劉恩霞 翟希元 孫站英

摘要：機(jī)器人教育是今后信息技術(shù)學(xué)科教育的主要陣地，是全面培養(yǎng)學(xué)生信息素質(zhì)提高其創(chuàng)新精神和綜合實踐能力的良好平臺。開源機(jī)器入是一種應(yīng)用于科學(xué)研究和教學(xué)的資源開型機(jī)器入，其主要特點體現(xiàn)在機(jī)器人硬件或軟件的開放性，由于硬件和軟件的對外開放而得以在教學(xué)中推廣使用。近年來STEAM教育理念日漸成熟，為培養(yǎng)學(xué)生的全新精神提供了有效途徑，基于STEAM育理念，借助STEAM模式開展小學(xué)開源機(jī)器人課程的學(xué)習(xí)實踐與研究，以Arduino Nano單片機(jī)與超聲波傳等傳感器設(shè)計的智能澆花機(jī)器人為典型案例，為機(jī)器人教育提供一次有意義的探索。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;STEAM;Arduino開源硬件

一、引言

人工智能正向我們走來，機(jī)器人是人工智能的一個載體，我們所居住的環(huán)境中出現(xiàn)了無人環(huán)衛(wèi)車、無人公交車，這正是機(jī)器人在生活中的真實應(yīng)用。機(jī)器人的研發(fā)目的不正是如此嗎？STEAM教育要求以科學(xué)的態(tài)度認(rèn)知事物，以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，從工程和藝術(shù)的角度解讀科學(xué)和技術(shù)，以跨學(xué)科的理念將不同類型的學(xué)科融合，為當(dāng)代社會的進(jìn)步提供優(yōu)秀人才支持。

機(jī)器人是一個綜合了機(jī)械原理、電子傳感器、計算機(jī)硬件及人工智能等眾多行進(jìn)技術(shù)多學(xué)科的研究領(lǐng)域。開源機(jī)器人（open Source Robot）是一種應(yīng)用于科學(xué)研究和教學(xué)的資源開放型機(jī)器人。其主要特點體現(xiàn)為機(jī)器人硬件或軟件的開放性。由于硬件和軟件資源的對外開放，極大地方便了機(jī)器人技術(shù)的交流及二次開發(fā)，學(xué)生可以根據(jù)自己設(shè)計自主搭建、自主編寫代碼，充分發(fā)揮其樂于創(chuàng)造的天性，因此，開源機(jī)器人備受師生的推崇。教育機(jī)器人在國內(nèi)尚處于起步階段，缺少課程標(biāo)準(zhǔn)與教學(xué)專家的參與和指導(dǎo)。

本文基于為機(jī)器人課堂注入更多創(chuàng)造力、更多批判性、可持續(xù)性的元動力，以項目式學(xué)習(xí)為依托，以小學(xué)Arduino開源硬件課程設(shè)計與實踐為主要內(nèi)容進(jìn)行研究，以期為開源硬件教育的進(jìn)一步實踐提供參考。

二、相關(guān)概念

（一）Arduino開源硬件

Arduino是一款簡單易用、便于上手的開源電子原型平臺，包含硬件部分（各種符合Arduino規(guī)范的開發(fā)板）和軟件部分（Arduino IDE和相關(guān)的開發(fā)包）。硬件部分（或稱開發(fā)板）由微控制器（MCU）、閃存（Flash）以及一組通用輸入/輸出接口（GPIO）等構(gòu)成，你可以將它理解為是一塊微型電腦主板。

