Arduino创意机器人课程纲要.docx

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Arduino创意机器人课程纲要

Arduino创意机器人-课程纲要

“Arduino创意机器人”课程纲要

“多平台、跨学科、聚类化、重创造的中小学机器人教育研究”课题组

机器人是一门涉及运动学和动力学、系统结构、传感技术、控制技术等多领域的交叉学科，其教育实施正是促使学生整合科学、技术、数学领域的知识，以工程标准化的思想进行综合实践的过程，具有较强的教育价值。

近年来，随着基础教育新课程改革的不断深入实施，我国中小学机器人教育也有了较快发展，并成为中小学综合实践课程和技术课程的载体，其教育价值已获得社会认可。

Arduino是一块基于开放源代码的USB接口SimpleI/O接口板，并且具有IDE集成开发环境。

通过Arduino平台可以让学生了解和掌握机器人的基本知识和技能，包括机器人机械部分、传感部分和控制部分的设计与搭建以及在这个过程中需要运用的各种知识，可以培养学生良好的信息素养、创新精神和实践能力。

一、课程性质和理念

（一）课程性质

Arduino创意机器人遵循STEM科学、技术、工程、数学四位一体的理念，学生在运用Arduino平台进行机器人创造开发的时候，把学习到的零碎知识与机械工程转变成一个探究世界相互联系的不同侧面过程，使得学生在杂乱无章的学习情境中获得设计能力、合作能力、问题解决能力和实践创新能力的提升。

1．科学性

Arduino创意机器人是一门交叉了多门学科的综合性课程，涉及到许多基础学科，包括数学、物理、计算机、化学、生物、多媒体等，它是以多种学科的基础理论作为前提的。

2．实践性

Arduino创意机器人具有很强的实践性，学生在学习该课程的时候必须参与到机器人设计制作的过程中来，这一实践过程也使得学生的学习变得生动有趣。

3．综合性

在Arduino创意机器人的学习过程中仅仅拥有物理、生物、化学等基础知识是远远不够的，它要求学生人为地对多门学科知识进行综合创造，在创造发明的基础上，综合运用多学科知识，

实际问题。

这一系列的活动都需要学生参与其中并主动实践。

3．通过教学项目的聚类设计，提高学生学习效率

聚类设计是依据某种线索组合一系列项目，形成具有内在联系、具有螺旋上升和发散结构的教学单元，循序渐进地开展项目化教学。

聚类化教学项目的开发以创造能力的培养为导向，以基于项目的学习为模式，以学科内容的整合为核心，以某种聚类方式为主线，从而提高学生的学习效率。

二、课程目标

Arduino创意机器人课程的总目标是提高学生的创新能力、综合设计能力和动手实践能力，进而培养和提升学生的STEM素养，强调学生在直接经验和亲身经历的基础上，通过观察、思考、设计、制作、试验等活动获得丰富的学习体验，在生活中发现问题，在实践中解决问题，在活动中获得知识。

根据三维目标的划分，将课程目标细分如下：

1．知识与技能

初步了解机器人的基本结构，了解机器人在社会生活中的应用；完成简单的机器人设计、硬件装配、程序编写、功能调试等任务；通过在掌握有关机器人的知识和技能的基础上，积极创意解决更多实际问题，在过程中培养创新精神，提高实践能力。

2．过程与方法

在教师指导下，通过模仿及积极的创意，能够完成简单的机器硬件装配、程序编写、简单调试等任务，使机器人能够解决简单的问题。

3．情感态度与价值观

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，提高问题意识以及STEM素养，促进全面而有个性的发展。

三、课程内容

在基础教育领域，机器人可以与信息技术课程进行整合，也可以与通用技术课程整合，还可以与物理、数学、生物等等相关课程进行整合，以Arduino为平台的机器人课程教学需要搭建硬件、检测与控制电路，然后编写控制程序烧录代码，就可以控制机器人的各种动作和行为。

本课程主要涉及到的教学项目有智能LED、智能风扇、智能小车等，分为三章22课，具体的课程内容主要为：

1．智能LED系列，包括点亮LED、按钮控制的LED、创意LED三个专题，主要是Arduino的基础知识。

2．智能风扇系列，包括智能风扇、变速风扇、创意风扇三个专题，主要是Arduino基础知识的强化与深入。

3．智能小车系列，包括会走路的小车、避障小车、巡线小车三个专题，主要是Arduino机器人的综合运用。

四、教材编写建议。

Arduino创意机器人课程教材的开发和编写，应该以本指导纲要为基本依据，认真贯彻落实基础教育课程改革的基本理念和目标，发挥课程在促进学生全面发展方面的特殊作用，结合当地实际，为学校实施课程教学提供直接指导，为学生的终身发展服务。

