《Arduino創(chuàng)意機器人》課程綱要

課程名稱

Arduino創(chuàng)意機器人

設(shè)計者

曹榮澤

適用年級五、六年級

總課時

課程類型

拓展性課程

課程簡介

“Arduino創(chuàng)意機器人”課程是一門交叉了多門學(xué)科的綜合性課程，涉及到許多基礎(chǔ)學(xué)科，包括數(shù)學(xué)、物理、計算機、化學(xué)、生物、多媒體等，學(xué)生在運用Arduino平臺進行創(chuàng)造開發(fā)的時候，把學(xué)習(xí)到的零碎知識與機械工程轉(zhuǎn)變成一個探究世界相互聯(lián)系的不同側(cè)面過程，它要求學(xué)生人為地對多門學(xué)科知識進行綜合創(chuàng)造，這一實踐過程使得學(xué)生在雜亂無章的學(xué)習(xí)情境中獲得設(shè)計能力、合作能力、問題解決能力和實踐創(chuàng)新能力的提升，也使得孩子們的學(xué)習(xí)變得生動有趣?！癆rduino創(chuàng)意機器人”基于學(xué)科理論，立足于實際生活，通過技術(shù)思想以及Arduino平臺的運用解決現(xiàn)實生活中的實際問題，為學(xué)生細心生活、發(fā)揮創(chuàng)造性提供了寬廣的舞臺。

背景分析

機器人是一門涉及運動學(xué)和動力學(xué)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)等多領(lǐng)域的交叉學(xué)科，其教育實施正是促使學(xué)生整合科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)領(lǐng)域的知識，以工程標準化的思想進行綜合實踐的過程，具有較強的教育價值。近年來，隨著基礎(chǔ)教育新課程改革的不斷深入實施，我國中小學(xué)機器人教育也有了較快發(fā)展，并成為中小學(xué)綜合實踐課程和技術(shù)課程的載體，其教育價值已獲得社會認可。Arduino是一塊基于開放源代碼的USB接口Simple

I/O接口板，并且具有IDE集成開發(fā)環(huán)境。通過Arduino平臺可以讓學(xué)生了解和掌握機器人的基本知識和技能，包括機器人機械部分、傳感部分和控制部分的設(shè)計與搭建以及在這個過程中需要運用的各種知識，可以培養(yǎng)學(xué)生良好的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新精神和實踐能力。

課程目標

“Arduino創(chuàng)意機器人”課程的總目標是提高小學(xué)生的創(chuàng)新能力、綜合設(shè)計能力和動手實踐能力，進而培養(yǎng)和提升學(xué)生的STEM素養(yǎng)，強調(diào)學(xué)生在直接經(jīng)驗和親身經(jīng)歷的基礎(chǔ)上，通過觀察、思考、設(shè)計、制作、試驗等活動獲得豐富的學(xué)習(xí)體驗，在生活中發(fā)現(xiàn)問題，在實踐中解決問題，在活動中獲得知識。

根據(jù)三維目標的劃分，將課程目標細分如下：

1．知識與技能

初步了解機器人的基本結(jié)構(gòu)，了解機器人在社會生活中的應(yīng)用；完成簡單的機器人設(shè)計、硬件裝配、程序編寫、功能調(diào)試等任務(wù)；通過在掌握有關(guān)機器人的知識和技能的基礎(chǔ)上，積極創(chuàng)意解決更多實際問題，在過程中培養(yǎng)創(chuàng)新精神，提高實踐能力。

2．過程與方法

在教師指導(dǎo)下，通過模仿及積極的創(chuàng)意，能夠完成簡單的機器硬件裝配、程序編寫、簡單調(diào)試等任務(wù)，使機器人能夠解決簡單的問題。

3．情感態(tài)度與價值觀

感受機器人技術(shù)的重要性以及Arduino平臺的便捷性，培養(yǎng)對Arduino機器人課程學(xué)習(xí)的興趣以及動手解決實際生活問題的興趣，提高問題意識和編程思維以及STEM素養(yǎng)，促進全面而有個性的發(fā)展。

學(xué)習(xí)主題

活動安排

在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域，機器人可以與信息技術(shù)課程進行整合，也可以與通用技術(shù)課程整合，還可以與物理、數(shù)學(xué)、生物等等相關(guān)課程進行整合，以Arduino為平臺的機器人課程教學(xué)需要搭建硬件、檢測與控制電路，然后編寫控制程序燒錄代碼，就可以控制機器人的各種動作和行為。本課程主要涉及到的教學(xué)項目有智能LED、智能風(fēng)扇、智能小車等，分為三章17課，具體的課程內(nèi)容主要為：

1．智能LED系列，包括點亮LED、按鈕控制的LED、創(chuàng)意LED三個專題，主要是Arduino的基礎(chǔ)知識。

2．智能風(fēng)扇系列，包括智能風(fēng)扇、變速風(fēng)扇、創(chuàng)意風(fēng)扇三個專題，主要是Arduino基礎(chǔ)知識的強化與深入。