軟件部分則主要由PC端的Arduino IDE以及相關(guān)的板級支持包（BsP）和豐富的第三方函數(shù)庫組成。使用者可以借由Arduino IDE輕松地下載你所持有的開發(fā)板相關(guān)的BSP和需要的函數(shù)庫，用于編寫你的程序。Arduino IDE是一個基于C語言的編程環(huán)境，通過程序的編寫、上傳控制Arduino硬件，控制多種傳感器、伺服馬達(dá)等零件，完成自動控制，但C語言的編程環(huán)境對編程者要求較高，隨后Arduino官方平臺開發(fā)了基于圖形化編程的Ardublock（圖1），北京師范大學(xué)基于Goolge的Blockly圖形化編程軟件開發(fā)了Mixlv（圖2），Citilab和Smalhalk團(tuán)隊在圖形化編程軟件Scratch的基礎(chǔ)上改版推出了Scratch for Arduino（圖3），動力貓公司基于Scratch3.0圖形化編程軟件開發(fā)了Scraino（圖2），這些圖形軟件各有千秋，使Arduino編程門檻降低，使其得以走進(jìn)小學(xué)課堂教學(xué)，促進(jìn)了Arduino開源平臺在教學(xué)中的廣泛使用。

（二）STEAM教育

STEAMEducaion是科學(xué)（Science），技術(shù)（Technology），工程（Engineering），藝術(shù)（Arts），數(shù)學(xué)（Mathematics）五個首字母的簡稱。STEAM教育就是集科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)為一體的，多學(xué)科、跨學(xué)科、多元化智能融合的教育理念。STEAM教育在國外叫做STEM，因部分學(xué)者主張認(rèn)為STEM只是“理工科”的學(xué)習(xí)，但它又不僅僅只包含理工科的知識。還有藝術(shù)、人文、社會、情感等學(xué)科的融入，所以應(yīng)該加上一個A，即藝術(shù)（Arts），故而STEM變成了STEAM。STEAM教育要求以科學(xué)的態(tài)度認(rèn)知事物，以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，從工程和藝術(shù)的角度解讀科學(xué)和技術(shù)，以跨學(xué)科的理念將不同類型的學(xué)科融合。

STEAM教育要求學(xué)習(xí)者基于問題的學(xué)習(xí)、基于探索式的學(xué)習(xí)、基于項目式的學(xué)習(xí)、基于情景式的學(xué)習(xí)。

STEAM教育要求教育者擁有多學(xué)科、跨學(xué)科、綜合性、多面性的知識，以趣味性、游戲性的教學(xué)方式去設(shè)計和開發(fā)STEAM課程。

教師需要合理安排教學(xué)過程，即如何讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題;如何設(shè)計解讀問題的方法;如何利用科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)、藝術(shù)等知識解決問題;如何運用理性方法驗證解決效果。

本機(jī)器人項目按照：確定主題—功能目標(biāo)設(shè)定一資源儲備—項目設(shè)計一多元評價的流程進(jìn)行實踐。

三、STEAM教育理念下的小學(xué)機(jī)器人課程教學(xué)實踐研究

（一）確定實踐項目主題

STEAM教學(xué)強(qiáng)調(diào)知識整合能力，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)解決實際問題的能力，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，項目主題的確定關(guān)系到項目活動能否順利進(jìn)行，一個貼近生活，富有挑戰(zhàn)性的主題既能激發(fā)學(xué)生興趣，又能讓學(xué)生利用已有知識儲備探究新知。項目主題的來源既可以是課程標(biāo)準(zhǔn)、日常生活，又可以是社會和國家的重大事件。選題原則：一是生活性。吸引學(xué)生參與項目之中，創(chuàng)造性地開展學(xué)習(xí)實踐。二是學(xué)科綜合性。讓學(xué)生綜合應(yīng)用多學(xué)科知識發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，得到跨學(xué)科知識應(yīng)用的能力。三是復(fù)雜性。具有一定復(fù)雜性能，融合多學(xué)科知識，喚起學(xué)生已有知識經(jīng)驗。四是實踐性。讓學(xué)生在創(chuàng)新實踐中提升對知識的應(yīng)用能力和問題解決能力。