Arduino创意机器人课程的教材编写，应该遵循如下建议：

（一）把握课程目标

Arduino创意机器人课程涉及到的知识领域十分广泛，但是课程的核心价值在于学生创造力思维以及实践能力的培养，因此教材在编写的时候应该在知识与技能习得的基础上，侧重过程与方法部分，在这一实践当中，培养学生的情感态度与价值观。

（二）丰富课程内容

Arduino创意机器人的课程内容十分丰富，除了Arduino以及机器人基础知识的习得，可以多选取贴近学生实际生活的案例以及跟进时代发展的内容，认真挖掘本课程的独特价值。

同时，作为信息技术学科的延伸学科，要遵循和借鉴信息技术课程、通用技术（劳动与技术）课程、综合实践活动等课程的基本理念、内容、要求。

作为一门实践性非常强的学科，Arduino创意机器人的教材在编写时要注意强调学生良好的操作行为和习惯的培养，同时，作为一门以解决实际生活问题为主要目的的学科，在教材编写的过程中，要注重培养学生对真、善、美的追求，树立正确的世界观、人生观、价值观。

（三）加强教学研究

要培养学生的创新精神，教材本身所渗透的教学设计、教学模式、教学方法和教学评价也必须具备创新性，要在深入开展教学研究的基础上实施教材开发与编写工作，同时要争取课程与教学专家参与和指导。

五、课程实施建议。

（一）教学建议

教学有法但是教无定法，教师在课堂中应该超越教学设计的预设，激发课堂的生机与活力，但是在课堂之前，教师要做的则是认真做好教学设计，只有准备充足了，才可以运用自如，使得课堂生动有趣。

在教学设计方面，教师可能要考虑到以下几点内容：

1．教学内容应在符合学生认知水平的基础上力求充实。

在做教学设计的时候要充分考虑到学生的原有知识水平，Arduino创意机器人的教学是以学生原有的基础学科的知识作为前提的，所以对学生原有知识的考查至关重要。

教学内容的设计也是在考虑到学生原有水平的基础上进行的。

教学内容在考虑到学生原有水平基础的同时，还要注意其与时代、生活的紧密联系，这样的内容才能既激发学生兴趣，又有实际意义。

2．教学思路应在符合学生认知规律的基础上力求清晰。

教学内容是有先后次序的，上下位知识的学习如果打断的比较离谱，学生的学习效果必然是不好的。

即使要打破教学陈规，教师的心中也要有一条教学的主线。

解决实际问题的Arduino创意机器人设计实践要有哪些基础知识作为支撑，哪些是需要教师提供教学支架的，这些都需要教师在心里有清晰的认识。

3．教学策略及教学方法应力求激发学生兴趣、挖掘学生创造能力。

对于Arduino创意机器人的知识教学运用怎样的教学方法，学生学起来不会感到枯燥无味，对于实践性较强的机器人创造运用什么方法能有效发挥学生的特长以及创造性，怎样的教学策略能够激发学生学习兴趣，怎样的教学策略能够维护课堂秩序使得教学顺利进行，这些都是需要教师在教学设计时就做详细考虑的。

4．对教学实施过程中的突发情况进行预测并合理调整。

在把握Arduino创意机器人课堂的基础上，灵活调整教学策略，改变教学方式，根据课堂的教学实际把一些突发事件转化为比较流畅、生动的教学环节，也是一门伟大的教学艺术，需要Arduino创意机器人课程教学教师深入体会、不断习得的。

5．总结教学工作中的经验与教训，多与同行交流心得。

教师在日常教学工作中，注意积累与教学相关的资源，养成记录教学日记的良好习惯，同时利用网络多与同行进行交流。

Arduino创意机器人在国内的教学还比较少，但是只要认真寻找，还是有很多同样热衷于Arduino创意机器人教学研究的同行存在的，并且，随着机器人教育的普及，相信会有更多的教师去研究，挖掘Arduino创意机器人教学的价值。

