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動手玩科技：射箭Robot自己做



文/施皇羽、許弘叡
 

 緣起


彰化縣芬園鄉同安國小是一所位於八卦山山脊的偏鄉小校，學校歷史已有97年但是因為少子化及都市效應，學生人數流失快速，105年甚至一度面臨裁併校危機，107學年度目前學生人數共計29人，是彰化縣最迷你的學校。學校在課程上積極轉型，並且為了縮短城鄉數位落差，以「做中學」(learning by doing)的核心理念將數位科技與學生日常的學習活動進行整合，讓孩子們透過動手做科技來學習數位科技，並且從玩中學的過程中提高其學習動機。而107學年度第1學期許弘叡老師就是基於上述的教學理念，結合學校的特色射箭課程與學生共同發想改善射箭九宮格的部分，由師生共同打造「射箭Robot」。

 設計理念

本校的健體領育中有「射箭」課程，而以往在射箭課程中使用的傳統九宮格，缺點在於造型沒有特別，而且每次射中目標計分靶就會脫落必需人工去撿，而且要人工重新安裝回去，讓我們覺得很麻煩。為了要解決這些問題而且讓射箭活動更有樂趣，就利用木工課程搭配microbit的程式設計，進行「射箭Robot」的設計，主要的功能如下(見圖1)：
一、在計分板後方安裝簡單的舵機，可以自動將被擊倒的計分靶推回原來的位置。
二、在九宮格兩側加裝兩隻手，當計分靶被擊中時「射箭Robot」就會舉手比讚。
三、當計分靶被擊中時「射箭Robot」就會播放一段音樂。
四、當計分靶被擊中時「射箭Robot」的眼睛就會發亮，並且進行計分。

圖1. 學生繪製的機器人示意圖(圖文：六年級禇彗文) 

 教學活動流程

「射箭Robot」自己做的教學活動分成兩部分，第一個部分是木工動手做的活動；第二個部分是microbit的程式設計。這個教學活動是以彰化縣同安國小高年級的學生為主，由五、六年級兩班進行協同教學活動。「射箭Robot」基本材料如下：
1、四分板60公分*120公分一片；
2、小馬達11個(含9塊計分板及兩側的手)；
3、冰淇林棍、小螺絲、木工釘、電線、強力磁鐵(將計分靶固定)、活頁面鉸鍊若干；
4、microbit的電路板、擴充板及18650電池；
5、圓型LED環燈(射箭Robot的眼睛)；
6、聚丙烯板(polypropylene sheet/PP板)一大塊(計分靶、射箭Robot手)。

首先木工活動的部分，由學生將「射箭Robot」設計圖利用投影機投影到木板上進行描繪，見圖2A、B。描繪確認好每個計分靶的位置後，學生輪流運用電動線鋸機將木板進行一連串的切割；如圖2C由於線鋸機的操作一方面對學生而言具有吸引力，但是另一方面也具有危險性。因此，老師一定要在旁予以提醒和協助，以確認活動的安全性。待切割完成後，學生先將木板一一的拆下，如圖2D。然後再進行量測以PP板來製作計分靶，見圖2E。而在木板的後方則需要使用冰淇林棍及小型馬達來製作舵機(如圖3A、B)每一塊計分靶後方都必需加裝一個舵機裝置，並且將舵機裝置的線路連接到microbit的電路板上，共計有9組的連接線，待完成線路連接後就可以進行第二階段的程式設計課程。

圖2A. 以投影機將射箭Robot的原圖投影至木板上進行繪製


圖2B. 利用電腦修圖進行射箭Robot的繪製作業及microbit的程式設計


圖2C.進行九宮格木工作業，學生練習使用手持線鋸機切割九宮格靶


圖2D. 完成射箭Robot的九宮格靶位


圖2E. 確認九宮格靶大小以PP板進行排列


圖3A. 編寫microbit電路板的程式編寫，學生練習編寫射箭Robot的反饋程式


圖3B. 完成九宮格靶位的舵機裝置及電線線路檢測

第二部分是microbit的程式設計部分。由於microbit的程式設計也是屬於積木型態的設計概念。因此，對國小學生而言是能以圖像具體化程式設計的概念，老師必需先讓學生具有此類的基礎知能，然後讓學生就「射箭Robot」的下列四項主要功能，進行程式語言的設計，見圖3A。

