STEM 科技馆奇妙日——机器情报员

2018-10-29 20:25 manager 次阅读 条评论

上海科技馆

 一、活动概述

 

简介 :

 

“STEM 科技馆奇妙日是上海科技馆的品牌教育活动之一,是基于科技馆丰富的展览资源,结合生活实践开发的具有探究、实践、合作、开放特点的系列 STEM 课程。

 

“STEM 科技馆奇妙日的每期活动均源自于生活实践,培养学生科学、技术、工程、数学等多学科融合的能力,激发学生的创新思维。学生在学习多学科理论知识的同时,将理论运用于实践并提高团队合作的能力。

 

机器情报员 STEM 科技馆奇妙日项目的其中一个普适性较高、广受学生喜爱的课程。

 

主题:学习制作使用 LED 灯传递摩斯密码密文的机器小车传播目标:

 

知识与技能:能够拼搭机械小车;能够加密解密摩斯密码;能够编写程序控制机器小车移动;能够编写程序把摩斯密码密文加密到 MBOT 机器小车的 LED 灯信息中;

 

过程和方法:在多个基础实验当中,加深对于编写程序流程的理解,并尝试编写新的程序控制小车完成比赛任务,学习科学探究的方法;

 

情感态度价值观:激发探究兴趣,培养实事求是、追求创新、合作分享的科学态度。时间:每周日上午 10:00-12:00

 

地点:上海科技馆科学教室

 

对象:4-6 年级

 

二、设计思路

 

通过设计一个星际探索的游戏场景,将学生分成本部“Skywalkers”两种角色,他们相互之间使用可以穿越星际的机器小车进行信息传递。学生们首先拼搭这个机器小车,然后学习如何使用摩斯电码加密明文和解密密文,接着学习编写程序控制小车穿越星际,编写程序让小车传递出使用摩斯电码加密过的密文信息。课程的最后开展一场本部“Skywalkers”之间的谍影重重挑战赛,比赛综合性的考察了学生对于密码学、编程等多个学科知识的掌握程度,同时提高了课程的趣味性。

 

三、实施条件

 

MBOT 机器小车 20 套、笔记本电脑 20 台(学生自带)、投影设备、铅笔、学习单

 

四、实施过程

 

1.教师介绍星际小车谍影重重挑战赛的背景故事(5 分钟);

 

背景故事

 

地球本部派出一队“Skywalkers”前往未知星系进行探索,本部“Skywalkers”之间只能通过一对穿越太空的星际小车来传递信息。

 

“Skywalkers”发现了未知星系的重要信息,他们把信息通过摩斯密码加密到小车的 LED 灯的变化当中,本部也以同样的方式将指挥信息加密到星际小车当中并传递给了“Skywalkers”。哪一方先破获出对方的信息就能完成本次挑战赛的胜利。

 

2.教师介绍机器小车的硬件结构并且带领学生按照步骤拼搭小车(40 分钟);

 

机器人具有感知能力、规划能力、动作能力和协同能力四种能力,每种能力需要不同的结构,比如感知能力——传感器,规划能力——主控板,动作能力——电机和车轮,协同能力——各个部件之间相互协作。

 

拼搭步骤:STEP1:将超声波传感器(机器人的眼睛)加到机器人主体上。

 

STEP2:将主控板(机器人的大脑)加到机器人的主体上。

 

STEP3:将巡线传感器、超声波传感器以及电机和主板之间的连线接好。


       3.教师介绍编程软件的基本使用方法并完成亮灯和小车奔跑 2 个程序(20 分钟);




 

 STEM 科技馆奇妙日1.jpg

 

                  LED 灯程序                                                                   小车奔跑程序

 

4.教师介绍摩斯密码的基本知识(5 分钟);

 

摩斯密码,是美国人萨缪尔·摩尔斯于 1844 年发明的,它是一种时通时断的信号代码,通过不同的排列顺序来表达不同的英文字母、数字和标点符号。下图是摩斯电码和英文字母及数字的对照表。

STEM 科技馆奇妙日2.jpg   

 

对无线电信号来说,摩斯密码并非只有,其实还有间隔,并且间隔根据长短,还可细分为字间隔、词间隔和句间隔,再加上之间本来就有的超短间隔,一共是 6 个表达信息的方式。