（二）评价建议

根据课程的性质特征，评价应重参与、重过程，强调评价主体的多元化，教学内容的综合性和全面性，评价标准的合理性，以及评价方法、手段的多样性。

为此，要遵循以下原则：

1．参与性原则。

注重学生在课堂的积极参与性以及与其他同学的合作，适时提供相应的参与性评价表记录学生的参与活动。

2．综合性原则。

评价的内容不能片面，要综合考虑到学生的各科知识基础，学生对Arduino创意机器人基础知识的学习以及学生在综合运用各个知识解决实际问题的能力。

3．激励性原则。

对于中学生来言，Arduino创意机器人是比较新奇的知识，在过了刚刚开始的新鲜感以后，会遇到各种各样的问题，这个时候教师需要通过激励性的评价，为学生的好奇心保鲜，同时鼓励他们发挥自己的长处，大胆尝试，创作出满意的作品，提高创新能力以及实践能力。

Arduino创意机器人课程中设计的任务主要以实验操作为主。

课程评价以作品评价法为主，作品可以是半成品也可以成品，根据学生的实际情况来定，但是必须给出设计方案。

最终成绩按照“平时作业（30%）+最终作品（40%）+考勤（30%）”公式给出成绩。

平时作业和最终作品的评价量规如下：

作品名称

小组成员

评估指标

等级

分数

A

B

C

机器人知识

和技术

（15分）

基本了解机器人的概念、工作原理以及传感器的作用

（0-9分）

理解机器人的概念、工作原理以及传感器的作用

（9-12分）

掌握并能应用机器人的知识和技术

（12-15分）

跨学科

的知识

（15分）

了解了与机器人学科相关的其他学科知识

（0-9分）

掌握了学科知识，但不能将机器人和其他学科联系起来

（9-12分）

能将其他学科的知识和机器人学科联系起来

（12-15分）

创新能力

（20分）

只能按部就班的完成分配的任务

（0-12分）

能够设计出比较有创意的作品，但未能实现

（12-16分）

能够设计并实现比较有创意的作品

（16-20分）

程序设计

（15分）

只会按照范例编写简单程序

（0-9分）

能编写和调试程序

（9-12分）

能编写、调试和优化程序

（12-15分）

动手实践

能力

（20分）

连接松散、连线无序

（0-12分）

连接牢固、连线有序，完成部分任务

（12-16分）

连接牢固、连线有序，整体合理巧妙，完成全部任务

（16-20分）

实用性

（15分）

没有体现实用价值

（0-9分）

有一定的实用价值

（9-12分）

有较高的实用价值

（12-15分）

作品总分

学生作品中必须包含如下内容：

作品名称、功能简介、设计意图、程序代码、结构图、创新点等内容。

如果是成品，还要拍摄相应的视频（制作视频和演示视频）。

（三）本课程建议安排18-27课时。

考虑到教材的通用性，我们编写的教材主要分为三章，加上绪论部分共设计了22课，具体实施可根据当地实际情况，压缩为18课时或扩展为27课时。

如果有条件，建议采用2课时连上的方式安排课时。

教材中22课的安排如下表所示。

章节

课题

绪论

绪论认识机器人

第一章智能LED

第1课走进Arduino的世界

第2课闪烁LED

第3课按钮控制的LED

第4课聪明的按钮

第5课呼吸灯

第6课光控LED

第7课LED综合创意

第二章智能风扇

第1课声控风扇

第2课换挡风扇

第3课自动变速风扇

第4课遥控风扇

第5课摇头风扇

第6课自动跟踪风扇

第7课风扇综合创意

第三章智能小车

第1课会走路的小车

第2课会跳舞的小车

第3课避障小车

第4课防跌落小车

第5课巡线小车一

第6课巡线小车二

第7课小车综合创意

（四）教学器材建议

Arduino创意机器人课程的选修人数一般控制在30人内，按照2-3人一套器材进行配置。

硬件要求：

计算机教室1间（教室后面最好有一块空场地，不必太大，供小车使用），配套教学器材如下：

高透明塑料整理箱（小号），ArduinoUNO主板（自带驱动模块和扩展版），USB线，3p线（若干），小号两用螺丝刀；LED（三个），小风扇，锂电池，TowerProSG90舵机，智能小车底盘，小电机（带动风扇转动），电源插头；数字大按钮模块，数字钢球倾角传感器，模拟环境光线传感器，线性温度传感器，Mini寻线传感器（两个），超声波传感器，模拟声音传感器，IRkit红外遥控套件，数字防跌落传感器（两个），碰撞传感器（左右各一）。

软件环境：

需要安装ArduinoIDE软件，高中生视学生的编程能力，可以采用图形化编程插件——Ardublock，也可以直接使用IDE环境编写代码。