Arduino开源机器人STEM创新课程的构建与研究

[摘 要]STEM与创客教育注重跨学科融合以解决真实情境中发生的问题，关注学生个性化和创造力的发展，是提升学生核心素养的重要途径。以实例阐述校本化机器人创新课程的创设实践与研究过程，以及教学与评价模式的创新尝试，为破解机器人教学长期以来的诸多困扰提供了新思路，对平民化机器人课程的普及实施具有一定的启发意义。

[关键词]STEM；创客；Arduino；mBlock编程；开源机器人

一、STEM教育的兴起及其课程开发现状

现代学生缺乏动手学习的机会。有些学校的设施设备，由于担心学生会占用太多“准备大学”和标准化考试的时间而没有被充分使用。杜威主张“做中学”，他认为儿童不从活动而由听课和读书所获得的知识是虚渺的。2001年8月，教育部和中国科学技术协会共同推动的一项科学教育改革项目就命名为“做中学”。

创设学生熟悉的感兴趣的真实情境中发生的问题，引导学生通过小组协作，讨论分析问题，把复杂问题分解成若干较为简单的问题单元，运用跨学科的知识融合来解决实际问题。这种学习是让学生通过实践制作开展学习，而不是通过PPT或者网络点击来学习；是发散性的学习，而不是按部就班的学习；是跨学科的学习，而不是单一学科知识的学习。这就是2011年奥巴马总统推出的旨在确保经济增长与繁荣的新版《美国创新战略》中的STEM教育计划。实际上，“做中学”与STEM教育的理念一致，都强调在制作中学习，并倡导以多“兵团”作战的方式攻克问题堡垒。

STEM与创客教育开展的主要瓶颈之一是课程的开发。这对国外教师来讲也是一大难题。校外公司开发的STEM或创客课程往往脱离教学实际，或是投入巨大，有些单一项目的投入就已经成千上万。美国、德国、荷兰等STEM教育开展较好的国家已有一些成熟的案例可供借鉴，但是系列化的可直接移植到国内课堂的课程寥寥无几。事实上，美国本土的很多STEM案例也很普通。

二、机器人教学的现状

各级各类机器人竞赛活动的开展带动了国内外的机器人厂商如雨后春笋般地涌现，由于利润较高，目前已形成一大产业。但其中不乏有些公司利用赞助比赛的机会进行“装备竞争”[1]，其根本目的只是卖装备。因为，不买新设备就没办法获得好成绩。有时，有些新购置的装备，到了第二年就面临被淘汰，或者必须再购买升级包才能参赛。从通知下达到正式比赛的一两个月的时间内，不需要学生做什么事，厂家就会提供齐全的搭建、编程说明，大多数情况下学生只需动手按一下开关或略作调整就可以参赛。这样的竞赛功利性很强，几乎等同于用钱买证书，而所购买的机器人往往在比赛结束后就被束之高阁。例如，某学校五年前投入三十余万元建设了机器人教室，由于机器人价格昂贵，版本不断升级，数量又较少，开始仅用于社团活动。但是每年竞赛都需要购买专门的机器人器材，而这些器材动辄就每套几千甚至上万元，原有器材的维护成本也较高，最后导致该校的机器人教室成为了摆设。很多其他学校也都不同程度地存在类似问题。

事实上，上海、温州、深圳等地的一些学校已经开展了机器人的普及性教学，并已有硬件、师资、课程方面的配套。而对于国内大多数学校而言，机器人教育仍然停留在小众化的“精英”阶段，缺乏系统的课程支持。以机器人竞赛项目为例，师资培训由提供相关产品的厂家负责，以获奖为目的的机器人教学被公司化包装。虽然厂家也为程序编制提供了专门的图形界面，但是每个公司都使用自己开发的编程软件，学校如果想要使用另一家公司的产品，师生就必须重新熟悉一套新的编程软件。这导致学生的知识和技能不易平滑迁移，教师也难以进行二次开发。

三、国内机器人STEM课程的开发

机器人教学集机械、编程、感测等于一身，是除3D建模打印、Scratch教学外进行STEM和创客教育的重要途径，目前在信息技术教材中穿插了一些相关内容，但主要存在以下问题：一是编程平台仍带有公司化印记，不利于迁移学习；二是与Arduino的开源硬件无法兼容，难以二次开发；三是价格较贵，不易普及；四是案例较少，不成系列；五是项目版本陈旧，难以激发学习动机。