3．智能小車系列，包括會走路的小車、避障小車、巡線小車三個專題，主要是Arduino機器人的綜合運用。

課時

學(xué)習(xí)主題

走進Arduino的世界

點亮LED

閃爍LED

按鈕控制LED

光線控制LED

創(chuàng)意設(shè)計

啟動風(fēng)扇

聲控風(fēng)扇

換檔風(fēng)扇

遙控風(fēng)扇

搖頭風(fēng)扇

風(fēng)扇綜合創(chuàng)意

走直線小車

走正方形小車

避障小車

遙控小車

巡線小車

作品完成和展示

評價方式

成績評定

根據(jù)課程的性質(zhì)特征，評價應(yīng)重參與、重過程，強調(diào)評價主體的多元化，教學(xué)內(nèi)容的綜合性和全面性，評價標準的合理性，以及評價方法、手段的多樣性。為此，要遵循以下原則：

1．參與性原則。注重學(xué)生在課堂的積極參與性以及與其他同學(xué)的合作，適時提供相應(yīng)的參與性評價表記錄學(xué)生的參與活動。

2．綜合性原則。評價的內(nèi)容不能片面，要綜合考慮到學(xué)生的各科知識基礎(chǔ)，學(xué)生對Arduino創(chuàng)意機器人基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)以及學(xué)生在綜合運用各個知識解決實際問題的能力。

3．激勵性原則。對于小學(xué)生來言，Arduino創(chuàng)意機器人是比較新奇的知識，在過了剛剛開始的新鮮感以后，會遇到各種各樣的問題，這個時候教師需要通過激勵性的評價，為學(xué)生的好奇心保鮮，同時鼓勵他們發(fā)揮自己的長處，大膽嘗試，創(chuàng)作出滿意的作品，提高創(chuàng)新能力以及實踐能力。

小學(xué)Arduino創(chuàng)意機器人課程中設(shè)計的任務(wù)主要以實驗操作為主，課程評價以過程性評價和終結(jié)性評價相結(jié)合的方法。主要以作品評價為主，作品可以是半成品也可以成品，根據(jù)學(xué)生的實際情況來定。最終成績按照“平時作業(yè)（40%）+最終作品(40%)+表現(xiàn)（10%）+考勤（10%）”公式給出成績。平時作業(yè)和最終作品的評價量規(guī)如下：

作品名稱

小組成員

評估指標

等級

分數(shù)

A

B

C

機器人知識

和技術(shù)

（15分）

基本了解機器人的概念、工作原理以及傳感器的作用

（0-9分）

理解機器人的概念、工作原理以及傳感器的作用

（9-12分）

掌握并能應(yīng)用機器人的知識和技術(shù)

（12-15分）

跨學(xué)科的知識

（15分）

了解了與機器人學(xué)科相關(guān)的其他學(xué)科知識

（0-9分）

掌握了學(xué)科知識，但不能將機器人和其他學(xué)科聯(lián)系起來

（9-12分）

能將其他學(xué)科的知識和機器人學(xué)科聯(lián)系起來

（12-15分）

創(chuàng)新能力

（20分）

只能按部就班的完成分配的任務(wù)

（0-12分）

能夠設(shè)計出比較有創(chuàng)意的作品，但未能實現(xiàn)

（12-16分）

能夠設(shè)計并實現(xiàn)比較有創(chuàng)意的作品

（16-20分）

程序設(shè)計

（15分）

只會按照范例編寫簡單程序

（0-9分）

能編寫和調(diào)試程序

（9-12分）

能編寫、調(diào)試和優(yōu)化程序

（12-15分）

動手實踐

能力

（20分）

連接松散、連線無序

（0-12分）

連接牢固、連線有序，完成部分任務(wù)

（12-16分）

連接牢固、連線有序，整體合理巧妙，完成全部任務(wù)

（16-20分）

實用性

（15分）

沒有體現(xiàn)實用價值

（0-9分）

有一定的實用價值

（9-12分）

有較高的實用價值

（12-15分）

作品總分

參考資料

《Arduino創(chuàng)意機器人入門》

開源課程《Arduino創(chuàng)意機器人》小學(xué)版

備注

Arduino創(chuàng)意機器人課程的選修人數(shù)一般控制在30人內(nèi)，按照2-3人一套器材進行配置。

硬件要求：配套教學(xué)器材如下：高透明塑料整理箱（小號），Arduino

UNO主板（自帶驅(qū)動模塊和擴展版），USB線，3p線（若干），小號兩用螺絲刀；LED（三個），小風(fēng)扇，鋰電池，TowerPro

SG90舵機，智能小車底盤，小電機（帶動風(fēng)扇轉(zhuǎn)動），電源插頭；數(shù)字大按鈕模塊，數(shù)字鋼球傾角傳感器，模擬環(huán)境光線傳感器，線性溫度傳感器，Mini尋線傳感器（兩個），超聲波傳感器，模擬聲音傳感器，IR

kit紅外遙控套件，數(shù)字防跌落傳感器（兩個），碰撞傳感器（左右各一）。

軟件環(huán)境：需要安裝Arduino

IDE軟件，視學(xué)生的編程能力，可以采用圖形化編程插件——Ardublock，也可以直接使用IDE環(huán)境編寫代碼。