基于信息素養的小學機器人全員課堂教學方法研究

郭靜 南京師范大學附屬小學

李駿揚 東南大學自動化學院

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》明確指出：信息科技課程旨在培養科學精神和科技倫理，提升自主可控意識，培育社會主義核心價值觀，樹立總體國家安全觀，提升數字素養與技能。在強調創新意識、創新思維的今天，培養學生的信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任等義務教育信息科技學科核心素養就顯得尤為重要。而機器人作為學生信息素養培養的重要載體，必然是普惠的，面向全體學生的。

近幾年，雖然諸多文件與規范為機器人教學的未來規劃了美好藍圖，很多學校也以社團課、競賽課的形式開展了機器人教學，但在面向全員展開教學時，教師必然面臨著“大班現狀與創新教育愿景”“有限資源與普惠教育愿景”的矛盾，在這些矛盾的背后，是傳統教學慣性與學生的創新精神培養、創造能力激發、信息素養提升愿景的深層次沖突。面對這些矛盾與沖突，筆者進行了為期兩年的實踐探索，總結了一套可行的面向小學生綜合信息素養提升的機器人課堂教學方法。

●面向全員的教學挑戰

不同于競賽課程、社團課程等校本課程，面向全年級的大班普惠的機器人課程一開始就面臨著諸多教學挑戰：①課程研發。教材中涉及的機器人與現實機器人不一致，教師要自己研發教材，難度很大。②大班教學。課堂學生多，機器相對較少。如何利用有限的機器人開展教學，是教師需要深入思考的。③課時安排。機器人搭建需要時間，但每周一課時無法保證有足夠的動手搭建時間，沒有硬件制作的基礎，怎么開展后續機器人編程教學？④師資安排。一個班只有一名教師，在學生遇到較多的問題和困難時教師如何輔導？⑤專用教室。機器人教學需要機器人套件、場地等硬件支持，在沒有機器人專用教室的情況下，如何開展機器人教學？⑥全員參與。如何充分調動學生的積極性，讓每一位學生都能夠在機器人課上有所收獲，而不僅僅是少數學生能得到成功的體驗？

●教學理念與策略

1.從身邊開始設計課程

隨著人工智能的飛速發展，機器人已經越來越多地走進了人們的生活，機器人教學對學生來說已不再陌生。六年級學生在之前學過圖形化編程軟件，他們對機器人興趣很大。鑒于此，筆者在任教班級中嘗試以任務驅動的方式，從解決問題出發，通過搭建、編程、檢測、調試，以單元模式開展機器人教學，訓練學生思維，提升編程能力和動手能力。

2.大班翻轉，項目教學

筆者采取了翻轉課堂的方式，重新調整課堂內外的時間，將學習的決定權從教師轉移給學生。通過項目教學，如“主題樂園 智慧通關”“主題樂園 合力通關”，讓學生在課堂上能夠更專注于主動學習，共同研究解決機器人學習的相關問題，從而獲得更深層次的理解。

3.合理配置，優化資源

筆者所在學校六年級共有10個班級，每個班級有40多位學生，每4人一個小組配一套機器人器材，最少需要12套器材。經過申請，學校購置了VEX IQ機器人套件13套（另加一套教師用器材），開啟了信息科技課堂中機器人學習之路。

4.師資培訓，構建教學梯隊

學校成立了機器人教學領導小組，由校長牽頭，成立核心團隊，成員包括任教信息科技和科學學科的教師；同時，由信息科技學科組長牽頭，成立輔助團隊，包括青年教師后援團，定期開展培訓。

●課堂教學與實施

VEX IQ編程軟件是一款圖形化編程軟件，通過拖拽指令學生能完成程序的搭建。VEX IQ機器人具有豐富的構件，組裝和搭建方便。

筆者在六年級10個班開設了機器人（VEX IQ）的普及課程，按照課程表上每周一節的頻率進行授課，經過一年的實驗，思考并設計了“問題導入、分工合作、學習編程、實驗記錄單”這四個機器人教學步驟，為機器人課程的順利實施奠定了基礎。

