小學信息科技社團關于智能機器人的設計與實踐研究

摘 要：在現代科技快速發展的背景下，智能機器人成為重要教育工具。文章以小學信息科技社團的智能機器人設計為研究對象，采用文獻資料法、訪談法、實地調研法等，通過設計制作智能機器人，將科學理論付諸實踐教學，旨在提升學生的動手能力與創造力。通過參與團隊項目，以增強學生間的協作溝通能力，并培養問題解決能力，進而激發學生學習興趣。通過案例分析，文章總結出目前面臨的挑戰與解決方案，以期為智能機器人設計教學提供參考。

關鍵詞：智能機器人；設計與實踐；信息科技；團隊合作

[中圖分類號] G623 [文獻標識碼] A [文章編號] 2097-2539（2024）13-0112-03

當今，科技迅猛發展，教育數字變革持續加快。智能機器人進入課堂，成為激發學生創造力與實踐力的重要媒介。在信息科技社團中，學生參與各個環節，通過團隊合作解決問題。互動式學習有利于提升科技素養與團隊合作溝通能力。機器人是一種智能機器，能通過編程使其完成諸多任務，甚至代替人類完成危險或者繁重的工作。近幾年國家教育部大力推進 STEM 教育、創客教育和科學教育等新型教育形式。將機器人教育納入中小學信息技術、通用技術及科學課程中，并通過開展機器人大賽來培養機器人儲備人才。在中小學開展機器人教育有助于培養學生觀察、動手實踐、獨立思考、合作探究以及創新創造能力等，對推進素質教育，促進“雙減”落地具有現實意義。智能機器人的引入為小學教育注入了活力，然而在現實中仍面臨著不少的挑戰與機遇。

一、智能機器人在小學教育中的應用挑戰

在小學教育中，智能機器人的應用面臨著諸多挑戰。教師對智能機器人技術的理解和掌握程度直接影響教學效果。然而，目前許多教師在這一領域的知識儲備明顯不足，且缺乏相應的培訓，難以有效地指導學生進行項目設計和實施。這就需要學校為教師提供專業的培訓機會，提升他們在智能機器人教育方面的能力，以便更好地引導學生。此外，學校硬件設施和資源配置是難題，部分學校因缺機器人設備和軟件支持，限制了學生的實踐，導致智能機器人教育潛力難發揮。因此，學校應加大投入，配備足夠設備和軟件，為學生提供良好實踐環境，以充分發揮智能機器人教育的作用。課程設置和教學方法的適應性是一項重要挑戰。傳統教學模式注重理論知識傳授，而智能機器人教育強調實踐與互動。這要求教師調整教學策略，融入項目式學習、探究式學習等方法。但學生的興趣和參與度因個體差異而不同，一些學生可能對機器人設計和編程感興趣，而另一些學生則可能感到困惑或排斥。在團隊合作方面，小學生的協作能力和溝通技巧尚不成熟，項目實施過程中容易出現摩擦和分歧。教師需承擔引導者和協調者的角色，培養學生有效分工、相互支持和共同解決技術難題的能力，促進良好團隊氛圍的形成。評估機制的缺失給智能機器人教育帶來困擾。現有的評估標準難以全面反映學生在機器人設計與實踐中的實際表現，教師難以有效評價學生的綜合素質和能力提升狀況。因此，建立一套適合智能機器人項目的評估體系非常重要，它能真實地反映學生在學習過程中的成長與收獲。可以從學生的技術能力、團隊合作、創新思維等多個方面進行評估，以此激勵學生不斷進步。

二、設計智能機器人的關鍵要素

設計智能機器人有多個關鍵要素。首先，清晰認識機器人任務及使用環境十分重要，這影響著設計理念和技術挑選。例如，為實現自行導航需搭載感應器，設計者要掌握相關技術知識與運作機制，挑選適宜元件。其次，對材料的挑選也很關鍵，不同材料屬性影響機器人物理運動表現——輕巧材質增效率，堅硬材質保穩定。使用可循環或綠色材料可提升項目可持續性，有助于培養學生的環保意識。這些要素對打造高性能、實用且具教育意義的機器人意義重大。編程工具和調控技術的挑選同樣關鍵。在研發尖端機器人時，一般需要熟悉相關基本原理，這樣才能執行高難度的操作規程和數據運算。常見的編程工具如Python與C++，因其具備高靈活性和突出的性能特點而深受歡迎。在系統結構安排方面，必須保障時效性和穩固性，尤其是在包含感應、反饋與判斷的場景中，因為即使是微小的延時都可能影響機器人的表現水平。開發者需要透徹把握選擇調整機制的特點，以達到優良的操控成效。用戶界面的打造不容忽視，尤其是在教學場景中。界面應吸引人且便于操作，以便學生快速掌握使用方法。清晰的界面設計可緩解學習負擔，增強參與體驗和滿足感。規劃時要為不同學術水平的學者提供配套教育資源，確保找到個性化學習策略。團隊合作和角色分工在創作過程中起著重要作用。在項目初期，團隊成員應根據個人能力和興趣進行合適的分工，確保項目的各個環節都有指定人員負責。高效率的交流配合有助于提升工作效能，也為學習者提供了鍛煉團隊合作經驗的機遇。在這個過程中，團隊成員既能提高職業技能，又能鍛煉交流技巧與團隊配合能力，為將來的學業和職業發展奠定堅實基礎。