由于社團(tuán)的學(xué)生受個人能力及第一次參與這樣的主題活動沒有經(jīng)驗的限制，我和同學(xué)們共同進(jìn)行了此次活動的選題。

隨著生活質(zhì)量的提高，越來越多的人喜歡在家里種植一些花卉，既能增加美感，又能凈化空氣。但隨著現(xiàn)代生活節(jié)奏的加快，人們因為出差、旅行、工作忙碌等種種原因而不能及時地為家中的盆栽及時地補(bǔ)充水分，從而導(dǎo)致盆栽因為缺水而枯萎。為了解決這一問題，同學(xué)們確定了設(shè)計制作智能澆花機(jī)器人的主題。

（二）功能目標(biāo)界定

從主題出發(fā)將分散的學(xué)科知識進(jìn)行整合以界定功能目標(biāo)。首先，讓學(xué)生進(jìn)行調(diào)研分析目前網(wǎng)絡(luò)上展示的各種澆花裝置的優(yōu)缺點，學(xué)生認(rèn)為現(xiàn)有的澆花裝置處于靜態(tài)模式，不能移動澆水，因此，學(xué)生創(chuàng)造性地提出以移動小車為平臺進(jìn)行澆水作業(yè)。其次，讓學(xué)生討論研究澆花的次數(shù)，經(jīng)學(xué)生討論認(rèn)為目前先實現(xiàn)澆一盆比較合理。最后，讓學(xué)生探討哪些Arduino傳感器和元件可以實現(xiàn)智能澆花小車的功能。

經(jīng)過同學(xué)們的研究將此項目在設(shè)計上分為四部分：啟動裝置、尋跡部分，澆水部分，澆水結(jié)束。

當(dāng)花盤中的土壤傳感器的濕度達(dá)到一定值時，通過藍(lán)牙通信啟動裝置;尋跡部分又分為初步檢測花盆位置，行進(jìn)中檢測花盆位置，進(jìn)入花盆近距檢測時進(jìn)一步精確花盆位置，以確定合適的澆水位置停止行進(jìn);通過水泵進(jìn)行澆水操作;當(dāng)土壤傳感器達(dá)到一定值時再次通過藍(lán)牙通信停止抽水作業(yè)，機(jī)器人退回，澆水結(jié)束。

（三）資源儲備

資源是批支持學(xué)習(xí)者完成項目的工具或材料，項目的主要資源集中在創(chuàng)客教室內(nèi)。Arduino開源硬件資源主要可以分類兩類：技術(shù)類資源、輔助類資源。

技術(shù)類資源包括：Arduino開源硬件及其傳感器、計算機(jī)、伺服電機(jī)、搭建構(gòu)建、Scraino圖形化編程軟件等。

輔助類資源包括：視頻、圖書、支持學(xué)習(xí)的技術(shù)環(huán)境等。

（四）項目設(shè)計

本項目使用的開源硬件是動力貓公司提供的ArduinoNano單片機(jī)及其傳感器套件及其公司開發(fā)的基于Scratch 3.0的圖形化編程軟件Scraino2.2，Nano單片機(jī)功能較強(qiáng)，體積小，耗能小，兼容市場上大多數(shù)Arduino傳感器，其Scraino軟件開放性較強(qiáng)支持市場上大多數(shù)Arduino單片機(jī)。

1.流程控制框架

引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)本項目的程序功能寫出總流程圖，根據(jù)總流程圖把整個程序劃分成LED顯示模塊、藍(lán)牙通信模塊、超聲波尋跡模塊、澆水模塊、澆水結(jié)束五個主要的功能模塊，每個功能模塊都要寫出基本流程圖，這主要是為以后的程序編寫起到一個指導(dǎo)作用。當(dāng)然，在實際的程序編寫過程中肯定會有一些改動，一個基本的流程會指導(dǎo)學(xué)生在寫程序的過程中不會出現(xiàn)太大的偏差。每個功能模塊定義為獨立函數(shù)，模塊間使用遞歸調(diào)用，數(shù)據(jù)傳遞變量定義為全局變量。