一、在計分板後方安裝簡單的舵機，可以自動將被擊倒的計分靶推回原來的位置，如圖6。
二、在九宮格兩側加裝兩隻手，當計分靶被擊中時「射箭Robot」就會舉手比讚， 如圖4。

圖4. 學生練習以microbit的程式設計控制舵機的運作及射箭Robot的舉手反應動作

三、當計分靶被擊中時「射箭Robot」就會播放一段音樂，見圖5。

圖5. 學生練習以microbit的程式設計控制射箭Robot的音樂反應動作

四、當計分靶被擊中時「射箭Robot」的眼睛就會發亮，並且進行計分，見圖6。

圖6. 學生練習以microbit的程式設計控制射箭Robot LED燈的反應動作

最後，將第一部分木工和第二部分程式設計整合後就完成初步的「射箭Robot」圖7。
為了確認「射箭Robot」功能性在施作的過程中必需進行一連串的測試，如圖8。

圖7. 完成第一代的射箭Robot並參加成大舉辦的創客成果展


圖8. 第一代射箭Robot原型機的修正測試與練習

 科際整合的挑戰與省思

「科技始終來自於人性」。我們時常會透過科技來解決日常生活的問題，進而帶給人們更便利的生活型態，而「射箭Robot」的教學活動主要也是讓學生透過討論思考，運用所學來解決生活上的問題，並且以做中學(learning by doing)_的核心理念，帶領學生親自動手做，在動手做的過程中去面對問題的挑戰，然後想辦法去克服挑戰。在進行「射箭Robot」教學活動後針對科際整合，有以下幾點的挑戰與省思。

一、學生的木工工具操作上的安全性及技巧純熟性的挑戰

由於國小學生較少有機會操作木工工具，所以在教學活動之前應該要先以手工工具的使用為主，而本校學生因為有參加PowerTech仿生獸的學習課程，因此對於手工工具的操作有一定程度的純熟性，但是當學生需要操作電動木工工具時，老師還是必需在旁給予協助與指導以避免發生安全上的問題。

二、電線線路的連接對學生有難度，教師必需在旁指導或由教師自行焊接

因為「射箭Robot」共有9個計分靶，所以在後方的電線線路有許多必需串接，對於國小學童而言，電線線路的串聯及焊接有相當大的挑戰，而線路若是連接不好或接線有問題就會直接造成整個機器人無法運作。因此，教師必需在旁指導或由教師自行焊接，以確保線路迴路的正確性。

三、「射箭Robot」microbit的程式設計透過小組討論可以促進學生團隊合作與思考

「射箭Robot」microbit的程式設計可以先以學生個人為主，然後再開放小組合作討論進行教學活動，學生可以先經由個別的思考針對「射箭Robot」功能進行程式設計，然後再藉由團隊的討論來解決程式設計上的問題，如此一來就能夠有效的提出解決的方法，而且的討論的過程中學生也能了解到合作的重要性，對於學習成效有很大的幫助。

四、未來可將九宮格拆成單一一格的計分靶，可減少其複雜性更適合國小學生

「射箭Robot」因為同時有九個計分靶，因此，其電線線路的串聯與焊接對國小學生有很大的困難性，在實際教學上對教師會造成很大的教學負擔。所以，未來「射箭Robot」的教學活動可以視需要改成單一一格的計分靶。如此一來，不論在木工部分或是電線線路上都能更符合國小學生的學習階段，應該更能輕易提高教學效率。





施皇羽
彰化縣同安國小校長
許弘叡
彰化縣同安國小教師