基于智能小车的STEM科技教育案例的开发

冯洁卿 罗启龙

摘要：本案例以"智能小车"为主线开展科技教育活动，引导学生从动手制作环保小车，拼装电子电路小车、制作arduino智能小车、3D小车的设计和打印四个模块学习有关小车制作的相关知识。通过课程的学习，将掌握焊接技术、电子电路知识、arduino传感器知识、3D设计与打印等知识，提升学生的STEM素养。

关键词：智能小车;STEM;科技教育案例

中图分类号：G633.98文献标识码：A文章编号：1992-7711（2019）12-123-3

一、STEM教育内涵

SEM教育是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineer）和数学（Mathematics）教育的简称，它是八十年代美国为提升国家竞争力和劳动力创新能力而提出的一项国家教育战略，重点旨在打破学科领域边界，培养学生的科技理工素养[1]。STEM课程着重加强学生四个维度上的素养：一是科学素养，即运用科学知识理解自然界的现象;二是技术素养，即理解技术的使用，面对问题能合理选择技术并对之综合评价的能力;三是工程素养，即工程设计与开发的能力;四是数学素养，即具有概念化、抽象化、模式化的综合性思维能力。

2016年教育部出台的《教育信息化"十三五"规划》中明确指出有效利用信息技术推荐"众创空间"建设，探索STEM教育、创客教育等新的教育模式，使学生具有较强的信息意识与创新意识，养成数字化学习习惯，具备重视信息安全、遵守信息社会伦理道德与法律法规的素养[2]。

二、基于智能小车的STEM科技教育案例介绍

基于智能小车的STEM科技教育案例是一个涉及材料学、系统结构、电子电路技术、传感器技术、3D打印等多领域的科技教育案例，其过程实施能促进学生整合科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineer）和数学（Mathematics）等领域的知识，具有较高的教育意义。

1.综合性

基于智能小车的STEM科技教育案例综合了多个基础学科知识，包括数学建模、物理结构、程序设计、生物仿真等，以多学科的基础知识为支撑。

2.实践性

本案例以制作智能小车为主线，引导学生从动手制作环保小车、拼装电子电路小车、制作arduino智能小车、3D小车的设计和打印四个模块学习有关小车制作的相关知识。通过课程的学习，将掌握焊接技术、电子电路知识、arduino传感器知识、3D设计与打印等知识。

3.创造性

智能小车案例的学习不是填鸭式的知识灌输，需要学生参与到课堂活动中。通过合理选取材料和动手制作，提出解决方案的创造性想法，旨在鼓励学生发挥自己的创意，设计各种不同外观和功能的智能小车。

三、课程理念

课程的开展以案例教学法为主，教师首选提出第一阶段的任务"自选材料制作一辆小车"的案例要求，学生在完成该阶段的任务后，再接受"拼装小车"、"传感器的使用"、"3D小车设计"等任务。由于新任务都以前一阶段任务为基础，并在此基础上加以拓展，所以学生的能力在整个课程活动中逐步提升。

课程的学习以"小组合作"的形式开展，每个学生不仅要努力争取个人学习目标的达成，更要帮助小组同伴达成目标。通过小组成员间互教互学，共同完成知识建构，从而提高学生的学习兴趣和积极性，提高学习效率，促进学生间良好的合作机制，促进学生心理品质的发展。

"智能小车"科技教育案例是一个跨学科的科技案例，它涉及材料学、系统结构、电子电路技术、传感器技术、3D打印等学科知识，涵盖了物理、信息技术、通用技术、综合实践技术等课程领域，能综合提升学生的STEM素养。

四、课程目标

基于智能小车的STEM科技教育案例的总目标是提高学生的创新能力、动手制作能力和综合设计的能力，从而提升学生的STEM素养。通过本科技活动案例的学习，学生能掌握以下知识结构：

（1）掌握基本的焊接知識;（2）熟悉小车硬件组成，能够用身边材料制作简易小车;（3）了解面包板、碰撞开关等电子元器件的原理和使用方法;（4）了解arduino传感器的功能和使用方法，完成小车避障和寻迹功能;（5）能够使用3DONE软件设计小车主体，并完成打印工作;（6）在制作和调试过程中，培养发现问题、分析问题、解决问题的能力，提高小组合作的能力。

五、学习者分析

本案例针对高中生开展科技活动，高中生有丰富的理论知识基础，理论学习能力强，但普遍缺乏动手能力。他们在物理课上学习了电路知识，但侧重于理论学习，实践能力相对较弱。大部分学生未曾学习过电子学基础知识、arduino编程和传感器的知识、3D建模与打印等新技术，他们对于新知识新技术有强烈的学习兴趣。

六、教学内容

本课程内容分为四个模块开展，每个模块又分不同的课题进行，详见表1。

模块一内容为"自选材料制作一辆环保小车"。该内容要求学生选择身边的材料，制作一辆能运动起来的小车。教师除了提供双轴TT马达（130直流减速电机）、车轴、船型开关、电池盒外，其他一切材料均由学生自己身边的物品制作。因此，学生需要考虑车体和车轮的材料，并对小车进行一定的外观美化工作。因为电池盒、马达需要焊接使用，因此要学习一些简单的焊接知识，并学会万用表测电压等知识。这个模块教学内容的设计目的在于让学生掌握小车主要零部件的构成，各零部件间是如何连接工作的。同时，学生在挑选材料制作小车时，需要考虑材料学、结构学等方面的知识，对于提升废物利用的观念，有很大的帮助。