三、團隊合作在機器人實踐中的重要性

在智能機器人實踐中，團隊合作的重要性不言而喻。這一實踐并非僅僅是技術技能的簡單組合，更是對學生溝通、協調和解決問題等能力的精心培育。在機器人的設計與制作過程中，團隊成員分別承擔著不同的角色，如項目經理、程序員、設計師和測試員等。分工明確的方式對于提高項目效率有很大幫助。在團隊合作中，學生們需要相互分享想法與創意，這不僅促進了技術交流，還激發了創新思維的碰撞。有效的團隊合作要求成員之間具備良好的溝通能力。在機器人項目的各個階段，成員需要持續交流信息、分享進展、討論遇到的困難及解決方案。當程序員編寫代碼遇到問題時，設計師和其他成員的反饋與建議能為其提供新視角，幫助找到解決問題的方法。同時，團隊合作也為學生提供了鍛煉領導能力和團隊精神的寶貴機會。擔任項目經理的學生需要協調各項任務、制訂進度計劃并及時調整策略以應對各種變化，這一過程既鍛煉了他們的組織能力，又讓他們學會在壓力下做出決策和解決沖突。學生在完成共同目標的過程中，逐漸理解團隊合作的重要性，深刻認識到個人努力對團隊成功的貢獻。為了更深入地理解團隊合作對學生發展的影響，可以參考某小學信息科技社團實踐記錄中的數據，見表1。

四、案例分析與實踐反饋

在智能機器人實踐中，常常會面臨各種技術挑戰與問題，而這些問題往往需要團隊通過有效的策略來加以解決。以某小學信息科技社團的“智能巡邏車”項目為例，該項目的主要目標是設計一款能夠自主巡邏且避開障礙物的機器人。在項目初期，團隊遭遇了諸多技術難題，特別是在傳感器設置和程序編寫方面。經過多次測試與調整，團隊最終選擇了超聲波傳感器作為主要的障礙物探測工具，以提升機器人的避障能力。然而，在實際應用過程中，機器人多次出現無法識別障礙物的情況。經過詳細分析，團隊發現問題在于傳感器的安裝角度和高度不當，導致其探測范圍受到限制。為解決這一問題，團隊對傳感器的安裝進行了調整，將其位置從原來的底部提升至機器人的中部。這樣一來，傳感器能夠更有效地接收反射回來的聲波信號。經過此次調整，機器人的避障成功率從原來的60%提高到了85%。這一數據是在實驗過程中，通過對機器人行駛100米的路徑進行測試而得出的，實驗期間，記錄了機器人成功避開障礙物的次數，最終結果為85次成功避障，15次碰撞。在這種情況下，反饋循環的有效性得到了充分體現。團隊通過反復測試和實時調整，逐漸找到了問題的根源并提出了解決方案。在解決方案實施后，團隊還對程序進行了優化，確保機器人在檢測到障礙物時能夠迅速做出反應。通過對控制算法的調整，機器人在遇到障礙物時的反應時間縮短至0.5秒，這對提升機器人的巡邏效率來說非常重要。智能巡邏車在模擬的校園環境中成功完成了3小時的自主巡邏任務，巡邏總距離達到1.5公里，且未發生任何碰撞事件，顯示出其穩定的性能和高效的工作能力。這個項目的實踐反饋具有重要意義。它不僅增強了學生們對智能機器人技術的理解，還為團隊合作以及問題解決能力的提升提供了寶貴經驗。在不斷嘗試與調整的過程中，團隊成員在真實的項目環境中鍛煉了分析與解決問題的能力，為未來的學習和技術應用奠定了基礎。

五、提升學生綜合素質的實踐路徑

提升學生綜合素質的實踐路徑可以從參與機器人制作過程入手。在這個過程中，學生不僅能學習到各種技能和知識，還能在實際操作中增強邏輯思考和創造性潛力。在實際項目中，學生需要面對電路連接、傳感器選型和編程等復雜技術問題，這要求他們在理論與實踐之間不斷反思和調整。實踐操作訓練是促進技能增長的有效途徑。在智能化機械應用階段，可以將人員分為不同類型的小組，分別承擔不同的計劃與實施任務。這種方式能推動學生相互支持和信息互換，提升團隊協作意識和溝通能力。通過協作擬定計劃、共同落實并定期更新項目，學生能在實踐中掌握高效使用和資源配置的方法，同時團體內分工明確，讓每個成員都能在各自專業領域發揮專長，激發學生的自主學習和探索意識。技術應用在機械臂應用環節也起著關鍵作用。編程能力、機械制作、電路拼接等技巧的熟練掌握，不僅為學生提供親自動手的機會，還能提高他們的邏輯分析和解決問題的能力。使用開源硬件平臺編程環境等軟件，學生可以學會基礎教程的編碼思想和操控原理，為將來深入研究更復雜技術內容奠定基礎。經過實際鍛煉，學生在各個方面都能得到提升，包括學業成績的提高、思維模式的更新和自信心的增強。參加機器人競賽活動后，學生在面對實際技術考驗時，應對能力也會得到增強，這為他們在未來的學習和生活中能贏得更顯著的競爭優勢。

六、結語

智能機器人在小學教育中意義重大，雖面臨諸多挑戰，但通過明確關鍵要素、強化團隊合作、案例實踐及探索提升路徑，學生在各方面能力得到顯著提升。未來，應持續推進智能機器人教育，完善教師培訓與硬件配置，優化教學方法與評估體系，讓更多學生在科技與實踐中茁壯成長，為他們的未來發展奠定堅實基礎，開啟充滿無限可能的科技教育新篇章。

參 考 文 獻

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（責任編輯：呂洪剛）