1.問題導入

在機器人教學的初始課中，教師給學生播放視頻《快遞分揀機器人》并提問：小黃人為什么能把物品送到相應的目的地？（認識地上的二維碼？掃描）在《遇見彎道》一課中，提問：生活中我們乘坐的汽車，在轉彎時，兩只車輪是怎么運動的？在講解《碰撞傳感器》一課時，給學生觀看掃地機器人工作的視頻，并提問：你能說一說掃地機器人是如何工作的嗎？……

通過這樣的問題導入，一方面可以激發學生學習的興趣，因為無論是看視頻還是教師的提問，都與學生的日常生活息息相關，他們有興趣投入到每一課的學習中去。另一方面，只有對問題進行了思考，才會深層次地理解并研究學習。

2.分工合作

在講解了基本原理和基本設備后，教師引導學生進入搭建機器人的環節。筆者按照學生座位，將1號～4號，5號～8號……每4人分成一組。全班共12個小組，機器人套件按照1～12的順序編號，這樣每組配一臺機器人設備。小組4人各司其職，下節課輪換崗位：組長1人，領器材1人，填寫實驗單1人，編寫程序1人。通過這樣的分工，既能讓學生動手、動腦進行多通道學習，有利于掌握知識和技能，又能夠讓學生互相幫助、互相配合，培養他們團結互助的團隊精神和精確溝通的能力。每節課輪換崗位，也能讓每個學生體驗不同崗位，無論是組長還是編寫程序，每個學生都要參與其中。

3.編程學習

VEX IQ 的語言，主要有R OBOTC語言、ROBOTC圖形化語言等。ROBOTC for VEX Robotics Graphical軟件是美國卡內基·梅隆大學專為中小學生開發的一種簡易的圖形化編程軟件。它不涉及代碼編寫，而是通過像搭積木一樣的方法進行學習，學生只要拖拽就能使用（如下頁圖1）。因此，對于學生來說還是比較容易掌握的。

圖1

VEX IQ機器人程序如何編寫？一個著名的公式是：程序設計=數據結構+算法。程序設計就像是蓋房子，數據結構就像磚、瓦，而算法就是設計圖紙。若想蓋房子首先必須有原料（數據結構），但是這些原料不能自動地蓋起房子，必須按照設計圖紙（算法）上的說明一磚一瓦地去砌，這樣才能擁有想要的房子。程序設計也一樣，使用的編譯工具（如Jave/C/Basic/Pascal等）中有各種功能語句或基本結構（如Read/Write/Real/Boolean等），它們不會自動排列成學生想要的程序代碼，學生得按照程序規定的功能去編寫，而程序功能的實現就是算法的具體體現。通俗地說，必須按照特定的規則，把特定的功能語句和基本結構按照特定的順序排列起來，形成一個有特定功能的程序，這就是：程序設計＝數據結構＋算法。

對于小學六年級的學生來說，利用圖形化軟件編程，降低了編程難度，編寫程序的體驗就像玩積木一樣簡單、有趣，學生可以創造出屬于自己的機器人行為和運動，這樣不僅激發了思維，更讓學生可以直擊核心問題：如何通過機器人編程解決問題？利用機器人編程解決問題的基本過程有五步：分析問題、設計算法、編寫程序、調試運行、檢測結果。在課堂教學中，教師將每個編程的任務通過流程圖的方式進行分析，并講解主要語句，具體程序的編寫則由小組成員共同完成，先完成的小組先測試，這樣，既可以解決場地不足的矛盾，也可以發揮小組間的互幫互助作用。

4.實驗記錄單

在VEX IQ機器人的教學中，為了讓學生更好地分析機器人的行走、運動，促進機器人的搭建和程序編寫，筆者采取了給每節課設計實驗記錄單（如圖2）的方式。通過《機器人走直線測試記錄單》可以看出，學生通過測量、計算、預估，再通過實驗，將結果與預估值進行對比，就能很好地完成通關任務。

圖2 機器人走直線測試記錄單

●結語

在人工智能時代，身為教師，需要為學生的未來做一些思考，需要為學生的未來去重建課堂、不斷創造。在機器人普及教學之路上，教師應努力探索前行。