“智造機(jī)器人”小學(xué)S4A課程實(shí)驗(yàn)
龍麗嫦
一、實(shí)驗(yàn)背景
自我國(guó)實(shí)施中小學(xué)信息技術(shù)教育以來(lái)，學(xué)術(shù)界一直在討論學(xué)科的價(jià)值和定位，近年來(lái)尤為激烈。作為長(zhǎng)期在教學(xué)田野里耕耘的教研員和一線教師，關(guān)注學(xué)科課程研究發(fā)展的同時(shí)，更多的努力是尋求解決課程實(shí)施問(wèn)題的方法，找到發(fā)展的突破口，使課程目標(biāo)與課程載體內(nèi)容和教學(xué)操作減少落差，才能實(shí)現(xiàn)學(xué)科課程提出的育人目標(biāo)和價(jià)值所在。
信息技術(shù)課程是一門年輕的課程，且其工具性和社會(huì)性極強(qiáng)，受技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的牽制和影響較大。同時(shí)，由于課程年輕，對(duì)其研究的廣度、深度尚不足，以及實(shí)施過(guò)程中受師資水平、教材承載、課時(shí)設(shè)置、地區(qū)差異等各種因素影響，致使課程目標(biāo)較多停留在軟件操作層面，難以落實(shí)培養(yǎng)學(xué)生利用信息技術(shù)解決問(wèn)題的意識(shí)和能力的目標(biāo)。
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，目前信息技術(shù)課程體系已不能滿足不同層次學(xué)校的學(xué)習(xí)需求。橫觀各地的教材和縱觀多年來(lái)實(shí)施的信息技術(shù)課程情況，筆者認(rèn)為，小、初、高三個(gè)階段對(duì)課程呈現(xiàn)的邏輯框架及技術(shù)載體、教材組織呈現(xiàn)，作為課程體系外顯的關(guān)鍵性問(wèn)題，是影響我們多年來(lái)課程實(shí)施質(zhì)量目標(biāo)不達(dá)的主要因素之一。因此，我們?cè)谥匦驴絾?wèn)學(xué)科課程核心價(jià)值定位的同時(shí)，也需要拷問(wèn)承載學(xué)科課程的邏輯框架和載體方式，才有可能在課程自身建設(shè)層面首先將理念連接落地。
為尋求課程研究的突破口，筆者作為教研員先后引領(lǐng)區(qū)域開展過(guò)關(guān)于有效任務(wù)設(shè)計(jì)、虛擬機(jī)器人進(jìn)課堂、Scratch創(chuàng)作等研究。在這些專項(xiàng)研究中，筆者發(fā)現(xiàn)，缺乏學(xué)科課程的上位思考和頂層設(shè)計(jì)的研究，很容易又陷入軟件教學(xué)、工具教學(xué)的境地，包括近2年逐漸熱火的Scratch的教學(xué)實(shí)踐。
在接觸Scratch教學(xué)與計(jì)算思維理論之后，筆者認(rèn)同引入計(jì)算思維作為信息技術(shù)學(xué)科課程的理論基礎(chǔ)以及核心內(nèi)在價(jià)值，以反映學(xué)科的核心性和穩(wěn)定性，同時(shí)提升信息科學(xué)的不可替代性。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)計(jì)算思維的研究仍然處于理論研究和實(shí)踐的初步探索階段。毋庸置疑，機(jī)器人教育是計(jì)算思維培養(yǎng)的關(guān)鍵性載體內(nèi)容之一。在2012年中國(guó)教育技術(shù)協(xié)會(huì)信息技術(shù)教育專業(yè)委會(huì)員研制《基礎(chǔ)教育信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)(2012版)》工作中，李藝教授等極力主張“機(jī)器人進(jìn)課堂”，但是“機(jī)器人進(jìn)課堂”要實(shí)現(xiàn)草根化、去精英教育，其硬件平臺(tái)必須具備價(jià)格低廉并可自制、無(wú)需專用場(chǎng)室、開源可擴(kuò)展和符合機(jī)器人的教育性要求，而且關(guān)鍵還需要形成一套可操作、可實(shí)施的課程內(nèi)容體系。