S.T.E.M 兒童編程 (Kids Coding) 學校個案研究 (School Case Study)

中學生研氣氛燈、過三關機械人 堂上課後STEM不停!

眨下眼又到學期尾,學生除了需要在學業上交出亮眼的成績表,各種專題研習與興趣小組也是時候發表過去一年的成果。由於近年STEM學科* 和其中創新、創客(Maker)精神成為本港學校的重點培訓技能,加上港府為數不少的資助,年末更是少不得以它們為題的「發表會」。日前匯知中學便舉行Maker Faire分享過去一年的創客作品,想不到其中竟然出現能夠進行「人機大戰」的「過三關機械人」!

過三關機械人  機械小畫家

玩法很簡單,聽起來也和著名人工智能AlphaGo的圍棋人機大戰有點相似。遊戲先由人類玩家開局,然後按下棋盤一側的黃色按鈕「通知」機械人,再由它下棋,雙方輪流移動,直至打和或其中一方勝出。棋盤每一格的底部也安裝了光感應器,玩家放下球體便會遮去光源,程式便知道球體的位置。假如玩家作弊,同時放上兩顆球,棋盤四角的小燈會不停閃動以示出錯;不過「彈弓手」就可以,因為機械人只會在按鍵後才紀錄棋子的位置。

整個機械人由Arduino控制板操控,而機械臂則可以直接購買,因此同學仔主要負責設計遊戲、構思程式及改裝機械臂。雖然過三關的棋盤只有九格,複雜程度遠遠及不上圍棋,但過三關機械人還是需要簡單運算功能。例如它會知道對手成功連上兩顆綠色球時,己方需要封鎖對方的攻勢,所以搶先堵上第三顆球的位置。道理簡單,但要用程式碼寫出來卻非如此輕易,同學仔亦需要老師多多幫助。

他們的作品已在不同展覽中亮相,其中包括上月舉行的「香港青年技能大賽 – 中學生技能展」,當日有來自新加坡、荷蘭等地的學者及中國官員等到場參觀,學生需用上英文及普通話介紹概念。除此之外,小組也曾到香港電台第一台接受訪問,又到科學館科學節、香港教育大學及科學園展覽等活動參展。

曾Sir與「STEM學會」的學生

人人都學Arduino

這個能夠「人機大戰」的「過三關機械人」由5-6名「STEM學會」的同學負責開發,成員都是由老師挑選的中一及中四學生,篩選條件只有一項:一定要有興趣。原來由今年開始,匯知初中學生上IT堂已不再用教科書,改為使用老師設計的筆記。以往教科書中有不少不太實用的知識,如什麼是硬體/軟件等都放上網自學,因意老師可以空出課時教授Arduino的應用、編程。每名學生也會得到一盒Arduino套件,因此可以說,基本能力人人也具備,所以興趣更重要。 

STEM和學科知識一樣,沒有興趣的話不會有興趣自行研發。有興趣的話,他們回家也會自己思考。」匯知中學的數理科老師曾Sir是小組的兩名指導老師之一,他平日上課時留意到部分中一同學特別有興趣,便著他們課後留下參與進階版的學習計劃。

平日上課的內容簡單一點,例如學生會研究開關LED燈、模仿交通燈訊號、用蜂鳴器作曲等。每人每個學期有一個專案要完成,不過今年是第一年,故此中一至中三也採用同一個主題氣氛燈。完成品需懂得自行變色、調較光暗,同學仔需用上自己學過的插線技巧、編程知識自行完成。

課堂中,同學仔自動自覺會創新。老師教用銅帶導電的原理設計翻開後自動亮燈的卡片,有學生便在卡片內畫上「鐵甲奇俠 Iron Man」的圖畫,一翻開,Iron Man的「胸前反應爐」便會亮燈;又有老師要求同學用蜂鳴器「寫」一首歌,有同學竟然自發寫出電影主題曲《那些年》。

Iron Man的胸前反應爐正是其標記。(圖:Science ABC)

STEM課程證實數理「實用性」

sir又解釋,STEM可以將不同科目融匯貫通:「日常生活遇上難題,(學生)也會試一試找出方法解決困難,這是創意解難和綜合應用。幾個人一起合作又可以學到分工、協作、處事態度等;最後更可以再不同場合展示、介紹自己的產品。」

Maker Faire中亦展出小組另一個作品——「機械小畫家」。由於需要改動機械臂的設計,難度較高,因此由高中的同學主力組裝。過程中除了應用Arduino,更用上數學課的知識。曾Sir笑言:「很多同學也會問,數學有什麼用?例如畫畫的機械臂,要兩個摩打同時發動才可以畫出直線;一個摩打的話只有一個圓心,便只能畫出弧線。當中就要用數學SinCosTan方程式計算各自需要配合的角度。」哦,原來當年上課學的SinCosTan真的有用,受教了!

機械小畫家使用搖杆控制,能夠畫出直/橫/弧線。

同場加映:單車賽車機

單車速度愈快,供電愈多,賽車的速度愈快。

賽車機是N年前的玩具,賽車是沿著軌道行走的,算是老師小時候的玩具。師生改裝舊事物,重新製造新玩意,又從中學習數理知識。「全都是舊玩意,不過我們拿走電池盒,用人力發電,物理科老師就可以解釋發電原理。單車人力發電的部分其實也是改裝而成的,本來是舊單車的車頭燈,用同樣的原理發電。」匯知中學資訊科技發展部首席主任鄧Sir解釋。原來簡單重新組合,已經可以創作全新的作品,STEM教材其實就在生活當中。

 

*Science 科學、Technology 科技、Engineering 工程、Maths 數學