目前适合中小学生的开源的机器人图形化编程语言有Scratch、S4A、Mixly、mBlock等，其中S4A与Makeblock都是基于Scratch2.0研发的，S4A在动作命令中增加了数字端及模拟端的控制模块，mBlock则新增了机器人命令模块。近期已有相应书籍陆续出版发行，它们的普遍特征是：大多处于启蒙阶段，案例较少，案例雷同，可选择余地小；缺乏融入创新思维和融合更多学科的案例，难以满足一线教师的需要。因此，机器人的普及教学急需一线教师参与开发的STEM创新课程。

四、基于Arduino的机器人STEM创新课程

的创设实践

机器人教学涉及运动学和动力学、系统结构、传感技术、通信技术、控制技术等多领域的知识。信息技术主要包括計算技术、控制技术和通信技术三个方面，在过去的中小学信息技术课程中，计算技术和通信技术占据主要地位，而控制技术很少涉及。中国教育技术协会信息技术专业委员会制定的《基础教育信息技术课程标准（2012版）》中提出，在小学和初中学段都开展机器人教学，希望每一个学生都能获得了解机器人及相关技术的机会。这一目标的制定具有前瞻性。

要全面提升学生信息技术学科素养，有必要面向全体学生普及推广机器人STEM创新课程。与以参赛为目的或只以社团、兴趣小组活动为主的形式不同，机器人STEM创新课程要面向全体学生大面积走进课堂，具有普及性及可持续性的特点。为此，笔者编撰了《中小学生3D建模打印课程》《面向STEM的Scratch创新课程》及《面向STEM的mBlock智能机器人创新课程》。这些课程选用了Arduino开源器件，与垄断型产品相比价格更低，且兼容性、通用性更强，有些简单的模块如按钮开关、LED发光模块等可以自制，能兼容很多在Scratch创新课程中使用的传感器，大大减少前期投入和后期维护的费用，更便于普及推广。课程采用以Scratch2.0为内核的mBlock编程软件，与Scratch界面类似，仅增加了机器人模块，对于已有Scratch编程基础的小学生而言，更有利于知识与技能的正迁移。课程突出学生STEM素养的提升，在许多案例中增加了3D建模打印环节，学生不必再像机器人竞赛中那样为了取胜而拘泥于厂家所限定的条条框框。由于传感设备可以通过RJ25转接器接入，支架或者传动机构可以用3D建模打印，学生可以把自己丰富的想象力和创新思维融入其中，设计制造出与众不同的机器人。教师可参考以下创设过程。

1.课程目标与内容

设计课程目标时应考虑以下几个方面。一是了解机器人的历史、发展，分类和应用现状及未来的发展方向。认识智能机器人对人类社会发展的重要意义，理解机器人对人类社会的价值，增强学习机器人技术的兴趣。二是感受机器人技术的重要性以及Arduino平台的便捷性，培养对Arduino机器人课程学习的兴趣以及动手解决实际生活问题的兴趣，促进个性发展。三是初步掌握机器人的结构组成，理解基于“控制—传感—通信—结构”框架下的机器人运作基本原理，以及相关传感器、主控板的软硬件知识。四是能够完成创意机器人的规划设计与组装、零部件的制作、mBlock编程、综合测试与调整。五是能通过整合3D建模打印、机械传动、编程控制、物联网等知识，借助小组协作、网络求助、教师引导等解决较为复杂的实际问题，提升STEM素养。六是感悟创意思维，形成创造意识，提升创新能力，从机器人产品的消费者逐步转变为机器人产品的创意设计和制造者。课程内容的安排可参考表1。

2.课程相应器材配备

器材配套为Makeblock mBot Ranger游侠STEM机器人，售价在千元以内，以48人的班级规模，每3人一组器材配备标准，仅需1.5万元即可在全年级开展机器人普及性教学。此外辅以一些RJ25转接器，即可使S4A传感器通用，大大减少了重复投入。采用开源Arduino作为机器人教育平台，可以充分借鉴国际同行的机器人教育研究与实践经验，可以有效避免闭源产品因各自为政而产生的技术标准不统一的问题。

3.教学与评价模式创新

一是利用翻转课堂创新教学模式。STEM与创客教育主张减少传统的大班讲授式教学，让学生通过实践发现问题，运用跨学科知识解决问题，根据实际需要选择要学习的知识。其中相关知识的传授可利用翻转课堂，由学生在课下按需学习，为课上的实践类活动创造更多机会，使师生、生生及组间有更充分的互动。事实上，一些机器人的教学案例需要3D建模打印、程序编写和组装调试等，不可避免地会经历曲折反复的过程，用时较长，翻转课堂的使用让学生在有限的课堂时间里获得更多的实践体验。

