【注】  本文是《中小學信息技術教育》的約稿，希望我和曾祥潘老師撰寫一篇關于未來信息技術課程的文章，我考慮再三，決定以曾老師正在實驗的S4A課程為載體，陳述我們的研究。本文本應是兩人合寫，但由于推介的課程，由曾老師研發，為不產生陳述的矛盾，作者只保留我一人，但文中關于S4A的案例，我從曾老師提供教學設計當中提取出來，分析后轉化演繹。

     以下文章發表在《中小學信息技術教育》2014年4月期。轉載請注明出處，謝謝。

“智造機器人”小學S4A課程實驗

龍麗嫦

一、實驗背景

自我國實施中小學信息技術教育以來，學術界一直在討論學科的價值和定位，近年來尤為激烈。作為長期在教學田野里耕耘的教研員和一線教師，關注學科課程研究發展的同時，更多的努力是尋求解決課程實施問題的方法，找到發展的突破口，使課程目標與課程載體內容和教學操作減少落差，才能實現學科課程提出的育人目標和價值所在。

信息技術課程是一門年輕的課程，且其工具性和社會性極強，受技術的發展而產生的牽制和影響較大。同時，由于課程年輕，對其研究的廣度、深度尚不足，以及實施過程中受師資水平、教材承載、課時設置、地區差異等各種因素影響，致使課程目標較多停留在軟件操作層面，難以落實培養學生利用信息技術解決問題的意識和能力的目標。

隨著信息技術的發展，目前信息技術課程體系已不能滿足不同層次學校的學習需求。橫觀各地的教材和縱觀多年來實施的信息技術課程情況，筆者認為，小、初、高三個階段對課程呈現的邏輯框架及技術載體、教材組織呈現，作為課程體系外顯的關鍵性問題，是影響我們多年來課程實施質量目標不達的主要因素之一。因此，我們在重新拷問學科課程核心價值定位的同時，也需要拷問承載學科課程的邏輯框架和載體方式，才有可能在課程自身建設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區域開展過關于有效任務設計、虛擬機器人進課堂、Scratch創作等研究。在這些專項研究中，筆者發現，缺乏學科課程的上位思考和頂層設計的研究，很容易又陷入軟件教學、工具教學的境地，包括近2年逐漸熱火的Scratch的教學實踐。

在接觸Scratch教學與計算思維理論之后，筆者認同引入計算思維作為信息技術學科課程的理論基礎以及核心內在價值，以反映學科的核心性和穩定性，同時提升信息科學的不可替代性。目前，國內外對計算思維的研究仍然處于理論研究和實踐的初步探索階段。毋庸置疑，機器人教育是計算思維培養的關鍵性載體內容之一。在2012年中國教育技術協會信息技術教育專業委會員研制《基礎教育信息技術課程標準(2012版)》工作中，李藝教授等極力主張“機器人進課堂”，但是“機器人進課堂”要實現草根化、去精英教育，其硬件平臺必須具備價格低廉并可自制、無需專用場室、開源可擴展和符合機器人的教育性要求，而且關鍵還需要形成一套可操作、可實施的課程內容體系。要實現這個夢想，首先涉及到機器人教育課程的研發，然后才是課程實施的師資培訓。而機器人教育課程的研發人，一方面要具備電子電路知識，另一方面還要具備編程能力。我們可以想象，如果研發出自制機器人的核心課程及其配套器件，價格低廉的課程套件，就象科學課程的材料包一樣配套到校，無需機器人專用場室，可使機器人的普及教育成為可能。同時，它開源、可擴展，有條件的學校和有想法、有能力的教師可以基于此培養學生在計算機科學和科技教育創新上得到更高層次的發展。

二、實驗情況

1.研發機器人課程的人才

研發機器人課程需要具有電子硬件能力的教育人。在筆者研究團隊中，有一位叫曾祥潘的一線小學教師，他專業發展全面而扎實，頭腦靈活有想法，也十分關注學科前沿研究，更可貴的是，他具有電子硬件特長，能夠擺弄電子元件和動手制作電子產品，促使和支持他成為開發軟硬結合的機器人課程的先行者之一。

2.研發機器人課程的探索路徑

曾祥潘老師在研究團隊的引領下自2012年起開始思考學校實施開源硬件機器人教育的途徑。思考探索的路徑是：首先尋找硬件，降低硬件成本，再而尋找與其配對的軟件。曾老師首先嘗試了基于Arduino的硬件編程，以其代替機器人商業產品核心套件，但是由于Arduino板的原生軟件是字符界面的，對于中小學生的編程有較大難度，即使ArduBlock已經改良為積木式編程，對小學生而言仍然有難度。后來，有幸瀏覽到溫州中學謝作如老師在個人博客上傳播的S4A互動媒體課程，繼而開始了對S4A的探索。