 

使用视觉信号(灯的颜色)传递摩斯密码和无线电信号类似,每种表达信息的方式用一种灯的颜色表示。红灯表示,绿灯表示,灯灭 2s 表示字间隔,灯灭 1s 表示点划间的超短间隔

 

5.学生合作分工完成挑战赛任务(40 分钟);挑战赛任务

 

步骤 1(加密过程):“Skywalkers”利用摩斯电码对信息进行加密, 并通过小车 LED 灯颜色变化传递密文(提示:红灯代表长,绿灯代表短,1s 灭灯代表字符分隔,2 秒灭灯代表字母分隔);

 

步骤 2(传递过程):“Skywalkers”出发的小车行驶 10 米到达本部,并开始播放 LED 灯变化的密文;

 

步骤 3(解密过程):本部对密文利用摩斯电码解密,得出信息,由裁判判断信息是否正确。

 

本部记录单

 

加密过程

解密过程



指挥信息:

未知星系信息:



摩斯密文:

摩斯密文:



LED 灯密文:

LED 灯密文:



 


 

 

 “Skywalkers”记录单

 

加密过程

解密过程



指挥信息:

未知星系信息:



摩斯密文:

摩斯密文:



LED 灯密文:

LED 灯密文:



 

6.指导员评定完成任务最快的队伍获得优胜并颁发奖品(10 分钟)。

 

五、活动特点

 

1.活动以上海科技馆机器人世界以及信息时代的展品展项以及展牌知识为基础;

 

2.活动将机器人、编程、密码等多学科知识进行综合,知识点丰富,为具有实际应用

 

意义的 STEM 课程;

 

3.活动加入情境引入以及角色扮演环节,更容易激发学生兴趣;

 

4.活动将将抽象的密码转化成不同颜色的 LED 灯,具有创新性。

 

六、宣传推广

 

机器情报员课程现已成为上海科技馆的常设教育活动课程之一。从去年 9 月至今,机器情报员在上海科技馆共实施 10 次,参加活动 168 人次。

 

在活动报名方面,课程以线上报名为主要报名方式,在上海科技馆馆方网站上可进行报名,通过上海科技馆微信公众号以及 MuseumShanghai 微信公众号可找到报名链接。

 

在活动推广方面,机器情报员 2016 年上海科技馆馆校合作项目中作为示范课程面向上海中小学老师进行展示,并在后期的学校团队定制活动中实施多次;为博通公司组织的两岸三地高中生暑期夏令营在上海科技馆参观站的馆方课程。

 

七、活动评估

 

活动策划:活动策划人员具有电子专业背景,在机器人和编程方面有很好的基础,因此课程的知识性和专业性较强。同时策划人员融合了信息学等多学科的理论知识,结合上海科技馆机器人世界展区展品的科学内涵,充分体现了 STEM 课程的设计理念。

 

活动组织:课程面向中高年级小学生,对于不同年龄段进行了分层设计,中年级学生只需完成基本任务,高年级学生需要对于编程方法进行优化,最后的比赛也进行了难度调整。课程能够按照活动流程进行,学生能够完成基本实验进行比赛。

 

评估方法:我们采用问卷调查、观察员观察以及观众访谈等多种方式,通过学生自评、观察员评价、学生访谈、家长访谈对活动的效果进行了评估。


八、实施效果

 

学生自评:学生基本能够理解所教授知识点,课程知识量合适。

 

观察员评价:

 

1、学生报名参加活动的热情很高,每次活动报名名额都需要秒杀

 

2、学生积极参与课程互动环节,能够对不了解的知识点及时进行提问。

 

3、有的学生可以设计出对摩斯密码自动加密解密的程序,逻辑性强,而且具有很强创新性。

 

4、部分学生依赖性较强,需要加强培养独立动手的能力。

 

5、部分学生面对较为复杂的编程不愿意编写及进行调试,缺乏毅力。

 

学生访谈:通过学生访谈发现学生普遍对于学习机器人相关知识表现出很大的兴趣。家长访谈:家长对于活动安排满意度高,希望孩子能够长期学习机器人课程,进行系统化培训。