二是以过程性测评创新评价模式。与其他STEM课程相同，为更好地激励学生的创新思维，教师需要设计许多过程性的测评量表，内容涉及小组合作、交流表达、创意或奇思妙想等，学生在这些方面的表现都应得到关注和及时肯定。实践证明，合理“加分”对激励学生进步永远奏效。例如，为了促进学生之间的协作，笔者在某个时段让学生投票选出对自己帮助最大的同学，票数排在前五名的学生会得到额外加分。此外，若班级的阶段性任务完成量排在年级前三名，则全班学生得到整体加分。

4.开源机器人STEM创新课程教学课例

学校需要个性化的具有独创性的基于学生眼光的更有趣的案例。为此，笔者在《面向STEM的mBlock智能机器人创新课程》中，设计了20个层次不同的案例，师生可以从中选择感兴趣的、适合自己水平的案例进行制作。由于使用了Arduino开源平台，且图形化编程的案例资源日趋丰富，使学生可以借助相关网络案例资源对自己的机器人设计进行功能拓展和完善，融入自己的创意进行二次开发。例如，其中有一个结合3D建模打印的“自闭症”机器人[2]，设计理念源于台湾某次机器人比赛的口号“做简单的机器人，不作复杂的机器人，做无用的机器人，不做有用的机器人”。学生评价這款机器人很“魔幻”，爱不释手。现以此例，简述其教学过程。

（1）课前翻转，视频导入，明确目标。搜索无用机器人视频，用Makeblock设计制作一个类似患“自闭症”的机器人，并作进一步创新改进。所谓“自闭症”，指的是当装有机器人的箱盖被打开时，机器人将会自动关上箱盖。

（2）小组讨论，器材准备。各小组用PPT或视频展示介绍“自闭症”机器人的解决预案，详细说明所需要的传感器、完成机械动作的输出设备、相关器件或设备的参数及使用时的注意事项。教师引导确定最终设计目标及基本思路。

（3）难题分解，子课题认领。请学生想一想，这个项目可以分解成哪些子任务。然后组内学生分配或协调各自的任务，分别认领并完成3D建模、3D打印、机械传动组装、程序编制等子任务。教师作为“总工程师”对各子任务间的工作进行协调，学生遇到难题时大家协作攻克。

（4）机械传动调试，遭遇障碍。学生在调试时，发现舵机的动力不足以拨动钮子开关实现“自闭”。案例中没有给出解决办法，而是在课堂上将其作为动态生成问题，让学生设法运用已学知识寻找适合本装置的开关。

（5）编制程序，整体试运行。小组各自编制程序上传主控器，脱机试运行。要求完成较快的组将调试经验共享，并完成以下拓展作业：增加LED灯带，当磁感应开关被触发时点亮灯带。

以上最为耗时的环节是3D打印。学生放学后可到专门的创客教室用3D打印机完成自己的设计，每组分配两个打印机，可以同时进行外壳与传动部件的打印，所有部件全部打印完成需要12小时左右。这个机器人曾经是出现在研究生论文中的一个课题，通过恰当的设计与切入角度，成为了深受小学生欢迎的STEM课程资源，使学生从中增长了见识与能力，并获得了成功体验。

为了探寻开放的机器人硬件并创设开源机器人STEM创新课程，克服现有机器人课程的弊端，找寻机器人教育普及的突破口而编写的《面向STEM的mBlock智能机器人创新课程》，由于具备适切性、可复制性、可迁移性、可选择性、低门槛与多层次性等特点，为Arduino 机器人教育的推广创造了有力条件。随着研究的不断深入，相信会有更多教师投身到机器人教育的实践中，使其课程体系进一步完善，并使机器人教学“去精英化”，不再只是“有钱人孩子”的专属。

参考文献

[1]吴良辉， 杨青.深圳市初中机器人课程的探索与实践——兼谈《标准》的学习体会[J].中国电化教育，2012（11）：31-35.

[2]周迎春.创设意外情境 生成精彩课堂——例谈面向STEM与创客教育的小学信息技术灵动课堂[J].基础教育参考，2017（19）：44-46.

（责任编辑 郭向和）