軟硬結合:小學創客教育課程的設計與開發——以《基於mBot小車的開源機器人課程》為例

江蘇省信息技術教材裡，小學階段課程包括「信息技術基礎」「算法與程序設計」「人工智慧初步」「機器人技術」和「物聯網技術」五個模塊。五年級的Scratch軟體教學就屬於「算法與程序設計」模塊。其中，課程中的前13課是編程學習，是掌握Scrat ch數位化作品創作的基本製作流程和設計方法；第14課到第18課，是了解開源硬體主控板結構，學習使用軟體獲取傳感器數據、感知外部環境和利用傳感器控制角色運動的方法。整個單元注重計算思維方法的教學，讓學習者感受編程過程，理解腳本含義，最終能通過一定的腳本來表現自我設計的作品。無錫市梁溪區嘗試將編程與傳感器教學整合重構，設計和開發了《基於mBot小車的開源機器人課程》，使學習者不僅體驗腳本編寫，還參與解決生活中遇到的實際問題，知行合一，培養創新精神，提升計算思維和實踐能力。

在《基於mBot小車的開源機器人課程》中，編程教學選用mBlock軟體，它是基於Scratch軟體集成開發的圖形化編程軟體，配合電子傳感器模塊還能設計互動作品，第一課就學習mBl ock軟體的基本操作。而開源硬體選用了mBot機器人，在與mBlock軟體連接後，就能編寫程序指揮機器人行動了，甚至能讓機器人學會自己思考，完成指定任務，第二課就是掌握mBot機器人的基本使用。第三課是教學mBlo ck軟體連接mBot機器人的方法，編寫、上傳程序實現機器人的操控。從軟體操作到硬體搭建，學生真正全身心投入，多感官參與，學習興趣足，氣氛熱烈。再之後的課程內容，都結合了mBot機器人的電子傳感器模塊，以編程為輔，更多地給予學生時間和精力去自主探究，去實踐創新，去解決問題。以下筆者將選取部分課例進行具體的對比分析。

Scratch的第5課是《畫正多邊形》，教學時，學生先自主學習掌握「畫圖」模塊的基本控制項畫出直線，然後自主探究畫出正方形，接著通過樣例的實踐對比，找到規律畫出正多邊形，最後自主運用規律，畫出更多圖形。學生經歷了嘗試、觀察和歸納，體驗了搭建、調試和運行程序的過程，理解領會了知識，掌握了技能，還加以靈活應用，實現了拓展創新，在電腦上畫出了屬於自己的創意圖形。

重構後，第四課就學習畫正多邊形，還增加了mBot 機器人直行、轉彎和「走」出正方形軌跡的教學內容，課名定為《走正多邊形》。課堂中，學生藉助機器人在現實世界的運動，理解掌握程序，還可以在真實場景中展現自己的創意。教學時，學生先掌握畫直線和正多邊形的腳本，然後學習如何利用直流電機，編寫程序實現mBot機器人在現實世界的直線行走，接著對比「畫正方形」的腳本（如圖1），反覆研究修改，探索實現mBot機器人「走正方形」軌跡的任務。教學時，學生可以根據個人情況，選擇獨立思考探究，或組內互助協作，大膽嘗試修改命令參數中的數值，觀察其對機器人運動的影響，在反覆體驗、直觀感受中，學會控制機器人的直行與轉彎，內化對程序模塊的理解。另外，通過「比比誰的正方形走得更美觀，用時最短」等活動，學生在真實場景中將自己的創意物化，提高了對實踐的興趣，培養了良好的調試程序的習慣。

類似的還有第五課，從畫圓到mBot 機器人走8字；第六課，從偵測控制項到超聲波測距傳感器；第七課，從判斷移動到巡線傳感器等。學生在實踐的過程中，獲得感性認知，將自己的創意實體化，實現對知識和技能的雙重把握，並且極大地激發了學習熱情。

Scratch的第7課是《穿越迷宮》，教學時，學生先自主完成設置舞臺和角色的基本操作，通過交流掌握小貓跟隨滑鼠走迷宮的腳本搭建；然後，在體驗腳本搭建、調試和運行的過程中，領會如何使用多種偵測和判斷腳本幫助小貓躲避障礙；最後可以在小老師的帶領下，掌握具有條件判斷功能的簡單腳本，並嘗試運用偵測和判斷控制項來創作故事或遊戲，與小夥伴一起分享作品，相互評價。