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想，首先涉及到機(jī)器人教育課程的研發(fā)，然后才是課程實(shí)施的師資培訓(xùn)。而機(jī)器人教育課程的研發(fā)人，一方面要具備電子電路知識(shí)，另一方面還要具備編程能力。我們可以想象，如果研發(fā)出自制機(jī)器人的核心課程及其配套器件，價(jià)格低廉的課程套件，就象科學(xué)課程的材料包一樣配套到校，無(wú)需機(jī)器人專用場(chǎng)室，可使機(jī)器人的普及教育成為可能。同時(shí)，它開源、可擴(kuò)展，有條件的學(xué)校和有想法、有能力的教師可以基于此培養(yǎng)學(xué)生在計(jì)算機(jī)科學(xué)和科技教育創(chuàng)新上得到更高層次的發(fā)展。
二、實(shí)驗(yàn)情況
1.研發(fā)機(jī)器人課程的人才
研發(fā)機(jī)器人課程需要具有電子硬件能力的教育人。在筆者研究團(tuán)隊(duì)中，有一位叫曾祥潘的一線小學(xué)教師，他專業(yè)發(fā)展全面而扎實(shí)，頭腦靈活有想法，也十分關(guān)注學(xué)科前沿研究，更可貴的是，他具有電子硬件特長(zhǎng)，能夠擺弄電子元件和動(dòng)手制作電子產(chǎn)品，促使和支持他成為開發(fā)軟硬結(jié)合的機(jī)器人課程的先行者之一。
2.研發(fā)機(jī)器人課程的探索路徑
曾祥潘老師在研究團(tuán)隊(duì)的引領(lǐng)下自2012年起開始思考學(xué)校實(shí)施開源硬件機(jī)器人教育的途徑。思考探索的路徑是：首先尋找硬件，降低硬件成本，再而尋找與其配對(duì)的軟件。曾老師首先嘗試了基于Arduino的硬件編程，以其代替機(jī)器人商業(yè)產(chǎn)品核心套件，但是由于Arduino板的原生軟件是字符界面的，對(duì)于中小學(xué)生的編程有較大難度，即使ArduBlock已經(jīng)改良為積木式編程，對(duì)小學(xué)生而言仍然有難度。后來(lái)，有幸瀏覽到溫州中學(xué)謝作如老師在個(gè)人博客上傳播的S4A互動(dòng)媒體課程，繼而開始了對(duì)S4A的探索。
3.S4A與其機(jī)器人課程
機(jī)器人教育課程的研發(fā)者，需要研究比較并且找到能夠替代商品機(jī)器人的硬件和軟件體系。
（1）商品機(jī)器人系統(tǒng)組成
（2） S4A機(jī)器人系統(tǒng)組成
如圖2所示，使用Arduino主控板作為控制器。由于開源的Arduinos板價(jià)格低廉，接口資料公開且支持豐富多樣的傳感器和執(zhí)行器，而傳感器和執(zhí)行器采用市面常用零件，選擇面十分寬廣。機(jī)器人編程軟件使用S4A軟件。S4A(Scratch for Arduino）,是基于Scratch衍生的二次開發(fā)軟件，具有原生的Scratch圖形化程序設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和功能，簡(jiǎn)單易懂，并且能與Arduino板連接，利用S4A進(jìn)行機(jī)器人編程。教師還可以利用各種各樣的可回收資源，例如泡沫材料、紙板、光盤片等，指導(dǎo)孩子收集和制作為機(jī)器人造型的零件，為孩子科技教育創(chuàng)作空間提供了無(wú)限可能，極具培養(yǎng)創(chuàng)新思維的教育價(jià)值。
4.開展機(jī)器人課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)
曾祥潘所在學(xué)校，廣州市白云區(qū)景泰小學(xué)建設(shè)有校本個(gè)性化選修課程體系，課程以選修的方式向全校學(xué)生跨年級(jí)開出。得益于學(xué)校這種課程機(jī)制，曾老師邊研發(fā)邊實(shí)驗(yàn)，他擬構(gòu)建的機(jī)器人課程為《智造機(jī)器人》，以11個(gè)課時(shí)實(shí)現(xiàn)，每課完成一個(gè)小項(xiàng)目，最終目標(biāo)是將支持學(xué)生完成一個(gè)“土制機(jī)器人”，課程內(nèi)容框架如表1所示。
