“智造机器人”小学S4A课程实验
龙丽嫦
一、实验背景
自我国实施中小学信息技术教育以来，学术界一直在讨论学科的价值和定位，近年来尤为激烈。作为长期在教学田野里耕耘的教研员和一线教师，关注学科课程研究发展的同时，更多的努力是寻求解决课程实施问题的方法，找到发展的突破口，使课程目标与课程载体内容和教学操作减少落差，才能实现学科课程提出的育人目标和价值所在。
信息技术课程是一门年轻的课程，且其工具性和社会性极强，受技术的发展而产生的牵制和影响较大。同时，由于课程年轻，对其研究的广度、深度尚不足，以及实施过程中受师资水平、教材承载、课时设置、地区差异等各种因素影响，致使课程目标较多停留在软件操作层面，难以落实培养学生利用信息技术解决问题的意识和能力的目标。
随着信息技术的发展，目前信息技术课程体系已不能满足不同层次学校的学习需求。横观各地的教材和纵观多年来实施的信息技术课程情况，笔者认为，小、初、高三个阶段对课程呈现的逻辑框架及技术载体、教材组织呈现，作为课程体系外显的关键性问题，是影响我们多年来课程实施质量目标不达的主要因素之一。因此，我们在重新拷问学科课程核心价值定位的同时，也需要拷问承载学科课程的逻辑框架和载体方式，才有可能在课程自身建设层面首先将理念连接落地。
为寻求课程研究的突破口，笔者作为教研员先后引领区域开展过关于有效任务设计、虚拟机器人进课堂、Scratch创作等研究。在这些专项研究中，笔者发现，缺乏学科课程的上位思考和顶层设计的研究，很容易又陷入软件教学、工具教学的境地，包括近2年逐渐热火的Scratch的教学实践。
在接触Scratch教学与计算思维理论之后，笔者认同引入计算思维作为信息技术学科课程的理论基础以及核心内在价值，以反映学科的核心性和稳定性，同时提升信息科学的不可替代性。目前，国内外对计算思维的研究仍然处于理论研究和实践的初步探索阶段。毋庸置疑，机器人教育是计算思维培养的关键性载体内容之一。在2012年中国教育技术协会信息技术教育专业委会员研制《基础教育信息技术课程标准(2012版)》工作中，李艺教授等极力主张“机器人进课堂”，但是“机器人进课堂”要实现草根化、去精英教育，其硬件平台必须具备价格低廉并可自制、无需专用场室、开源可扩展和符合机器人的教育性要求，而且关键还需要形成一套可操作、可实施的课程内容体系。要实现这个梦想，首先涉及到机器人教育课程的研发，然后才是课程实施的师资培训。而机器人教育课程的研发人，一方面要具备电子电路知识，另一方面还要具备编程能力。我们可以想象，如果研发出自制机器人的核心课程及其配套器件，价格低廉的课程套件，就象科学课程的材料包一样配套到校，无需机器人专用场室，可使机器人的普及教育成为可能。同时，它开源、可扩展，有条件的学校和有想法、有能力的教师可以基于此培养学生在计算机科学和科技教育创新上得到更高层次的发展。
二、实验情况
1.研发机器人课程的人才
研发机器人课程需要具有电子硬件能力的教育人。在笔者研究团队中，有一位叫曾祥潘的一线小学教师，他专业发展全面而扎实，头脑灵活有想法，也十分关注学科前沿研究，更可贵的是，他具有电子硬件特长，能够摆弄电子元件和动手制作电子产品，促使和支持他成为开发软硬结合的机器人课程的先行者之一。
2.研发机器人课程的探索路径
曾祥潘老师在研究团队的引领下自2012年起开始思考学校实施开源硬件机器人教育的途径。思考探索的路径是：首先寻找硬件，降低硬件成本，再而寻找与其配对的软件。曾老师首先尝试了基于Arduino的硬件编程，以其代替机器人商业产品核心套件，但是由于Arduino板的原生软件是字符界面的，对于中小学生的编程有较大难度，即使ArduBlock已经改良为积木式编程，对小学生而言仍然有难度。后来，有幸浏览到温州中学谢作如老师在个人博客上传播的S4A互动媒体课程，继而开始了对S4A的探索。
