智能機器人編程與實踐對高中學生學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

智能機器人編程與實踐作為一門綜合性課程，為高中學生提供了跨學科學習的機會，能夠培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)，特別是在計算機科學、數(shù)學、物理學和工程學等領域。本文深入探討智能機器人編程與實踐對高中學生學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，通過對學科整合、實踐性學習、創(chuàng)新和合作等方面的研究，揭示了智能機器人編程在提高高中學生信息素養(yǎng)、創(chuàng)新素養(yǎng)以及批判性思維和解決問題的能力等方面的潛在優(yōu)勢，研究結果有助于教師更好地設計智能機器人編程課程，推動學生核心素養(yǎng)的全面發(fā)展。

一、智能機器人編程教育的內(nèi)涵及影響

機器人編程是指通過編寫一系列指令，使機器人能夠執(zhí)行特定的任務，這些指令涉及移動、感知環(huán)境、作出決策等方面。編程語言是機器人編程的工具，其中視覺化編程工具如Scratch、Blockly等適合初學者，而Python、C++等適用于更高階的編程任務。智能機器人編程涉及對機器人內(nèi)部傳感器（如攝像頭、紅外線傳感器等）和執(zhí)行器（如電機、舵機等）的精確控制，以實現(xiàn)機器人在特定環(huán)境中的智能行為。

智能機器人編程提供了將編程技能融入數(shù)學、物理、生物等學科的機會。通過與學科整合，學生能夠更全面地理解和應用所學知識。高中學生親身參與智能機器人編程，能夠在實踐中深入理解編程原理，培養(yǎng)解決實際問題的能力，激發(fā)出對科學和技術的興趣。智能機器人編程注重學生創(chuàng)造性和創(chuàng)新性的思維，通過實際挑戰(zhàn)，發(fā)展學生解決問題的獨立思考能力，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神。學校開展智能機器人編程教育，能夠在實踐中培養(yǎng)高中學生的綜合素養(yǎng)，提高其解決問題和創(chuàng)新的能力，為其未來的職業(yè)發(fā)展打下堅實的基礎。

二、學科核心素養(yǎng)的維度與要素

學科核心素養(yǎng)涵蓋了信息素養(yǎng)、創(chuàng)新素養(yǎng)、批判性思維與解決問題的能力以及溝通與合作能力四個關鍵維度。

（一）信息素養(yǎng)

在智能機器人編程與實踐中，信息素養(yǎng)的培養(yǎng)需要學生具備有效獲取、評估和應用編程信息的能力，理解算法的原理，能夠在編程過程中靈活運用各種數(shù)據(jù)結構。提升，培養(yǎng)學生對于機器人感知技術的理解，包括視覺、聽覺、觸覺等傳感器的應用，使學生能夠更好地獲取和處理機器人所需的信息。

（二）創(chuàng)新素養(yǎng)

在智能機器人編程與實踐中，創(chuàng)新素養(yǎng)可以幫助學生在實際的機器人項目中應用所學知識，解決現(xiàn)實生活中的問題，培養(yǎng)解決問題的創(chuàng)造性思維；幫助學生增強自主學習的意識，鼓勵學生主動追求新知識，使其保持對技術發(fā)展的敏感性，實現(xiàn)不斷創(chuàng)新。

（三）批判性思維與解決問題的能力

在智能機器人編程與實踐中，教師要培養(yǎng)學生的批判性思維與解決問題的能力，讓學生具備定位問題、分析錯誤原因以及進行調(diào)試和優(yōu)化的能力，引發(fā)學生對代碼和系統(tǒng)的批判性思考。課程要強調(diào)項目管理的重要性，培養(yǎng)學生對于整個機器人項目的規(guī)劃和組織能力，使其能夠高效解決項目中的各種技術與管理難題。

（四）溝通與合作能力

在智能機器人編程與實踐中，教師需要強調(diào)學生在機器人項目中的團隊協(xié)作，包括有效的溝通、任務分配與合作等，增強學生在團隊中積極討論的能力。教師還要指導學生將自己的編程項目成果以清晰、生動的方式展示給他人，提高學生表達和溝通的能力。

綜合來看，學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)不僅為學生提供了面向未來的綜合素養(yǎng)，還為其未來職業(yè)發(fā)展奠定了堅實的基礎。通過這一框架，學校能夠更好地培養(yǎng)出適應未來社會發(fā)展的全面發(fā)展型人才。