三、實(shí)驗(yàn)案例
【課題】閃爍的星星——使用隨機(jī)數(shù)控制LED閃爍
【實(shí)例設(shè)計(jì)意圖】利用LED閃爍作為數(shù)據(jù)輸出信號(hào)，是常見的反饋方式之一。在Arduino及其他單片機(jī)編程學(xué)習(xí)中，點(diǎn)亮LED是最為經(jīng)典的案例，因而作為“智造機(jī)器人”的核心課程也必然安排它。通過(guò)內(nèi)容分析發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)案例較為單調(diào)，趣味性不夠，體現(xiàn)計(jì)算思維不足。因此，在亮滅控制的基礎(chǔ)上增加LED模擬星星閃爍的內(nèi)容。
【位置與目標(biāo)】本課是《智造機(jī)器人》課程的第二節(jié)的內(nèi)容。在上一課“初識(shí)S4A”中，學(xué)生已經(jīng)初步掌握Arduino板的安裝及利用S4A積木塊編寫程序控制LED燈的亮滅。本課在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生如何利用S4A的循環(huán)和隨機(jī)數(shù)積木塊，編寫LED控制程序，實(shí)現(xiàn)控制LED模擬星星閃爍的效果。
【器材準(zhǔn)備】
必備硬件：Arduino主控板；本課選用的電子元件：藍(lán)色LED、470歐姆電阻、面包板、杜邦線、USB-AB線。
【認(rèn)知建構(gòu)路徑】
1.
2. 動(dòng)手操作：實(shí)踐體驗(yàn)，掌握LED、電阻與Arduino板的線路連接方法，領(lǐng)悟LED的13號(hào)管腳連接、電阻連接限流的作用。
四、實(shí)驗(yàn)反思
案例實(shí)驗(yàn)表明，S4A課程內(nèi)容基于控制交互的動(dòng)手探究學(xué)習(xí)，小學(xué)生的參與興趣十分濃厚，學(xué)習(xí)思維活躍，自始至終投入最大的注意力到學(xué)習(xí)中來(lái)。而且學(xué)生能夠掌握基于電子元件的動(dòng)手操作連接，并接受和理解基于S4A的編程互動(dòng)實(shí)現(xiàn)自己的想法和意圖。
S4A是承載和培養(yǎng)計(jì)算思維的內(nèi)容載體，但是在研發(fā)和實(shí)施S4A課程中，如何滲透計(jì)算思維，既在內(nèi)容體系中邏輯滲透，也在教學(xué)法上融入滲透，實(shí)現(xiàn)計(jì)算科學(xué)的教育目標(biāo)和價(jià)值，需要理論把握和實(shí)踐驗(yàn)證。因此，曾祥潘老師的“智造機(jī)器人”課程的研發(fā)，無(wú)論是課程結(jié)構(gòu)、內(nèi)容選取、元器件準(zhǔn)備、制作以及教材內(nèi)容組織、教學(xué)法等方面，還需要進(jìn)一步斟酌研究和驗(yàn)證。否則，也只不過(guò)是新增了電子元件機(jī)器人課程內(nèi)容模塊，不一定能夠達(dá)到計(jì)算思維和創(chuàng)新教育的培養(yǎng)目標(biāo)。
此外，傳統(tǒng)課堂的40分鐘遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足此類課程，如能實(shí)現(xiàn)，最好是以連堂2節(jié)作為每次課程的教學(xué)時(shí)間，方能利于每次項(xiàng)目主題課的充分實(shí)踐與探究。
（作者單位：廣東廣州市白云區(qū)教育發(fā)展中心）
參考文獻(xiàn)
[1]李藝,鐘柏昌.基礎(chǔ)教育信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)：起點(diǎn)、內(nèi)容與實(shí)施[J].中國(guó)電化教育,2012(10).
[2]范運(yùn)平.S4A在臺(tái)灣中小學(xué)的發(fā)展概況及其多元的應(yīng)用可能性[J].中國(guó)信息技術(shù)教育,2014(5).