3.S4A与其机器人课程
机器人教育课程的研发者，需要研究比较并且找到能够替代商品机器人的硬件和软件体系。
（1）商品机器人系统组成
（2） S4A机器人系统组成
如图2所示，使用Arduino主控板作为控制器。由于开源的Arduinos板价格低廉，接口资料公开且支持丰富多样的传感器和执行器，而传感器和执行器采用市面常用零件，选择面十分宽广。机器人编程软件使用S4A软件。S4A(Scratch for Arduino）,是基于Scratch衍生的二次开发软件，具有原生的Scratch图形化程序设计的特点和功能，简单易懂，并且能与Arduino板连接，利用S4A进行机器人编程。教师还可以利用各种各样的可回收资源，例如泡沫材料、纸板、光盘片等，指导孩子收集和制作为机器人造型的零件，为孩子科技教育创作空间提供了无限可能，极具培养创新思维的教育价值。
4.开展机器人课程的教学实验
曾祥潘所在学校，广州市白云区景泰小学建设有校本个性化选修课程体系，课程以选修的方式向全校学生跨年级开出。得益于学校这种课程机制，曾老师边研发边实验，他拟构建的机器人课程为《智造机器人》，以11个课时实现，每课完成一个小项目，最终目标是将支持学生完成一个“土制机器人”，课程内容框架如表1所示。
三、实验案例
【课题】闪烁的星星——使用随机数控制LED闪烁
【实例设计意图】利用LED闪烁作为数据输出信号，是常见的反馈方式之一。在Arduino及其他单片机编程学习中，点亮LED是最为经典的案例，因而作为“智造机器人”的核心课程也必然安排它。通过内容分析发现，大多数案例较为单调，趣味性不够，体现计算思维不足。因此，在亮灭控制的基础上增加LED模拟星星闪烁的内容。
【位置与目标】本课是《智造机器人》课程的第二节的内容。在上一课“初识S4A”中，学生已经初步掌握Arduino板的安装及利用S4A积木块编写程序控制LED灯的亮灭。本课在此基础上，引导学生如何利用S4A的循环和随机数积木块，编写LED控制程序，实现控制LED模拟星星闪烁的效果。
【器材准备】
必备硬件：Arduino主控板；本课选用的电子元件：蓝色LED、470欧姆电阻、面包板、杜邦线、USB-AB线。
【认知建构路径】
1.
2. 动手操作：实践体验，掌握LED、电阻与Arduino板的线路连接方法，领悟LED的13号管脚连接、电阻连接限流的作用。
四、实验反思
案例实验表明，S4A课程内容基于控制交互的动手探究学习，小学生的参与兴趣十分浓厚，学习思维活跃，自始至终投入最大的注意力到学习中来。而且学生能够掌握基于电子元件的动手操作连接，并接受和理解基于S4A的编程互动实现自己的想法和意图。
S4A是承载和培养计算思维的内容载体，但是在研发和实施S4A课程中，如何渗透计算思维，既在内容体系中逻辑渗透，也在教学法上融入渗透，实现计算科学的教育目标和价值，需要理论把握和实践验证。因此，曾祥潘老师的“智造机器人”课程的研发，无论是课程结构、内容选取、元器件准备、制作以及教材内容组织、教学法等方面，还需要进一步斟酌研究和验证。否则，也只不过是新增了电子元件机器人课程内容模块，不一定能够达到计算思维和创新教育的培养目标。
此外，传统课堂的40分钟远远不能满足此类课程，如能实现，最好是以连堂2节作为每次课程的教学时间，方能利于每次项目主题课的充分实践与探究。
（作者单位：广东广州市白云区教育发展中心）
参考文献
[1]李艺,钟柏昌.基础教育信息技术课程标准：起点、内容与实施[J].中国电化教育,2012(10).
[2]范运平.S4A在台湾中小学的发展概况及其多元的应用可能性[J].中国信息技术教育,2014(5).