机器人移动编程教学的策略与实施
2021-04-21周旺纯
周旺纯
近年来，计算思维已成为信息时代学生必备的素质与能力。机器人教学提供了融合多学科的教学活动和富有挑战性的学习任务，学生在学习中需要进行规划、搭建、编程、运行、调试，充分发展了学生的设计思维、规划能力和计算思维。
常规机器人教学一般是在电脑上利用编程软件编写好程序，然后将生成的代码通过USB接口或串口发送至机器人，然后进行调试、运行。而机器人移动编程则是移动终端通过红外或蓝牙与机器人连接，直接指挥机器人运行。相对于常规教育机器人，机器人移动编程具有终端丰富、易于连接、便于操控、适合分组教学等特点。
基于计算思维培养的移动机器人教学策略
基于计算思维培养的移动机器人教学策略除了确定有利于计算思维培养的教学目标、选择直观易学的可视化编程工具外，还包括以下两点：
1.搭建贴近学生最近发展区的学习支架
为避免学生在学习过程中漫无目的地“试误”，在教学过程中，教师或有学习力的同伴可搭建支架，如教师提供的问题解决案例、思维导图、成就故事，同伴提供的交流协作、过程评价等。
2.组建有利于发挥学生主动性的互助团队
在教学实践中，教师在考虑学生的兴趣爱好、学习能力和性格的基础上，将学生两两配对。然后，为成员分配角色，让他们之间互相帮助。教师设计的学习任务也应有一定的复杂性，以此保证小组成员有相互合作的需求和欲望。教师在进行评价时，除了评价提交的作业外，还应注重学生在合作中的态度和方法。
机器人移动编程教学案例
《声控机器人》一课是学生接触开源机器人的第5课，在此基础上将声音传感器引入课堂，通过声音传感器接受声音的阈值来控制程序，属于实践性的内容。因此，在本课的教学中，教师要给学生留有足够的操作时间，让学生在实践中掌握声控传感器的应用。笔者选用的机器人为可编程的DIY机器人套件mBot，软件使用的是机器人图形化编程学习应用M部落安卓版，通过蓝牙与机器人相连。
1.教学目标
双基层：了解机器人的结构功能，理解声音传感器的工作原理以及脚本语言的运用方法。熟悉数据变量的使用，能够根据条件做出决策。
问题解决层：能够通过完整的程序和机器人成品反推声音传感器，并能用图形化的脚本语言编写运行程序;学会再利用和再创作，在调试中发现和修正错误。
学科思维层：实现对机器人的开放和控制，提升计算思维和合作思维。
2.教学思路
本节课采用的是结构创新型教学模式，侧重以“分解-结构再造”的方式促进学生实现知识应用和创新实践。教学中，教师关注学生小组内的分工合作，将小组人员分为规划员（一般由组长担任）、软件操作员（1～2人，由组长决定测试顺序）、硬件操作员，任务完成后进行轮换。
3.教学过程
（1）分解观察，认识声音传感器
①生活中的噪声监测仪。
教师利用课件出示噪声监测仪，并讨论：在繁华的闹市口，经常会发现这种装置，大家知道这是什么吗？它有什么作用？
学生回答问题。
教师总结：噪音会影响人的睡眠质量，强烈的噪声使人无法入睡、心烦意乱或使人多梦、惊醒，老年人和病人对噪声的干扰更为敏感，所以要减少噪音。
②我们的噪声监测仪。
教师出示开源机器人搭建的噪声测试仪，测试并讨论机器人数码管上显示的数字与声音大小之间的关系。
教师提问：除了这个用来显示数值的数码管，猜猜机器人身上还应该有一个具有什么样功能的传感器？
学生猜想：声音传感器获取的是什么信息？输入的又是什么信息？
教师总结：声音传感器获取的是声音的信息，输入的是声音大小的信息。
③认识声音传感器。
学生观察声音传感器，讨论声音传感器与其他传感器相比有什么特别之处，并观看传感器介绍视频。
④测试传感器。
教师出示噪声测试仪的脚本。
师生讨论：脚本中哪一个控件是用来获取声音信息的？为什么在我们保持安静的情况下，声音传感器的数值不是0？将声音大小的数据（也就是音量）储存到变量里有什么用处？根据获取到的声音数值，机器人一共完成了哪几个动作？
教师总结：搭建声控装置，首先应该有声控传感器，其次要有相应的脚本读取声控传感器的值，最后根据读取到的数据让机器人执行相应的动作。
设计意图：用生活案例让学生感受声音传感器应用的实际效果，推此及彼，初步感知传感器和耳朵一样，它从外界接收到声音信号，并控制相应的动作，以此来激发学生的学习兴趣和热情。
（2）結构再造，搭建声控过道灯
①安装声音传感器。
实践操作：将传感器安装到机器人身上合适的地方。注意传感器端口上的颜色为黑色，说明只能将传感器利用RJ11线连接到机器人的3号端口或4号端口上。由于3号端口已经连接了超声波模块，可以连接到4号端口。
②编写声控脚本。
引导学生讨论：在生活中哪些地方见到过声控设备呢？我们是如何控制灯亮的？声控灯又是怎么关灯的？
教师根据学生的描述，制作出声控灯的流程图。
学生小组合作，编写声控灯程序（提醒规划员、软件操作员、硬件操作员间要分工合作）。
③学生测试。
设计意图：用抽象的概念表达机器人身上的变化，用机器人的移动编程语言来实现这些变化，从实物到概念，从抽象到具体，在动手实践中思考，在思考中学习新知识，通过一个个支架的搭建与撤除帮助学生把自己的想法通过动手操作呈现出来。
（3）产品创新，规划声控机器人
学生小组讨论，并完成任务单，规划声控机器人，如声控前进机器人、声控拐弯机器人、声控竞速机器人、声控灯光报警机器人、声控发声机器人等。
规划汇报，演示机器人。
综合练习，组建声控救援车
教师出示任务三：搭建一辆紧急救援车，只要听到动静，就亮救护灯、鸣警笛，然后出动。
学生搭建并演示。
设计意图：从噪声监控机器人成品到脚本，再从脚本到声控救援机器人，最后到脚本再创。配对学习，不仅能增强学生的创新思维和实践动手的意识，而且能激发学生的发散思维和迁移应用能力。
参考文献：
杨玉芹，龙彦文，孙钰峰.小学生计算思维培养的过程和策略研究——基于对武汉市从事机器人教育的26位教师的深度访谈[J].电化教育研究，2019，40（12）：115-121.