2.電子元件精度測試

引導(dǎo)學(xué)生上網(wǎng)查閱傳感器手冊并編寫簡單測試程序?qū)﹄娮釉M(jìn)行精度測試。項目中需要配對使用的電子元件，首先要進(jìn)行相應(yīng)的精度測試，然后選擇精度相近的電子元件配對使用。本項目中尋跡模塊中使用的超聲波傳感器和兩個差速電機(jī)都需要配對使用。

（1）電機(jī)配對

本項目中要讓小車直線行進(jìn)、轉(zhuǎn)彎，經(jīng)過充人測試程序，測得如下數(shù)據(jù)：車前進(jìn)或后退操作時兩個電機(jī)相同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，車子基本直線運動;在執(zhí)行轉(zhuǎn)彎操作時，左右兩邊電機(jī)以同樣速度旋轉(zhuǎn)一定角度時扭力有一定的偏差，兩個電機(jī)轉(zhuǎn)速大概相差10，這個問題我們通過后期程序編寫中的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了校正，另外搭建好的車子正常行進(jìn)時兩個電機(jī)的轉(zhuǎn)速要在70以上，低于70轉(zhuǎn)時車子動力不足。

（2）超聲波傳感器的配對

起初先在距離小車1米處放置障礙物，之后讓數(shù)碼管讀取超聲波傳感器數(shù)值，讓數(shù)值較為接近的兩個傳感器配對，但由于傳感器返回的數(shù)值是一個不穩(wěn)定動態(tài)值，這種方法并不可行;之后我們還是在小車1米處放置障礙物，讓小車在距離障礙物10厘米處停下，選取兩個最接近10厘米值的超聲波傳感器進(jìn)行配對使用。

3.設(shè)計機(jī)器人搭建模型

引導(dǎo)學(xué)生通過查閱資料以及根據(jù)對車輛的已有認(rèn)識，進(jìn)行項目模型的構(gòu)建，為了使小車的底盤更加穩(wěn)健，外形更加美觀，同學(xué)們熱烈討論，提出不同方案，經(jīng)過設(shè)計修改，再設(shè)計再修改，學(xué)生終于確定小車為履帶式，三個超聲波傳感器扇形于車頭前擺放，水槽置于后輪承重梁上方的方案。在這個過程中注重引導(dǎo)學(xué)生搭建模型要符合功能需求，在注重科學(xué)性的同時還要具有美感。

4.組裝搭建機(jī)器人

引導(dǎo)學(xué)生以工程的角度分析搭建機(jī)器人的車身、組裝馬達(dá)、安裝主動輪及從動輪、履帶，安裝擴(kuò)展板，安裝單片機(jī)、超聲波傳感器、LED屏、舵機(jī)、伺服電機(jī)等，并將單片機(jī)與各個電子元件利用杜邦線相連，最終搭建完成的機(jī)器人如圖：

5.超聲波尋跡探測原理

引導(dǎo)學(xué)生運用已有的科學(xué)、數(shù)學(xué)知識對超聲波尋跡探測原理進(jìn)行分析，并推算出探測公式，由于小學(xué)生數(shù)學(xué)知識儲備相對較少，教師引導(dǎo)學(xué)生多做測試，盡可能通過測試獲得所需數(shù)據(jù)，闡述如下：

首先引導(dǎo)學(xué)生通過對超聲波傳感器原理進(jìn)行分析，使學(xué)生認(rèn)知到一個超聲波傳感器可以測距避障，如果兩個超聲波傳感器同時對一個花盆測距呢？能不能探測尋找花盆呢？學(xué)生通過實驗得出了兩個超聲波一左一右按一定角度擺放然后進(jìn)行差值運算控制電機(jī)1和電機(jī)2的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)哪邊超場波距離花盆近，車子向哪邊拐，近而尋找花盆，在此基礎(chǔ)引導(dǎo)學(xué)生引入第三個超聲波會感器讓車子在距離花盆10厘米處停下，車子的行走路線呈S型。（如圖）

