通过做中玩、玩中学对Arduino 的相关知识进行了解，并体验到编程设计、硬件搭建及调试的过程。这不仅可以使学生通过学习体会到成功感，而且还能使学生自己构建全部制作过程，并使学生在制作中，对科学技术进行体验，从而使学生的应用能力得到有效提升。