三、智能機器人編程與實踐在高中學生學科核心素養(yǎng)中的培養(yǎng)路徑

在數(shù)字化時代，技術日新月異，對編程技能的需求不斷增加，越來越多的行業(yè)依賴于計算機編程，這使得編程教育成為提高學生未來就業(yè)競爭力的關鍵。全球范圍內(nèi)，許多國家紛紛將編程納入學校課程并取得了成功。未來，越來越多的領域將更加依賴科技和人工智能，具有編程技能的學生更容易適應社會發(fā)展并從眾人中脫穎而出。為了培養(yǎng)適應未來社會需求的高素質(zhì)人才，智能機器人編程與實踐成為高中學科教育中的一項重要課程。因此，下文將智能機器人編程與實踐課程作為培養(yǎng)高中生學科核心素養(yǎng)的起點，提出跨學科整合、建立穩(wěn)固的編程知識基礎以及開展項目驅動學習等策略，發(fā)揮智能機器人編程在提高學生綜合素養(yǎng)中的優(yōu)勢，期望本研究能夠為教育實踐提供有益的啟示，為學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)提供新視角。

（一）跨學科整合，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力

跨學科整合使學生能夠獲得多個學科領域的知識，使學生能夠更好地理解和解決實際問題，促進學生全面發(fā)展。為提高學生的創(chuàng)新能力，教師需要對不同領域的知識進行結合，將學科知識應用于實際項目中，使學生更容易理解和應用所學知識，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力。

在具體的教學過程中，教師可以結合機器人編程項目設計跨學科的學習任務，要求學生不僅要掌握編程技能，還要了解物理、數(shù)學、生物學等相關知識。教師可以協(xié)調(diào)不同學科的教師，將機器人編程項目融入不同學科的課程中，如在物理課上探討機器人運動的原理、了解植物工廠自動化控制原理、對照與分析傳感器數(shù)據(jù)等。

教師還可以提供資源和指導，鼓勵學生在項目中主動去學習并整合不同學科的知識。比如，在設計自主巡線的機器人時，學生需要理解運動學原理，這時候物理教師可以為學生講解機器人的速度與輪子旋轉速度的關系，用公式v=rω表示。其中，v是機器人的線速度，r是輪子的半徑，ω是輪子的角速度。通過物理教師的輔導，學生能夠輕松掌握基于Scratch的圖形化編程，理解了傳感器的工作原理，將灰度傳感器用于巡線、將超聲波傳感器用于檢測障礙物。

在這個項目中，學生需要整合來自其他學科的知識，應用這些知識解決實際問題。這樣的跨學科整合項目有助于提高學生的學科核心素養(yǎng)，同時培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

（二）建立穩(wěn)固的編程知識基礎，選擇適合的平臺

在智能機器人編程與實踐教學的過程中，適合初學者的編程語言能夠降低學習門檻，使學生更容易理解和掌握基礎概念。教師可以選擇Scratch、Python等易學的編程語言，這些軟件具有直觀的語法和良好的文檔支持；鯨魚機器人、Arduino等，其提供了簡單且功能強大的編程環(huán)境。教師可以使用這些工具逐步講解與編程有關的概念，幫助學生建立堅實的編程基礎。比如，從簡單的控制結構開始，逐步引入變量、函數(shù)、循環(huán)等概念，確保學生在編程的過程中理解每個概念的作用。同時，教師還可以利用豐富的在線資源和編程工具，拓展學生的學習渠道，如使用在線教程、編程挑戰(zhàn)平臺（如Code.org、Scratch網(wǎng)站）、集成開發(fā)環(huán)境（IDE）等工具，讓學生在更靈活的環(huán)境中學習。