測試實驗過程中及時引導(dǎo)學(xué)生通過過已有數(shù)學(xué)知識建立公式模型：（此表中超聲波傳感器簡稱超）

這個過程很好地體現(xiàn)了數(shù)學(xué)、科學(xué)、物理、藝術(shù)等學(xué)科的高度融合，學(xué)生對于如何批判性地去思考問題，創(chuàng)造性地解決問題的過程有了一個良好的體驗。

6.編程調(diào)試

在編寫程序的過程中指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)項目功能進(jìn)行模塊化（函數(shù)）編寫，以遞歸方式調(diào)用函數(shù)，使用全局變量進(jìn)行函數(shù)間的數(shù)據(jù)傳遞。在程序中設(shè)置陷阱程序反復(fù)核對運行狀態(tài)來應(yīng)對軟硬件錯誤，下面以超聲波尋跡探測模塊為例闡述如下：

這個函數(shù)的編寫主要用到了Scraino圖形化軟件中的“算定義模塊”“重復(fù)執(zhí)行到”“如果……否則……”等程序指令。首先通過控制電機(jī)原地扭動車子，讓超聲波傳感器感知到花盆的存在，之后進(jìn)入s行走功能，對過比較左右兩個超聲波傳感器的差值控制兩個電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)邊行進(jìn)邊轉(zhuǎn)向功能，這其中針對超聲波傳感器的性能，我們先通過對超聲波感器數(shù)值除以3再向下取整的方式降低超聲波傳感器數(shù)值精度，以取得對編程有用的數(shù)值。行進(jìn)中實時判斷超聲波傳感器距離花盆的距離，如果距離小于10厘米，讓電機(jī)轉(zhuǎn)速為0車子停止。（因Scraino為圖形化編程，程度截圖無法完全展開，而其又支持獲得Arduino IDE編碼，故以編碼形式展示。）

在編程的過程中學(xué)生對利用框架思維發(fā)現(xiàn)問題有了一定的認(rèn)識;對利用問題拆解思維思考問題有了一定的了解體會，對通過函數(shù)思維解決問題有了進(jìn)一步的內(nèi)化體驗。學(xué)生的編程思維得以很好的訓(xùn)練。

（四）多元評價

本項目在小學(xué)五年級社團(tuán)中開展，為期一學(xué)期，一共16課時，在項目實踐的過程中不斷對小組團(tuán)隊合作、項目評價進(jìn)行了有意義的評價，基于評價學(xué)生再不斷修改不斷完善作品。

1.小組團(tuán)隊合作

在本項目開展過程中，每組都有自己的小組合作學(xué)習(xí)記錄本，用來記錄學(xué)生個人得分和小組得分，主要由成員參與度、發(fā)現(xiàn)問題情況、解決問題態(tài)度等組成，每次活動后評選出最優(yōu)秀的學(xué)習(xí)小組，活動結(jié)束后總評。這個評價過程提高了學(xué)生的凝聚力，對學(xué)生個人也起到了良好行為的約束。

2.項目評價

項目通過交流、展示，向其他人講解項目原理、實施過程、結(jié)果分析，回答他人提出的有關(guān)問題，進(jìn)一步加深對項目的理解和相關(guān)知識的應(yīng)用。

四、結(jié)語

智能澆花機(jī)器人項目，通過項目學(xué)習(xí)的方式，引領(lǐng)學(xué)生借助信息技術(shù)學(xué)習(xí)項目必備知識，精心設(shè)計機(jī)器人搭建模型，通過對電子元件及拼接構(gòu)建的進(jìn)行結(jié)構(gòu)等方面的分析完成工程搭建，利用圖形化編程軟件進(jìn)行編程，最后對項目進(jìn)行科學(xué)評價。在設(shè)計與研究機(jī)器人項目的沉積中，學(xué)生充分體驗STEAM教育思想學(xué)習(xí)的整個過程，跨學(xué)科的融合有效培養(yǎng)了小學(xué)生利用批判性的思維思考問題，創(chuàng)造性地解決問題的能力。期望此項目的實踐研究能為今后小學(xué)開源機(jī)器人課程的研究提供些許新思路。