重構後，偵測和判斷的教學內容組成第六課《自動駕駛》，走迷宮則與mBot機器人巡線前進結合為第七課《巡線走》，還衍生了第八課《遙控移動》，學習用遙控器來控制mBot 機器人。課堂中，學生藉助流程圖理解任務，完成分層目標積累相應經驗後，再通過實踐和創造，激活已掌握的知識技能，實現知識遷移。

多類偵測和條件判斷腳本是難點，教學時，學生從生活經驗感悟理解，如車輛在行駛中如果與行人、障礙物距離過近就要剎車，由此引出距離偵測。在明確整個偵測過程後，學生自主完善流程圖（如圖2），並根據流程圖編寫腳本完成「小M偵測到有人就停下」的任務。隨後，引導學生再次結合實際生活，如汽車行駛時遇到行人，一般會先鳴笛示意，再減速直到停止，學生在交流分享中補全流程圖，併合作探究完善腳本。經過分層鋪墊推導，學生嘗試、思考、討論，再進一步思考，每個人都能有不同的收穫。藉助學習相似點，知識繼續遷移，怎樣能讓mBot機器人實現無人駕駛呢？可以藉助超聲波傳感器，教師講解傳感器相關知識，學生自主探索對應的控制語句，完善相應流程圖（如圖3），合作修改機器人程序。最後，通過「比比誰設計的程序更厲害」引導學生深入思考，激發創意。以學生自主學習為主，以教師引導探究為輔，學生根據分層實踐步驟，切身體驗，與實物結合，充分理解了條件判斷腳本的含義。

圖2

圖3

重構後的第六課到第八課，從滑鼠鍵盤控制角色的移動，到遙控器控制機器人的移動，多元化的互動方式，豐富了知識面，增強了趣味性，不斷激發學生進行創新思考，開發拓展程序，舉一反三。

而從第九課到第十三課，每課結合一個傳感器進行教學，引導學生從生活語言到流程圖再到程序語言，逐漸培養規劃意識，提升計算思維，經歷發現問題、分析問題並解決問題的過程，培養結構化程序設計思想，建立知識框架。課堂裡，學生從自學思考、動手探究再到學以致用，不僅僅完成了知識的習得，還實現了知識的溫故知新、運用實踐和遷移創新。

 整合重構，拓展知識空間，創意精彩生活

Scratch的第9課是《賽車遊戲》，教學時採用任務驅動法，將教學任務分成五個部分——舞臺角色、保持前進、偏離回歸、到達終點和加入計時，將知識點凸顯，以競技促學習。學生在完成任務的過程中掌握這些知識點，明確各種控制項的應用技巧與方法；在比賽中鍛鍊抽象思維，提高知識運用能力；在個性化創作中，培養創新意識，提高動手實踐能力。

再看重構課程，第十四課《自製智能小道閘》和第十五課《完善智能停車系統》，兩課一起最終製作出小區車庫的智能停車系統。課堂上運用「情景式教學」「項目式學習」「問題引導」等教學方式，立足生活實際，注重拓展情境，調動學生已有認知，激發學生的問題意識和探究欲。教學時，將演示與探究結合，引導學生由簡入難，領會傳感器間的相似點、關係，接著小組合作，分別完成「停車位」mBot機器人和「車庫道閘」mBot機器人的製作，實現共同模擬測試，最終師生多向交互溝通，一步一步完善智能停車系統，鍛鍊綜合分析處理問題的能力。

從任務分解一一應對，到有意識地拓展知識體系，拓展學習空間，激發了學生的創新動力，學生的視野不受限於課本課堂，而是放眼於更廣闊的開放舞臺。在掌握了一定的項目開發技能後，學生更可以拓展創作，自由開發更多有趣的項目，創意精彩生活。

以上對比分析只是筆者初步的思考與實踐，梁溪區的創客教師們，努力奮戰在教學一線，不斷研究探討，積累經驗，把自主、合作、探究等方式融入課堂教學，引導學生理解程序設計的意義，發展創造性，形成解決問題的邏輯思維和創新意識，鼓勵學生大膽展現自己的創意，化編為變，在運用知識、不斷鞏固的過程中，成長為創造者和發明者。

作者單位：江蘇省無錫市通德橋實驗小學

本文為江蘇省教育科學「十三五」規劃重點自籌課題「面向創客普及教育的區域信息技術課程重構研究」（課題編號B-b/2018/02/14）研究成果。