3.S4A與其機器人課程

機器人教育課程的研發者，需要研究比較并且找到能夠替代商品機器人的硬件和軟件體系。

（1）商品機器人系統組成

        機器人系統由軟件和硬件兩大部分組成。商品機器人的程序使用該機器人專用軟件編寫，通常這類軟件不通用，更換機器人硬件后通常也要更換編程軟件，導致學習成本提高。機器人硬件包含三大模塊：控制器、傳感器和執行器，如圖1所示。控制器是硬件系統的核心部分。控制器執行機器人程序接收傳感器數據和控制執行器的運作。商品機器人的控制器與傳感器、執行器由專用接口連接，接口的定義通常不公開，配套的傳感器和執行器種類十分有限。這些都導致商品機器可擴展性受到限制，創造空間降低。

（2） S4A機器人系統組成

如圖2所示，使用Arduino主控板作為控制器。由于開源的Arduinos板價格低廉，接口資料公開且支持豐富多樣的傳感器和執行器，而傳感器和執行器采用市面常用零件，選擇面十分寬廣。機器人編程軟件使用S4A軟件。S4A(Scratch for Arduino）,是基于Scratch衍生的二次開發軟件，具有原生的Scratch圖形化程序設計的特點和功能，簡單易懂，并且能與Arduino板連接，利用S4A進行機器人編程。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，指導孩子收集和制作為機器人造型的零件，為孩子科技教育創作空間提供了無限可能，極具培養創新思維的教育價值。

4.開展機器人課程的教學實驗

曾祥潘所在學校，廣州市白云區景泰小學建設有校本個性化選修課程體系，課程以選修的方式向全校學生跨年級開出。得益于學校這種課程機制，曾老師邊研發邊實驗，他擬構建的機器人課程為《智造機器人》，以11個課時實現，每課完成一個小項目，最終目標是將支持學生完成一個“土制機器人”，課程內容框架如表1所示。

    “智造機器人”課程，四～六年級的學生可選，每期課程招收30人，逢周一下午第一節開展。目前已進入第二輪教學實驗，基本成型的項目實例約有八個，但還需要實驗修正。其中一些實驗案例，例如“舵機的應用”、“閃爍的星星”等課例先后在區和省市級骨干教師培訓活動中展示，并通過Scratch貓友群向全國傳播，產生了一定的影響力。

三、實驗案例

【課題】閃爍的星星——使用隨機數控制LED閃爍

【實例設計意圖】利用LED閃爍作為數據輸出信號，是常見的反饋方式之一。在Arduino及其他單片機編程學習中，點亮LED是最為經典的案例，因而作為“智造機器人”的核心課程也必然安排它。通過內容分析發現，大多數案例較為單調，趣味性不夠，體現計算思維不足。因此，在亮滅控制的基礎上增加LED模擬星星閃爍的內容。

【位置與目標】本課是《智造機器人》課程的第二節的內容。在上一課“初識S4A”中，學生已經初步掌握Arduino板的安裝及利用S4A積木塊編寫程序控制LED燈的亮滅。本課在此基礎上，引導學生如何利用S4A的循環和隨機數積木塊，編寫LED控制程序，實現控制LED模擬星星閃爍的效果。

【器材準備】

必備硬件：Arduino主控板；本課選用的電子元件：藍色LED、470歐姆電阻、面包板、杜邦線、USB-AB線。

【認知建構路徑】

1.    認識元件：觀察、認識LED和電阻的作用、外觀、內部結構。

2. 動手操作：實踐體驗，掌握LED、電阻與Arduino板的線路連接方法，領悟LED的13號管腳連接、電阻連接限流的作用。

    3. 編寫程序實現互動：使用S4A軟件編程，先后通過實現“點亮LED”→“LED重復閃爍”→“LED隨機閃爍”三種目的效果，層層深入，懂得如何使用逐步逼近法實現問題的解決。

    4.課外拓展延伸：怎樣實現兩顆星星互不干擾地各自閃爍？

四、實驗反思

案例實驗表明，S4A課程內容基于控制交互的動手探究學習，小學生的參與興趣十分濃厚，學習思維活躍，自始至終投入最大的注意力到學習中來。而且學生能夠掌握基于電子元件的動手操作連接，并接受和理解基于S4A的編程互動實現自己的想法和意圖。

S4A是承載和培養計算思維的內容載體，但是在研發和實施S4A課程中，如何滲透計算思維，既在內容體系中邏輯滲透，也在教學法上融入滲透，實現計算科學的教育目標和價值，需要理論把握和實踐驗證。因此，曾祥潘老師的“智造機器人”課程的研發，無論是課程結構、內容選取、元器件準備、制作以及教材內容組織、教學法等方面，還需要進一步斟酌研究和驗證。否則，也只不過是新增了電子元件機器人課程內容模塊，不一定能夠達到計算思維和創新教育的培養目標。

此外，傳統課堂的40分鐘遠遠不能滿足此類課程，如能實現，最好是以連堂2節作為每次課程的教學時間，方能利于每次項目主題課的充分實踐與探究。

（作者單位：廣東廣州市白云區教育發展中心）

參考文獻

[1]李藝,鐘柏昌.基礎教育信息技術課程標準：起點、內容與實施[J].中國電化教育,2012(10).

[2]范運平.S4A在臺灣中小學的發展概況及其多元的應用可能性[J].中國信息技術教育,2014(5).

    [3]曾祥潘. “閃爍的星星——“智造機器人”小學S4A課程之使用隨機數控制LED閃爍”教學設計[Z].廣州,2014.

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