模块二内容为"电子电路知识"。为了方便教学的实施，教师可通过淘宝网购置小车底盘、TT马达、万向轮、车轮、四节电池盒、螺母螺丝、碰撞开关等材料。学生学习组装小车的过程能大大提高学生的动手能力。同时，这些电子元器件需要面包板连接使用，因此学生也需要掌握面包板的相关知识。在这个模块教学中，难点是面包板的使用和碰撞开关的使用。教学重点是学生在面包板上如何正确连接电子元器件，如何正确连接电路。

模块三内容为"arduino智能小车的制作"。Arduino是一款世界上最流行的開源硬件制作平台，具有价格低廉、容易学习、兼容性高等优点。Arduino简单的开发方式比面包板制作小车要灵活，功能的可拓展性高。本模块的arduino套件使用DFrobot公司的MiniQ小车套件（图5），套件配套的器材如下：Romeo控制器，USB线，锂电池，小车直流电机，智能小车底盘，Mini寻线传感器（两个）碰撞传感器（左右各一）。触碰传感器（图6）带有一条长长的金属条，像一个踏板一样。当金属条触碰到障碍物时，金属条被按下，电路导通，从而实现智能小车转向。MINI巡线传感器（图7）能帮助智能小车实现寻线功能，它可以检测白色背景中的黑线，也可以检测黑色背景中的白线。当检测为黑线时发出低电平信号，反之白线时为高电平信号。

模块教学上使用ArduBlock图形化编程软件。ArduBlock是一款基于Arduino的图形化编程软件，必须依附于ArduinoIDE软件才能运行。使用ArduBlock编程时，只需要拖拉图形化积木即可。其可视化的编程模式大大降低了编程门槛，让没有编程基础的人也可以完成编写程序的工作。[3]

模块四的内容为"3D小车的设计与打印"。本模块教学使用3DONE软件，让学生学会如何设计小车模型，并应用3D打印机将小车的各部分零件打印出来，组装成一个实体小车模型。小车的整体结构比较简单，主要由车架、支撑架、车轮等零件组成。学生可以根据自己的特长和能力，在小车模型的基础上进行改装和完善。

七、教学策略

本科技教育案例从生活案例出发，鼓励学生使用身边材料制作一辆小车开始引入课程，学生围绕案例教学来开展学习活动。案例由浅入深，从简单的电子电路到编程电路，从简单的材料组装到3D打印设计。通过不同模块的学习，学生逐步掌握学习内容，整合多学科知识。在整个案例活动中，鼓励学生自主探究、动手体验，在活动中发现问题，在实践中解决问题，获得知识、不断提高。

1.基于生活的教学案例设计，能激发学生的学习兴趣

本案例围绕车开展教学，学生在接触模块一"自选材料制作一辆环保小车"时，有非常高的热情，感觉回到儿时的小制作。在第一次小车竞速竞赛时，每个学生都投入到活动中。通过对比自己小组和其他小组小车的结构以及竞速效果后，明白选材和结构的重要性。在学习的过程中，教师要注意鼓励学生发挥想象，将自己的创意融入到小车外观的制作上。

在讲解模块二"电子电路知识"时，教师需要和学生一起分析碰撞开关的工作原理。碰撞开关是最常用的接触式测障传感器，它完全依靠内部的机械结构来完成电路的通和断。当碰撞开关的外部探测臂受到碰撞，探测臂受力下压，带动碰撞开关内部的簧片拨动，从而电路的导通状态发生改变。在组装电路时，用钢丝做两根触须，一左一右各连接到碰撞开关上，分别控制两个车轮的运动方向。小车的转向由改变车轮的运动方向来实现。当没有障碍物时，触须没有被挤压，不触发碰撞开关，碰撞开关默认通路，给电机提供一个"正方向"的电流，电机按"顺时针方向"运动。当有障碍物时，触须被挤压，触发碰撞开关，碰撞开关断开默认通路，连接另外的一组通路，给电机提供"反方向"的电流，于是电机按"逆时针方向"运动。最后，学生通过亲自动手实验，解决小车碰撞转弯的问题。

2.小组合作，协同学习

在教学过程中采用"小组合作，协同学习"的模式进行，为学生创造了互相认识、相互交流、相互了解的机会，整个过程注重学生在课堂上的积极参与和小组合作。在每个模块教学后，教师都安排了小组比赛，旨在通过比赛，提高学生的竞争意识，使教学活动更加生动有趣。

八、教学评价

本课例的组合灵活生动，教师可以根据学生水平开展教学活动。模块一和模块二适合大多数学生学习，他们对于自己能完成一个小车有非常高的成就感。模块三和模块四，为课程的进一步拓展，适合有兴趣的学生拓展学习。每个模块也可以单独处理教学，有非常高的教学灵活度。

[参考文献]

[1]王旭卿.面向STEM教育的创客教育模式研究[J].中国电化教育，2015，8：36-41.

[2]教育部关于印发《教育信息化"十三五"规划》的通知.中华人民共和国教育部.教技〔2016〕2号.

[3]程晨.米思齐实战手册Arduino图形化编程指南[M].北京：人民邮电出版社，2017.

[4]谢作如，张禄.Arduino创意机器人入门[M].北京：人民邮电出版社，2016.

[5]黄文恺，伍冯洁，吴羽.3D建模与3D打印快速入门[M].北京：中国科学技术出版社，2016.

作者简介：冯洁卿，广东省广州市南沙第一中学，高级教师;罗启龙，广东省广州市南沙第一中学，中级教师。

本文为南沙区教育科学"十三五"规划2018年度课题"基于互动媒体技术的STEM校本课程的开发和实践研究"（课题号：NSKY2018003）、广州市中小学综合实践活动学科2018年度"学《纲要》，推课程"专项课题"基于互动艺术设计的STEM创新教育课程资源的开发与实践研究"（课题号：2018zhsj071）的课题研究成果。