教師可以使用基于Scratch編程的科藝機器人教育套件設計“小車避障機器人”的簡單課堂練習，鞏固學生的編程知識基礎。課堂練習的目標是讓學生構建一輛小車，通過編程使其能夠自主避開障礙物。首先，教師可以展示實際的小車操控場景，激發(fā)學生對智能機器人編程的興趣，然后介紹小車的電機和傳感器，讓學生了解它們的基本原理和作用。其次，教師示范如何編寫簡單的程序，以控制小車前進、后退、左轉、右轉等基本運動，指導學生學會使用傳感器檢測障礙物，編寫簡單的程序，使小車在檢測到障礙物時能夠停下來或轉向避開。這時候，教師逐步引入條件語句的概念，讓學生理解在編程中如何使用條件語句，如“如果檢測到障礙物，則停下”。同時，引入循環(huán)的概念，讓學生學會使用循環(huán)結構，如“當小車在行進中不斷檢測到障礙物時，持續(xù)執(zhí)行避開障礙的動作”。最后，為提高難度，教師可以讓學生嘗試同時使用多個傳感器，提高小車對環(huán)境的感知能力；引導學生結合超聲波傳感器和灰度傳感器，為小車添加用戶交互功能，通過按鍵來觸發(fā)小車不同的動作；鼓勵學生在小車編程的基礎上開展具體項目，如設計一個小車迷宮解決方案或者參與機器人比賽。

在活動中，學生可以了解電機、傳感器的基本原理，通過編程計算小車移動的距離、旋轉的角度等，設計小車的結構，考慮其平衡性和穩(wěn)定性。通過這個活動，學生能夠在實際應用編程知識的過程中形成對編程概念的深入理解，同時通過實踐中的物理、數(shù)學等學科的整合，培養(yǎng)學科核心素養(yǎng)。這種實踐性強、循序漸進的教學方法有助于提高學生對于編程與機器人技術的興趣，增強學生的學習自信心。

（三）開展項目驅動學習，鼓勵學生解決實際問題

在智能機器人編程與實踐教學中開展項目驅動學習，鼓勵學生解決實際問題，這對高中學生學科核心素養(yǎng)的發(fā)展至關重要。通過解決實際問題，學生能夠直觀地看到所學知識在現(xiàn)實生活中的應用，所以，教師可以選擇與學生日常生活或社會需求相關的問題來設計項目，用明確的目標和任務促使學生集中精力完成項目，提升學生解決問題的能力。

例如，教師可以要求學生設計一個能夠自動澆花的機器人。學生則需要進行需求分析，以深入理解問題的本質(zhì)，為項目的設計和實施提供方向。因此，教師要引導學生提出項目的功能需求，如識別植物濕度、控制水流等，然后將這些需求轉化為具體的編程任務。學科整合使學生能夠將多學科知識應用于實際問題中，提高學生解決跨學科問題的能力，如物理（水流控制）、生物學（植物濕度）、數(shù)學（傳感器數(shù)據(jù)處理）以及綜合設計與報告等。通過這樣的跨學科項目設計，學生不僅能夠掌握編程技能，還能夠將所學的知識應用于實際情境中。

項目活動面臨的實際問題是“經(jīng)常忘記給植物澆水，導致植物生長不健康”，因此項目目標為設計一個自動澆花系統(tǒng)，能夠根據(jù)植物濕度自動進行澆水，同時記錄植物的生長狀態(tài)。教師可以讓學生設計水流控制系統(tǒng)，確保適量的水被釋放；了解植物的生長需求，設置合適的濕度閾值；編寫代碼處理傳感器數(shù)據(jù)，確保準確地測量植物濕度。在項目設計的第一階段，教師可以讓學生分析需求，以表1的形式進行記錄。

表1 需求分析

識別濕度 系統(tǒng)能夠識別植物的濕度并將其轉化為數(shù)字數(shù)據(jù)

控制水流 系統(tǒng)能夠根據(jù)濕度數(shù)據(jù)自動控制水泵并進行澆水

數(shù)據(jù)記錄 系統(tǒng)需要記錄植物的濕度數(shù)據(jù)，以便后續(xù)分析

之后，需要進行硬件搭建。教師可以準備詳細的搭建指導，以文字說明、圖示或視頻教程來說明每個硬件組件的功能和連接方式。另外，教師要在學生搭建的過程中強調(diào)安全操作守則，如正確使用工具、避免電源短路等，確保學生了解并遵循安全規(guī)范。教師可以給出一定的建議，引導學生進行硬件的調(diào)試與測試，讓學生根據(jù)建議進行實操，自己動手搭建，并給出如表2所示的硬件搭建實例表。

表2 硬件搭建實例

硬件 描述

Arduino 控制系統(tǒng)的主要微控制器

DC 3—6V水泵 小型潛水泵，用于控制水流的裝置

DHT22 濕度傳感器 數(shù)字濕度和溫度傳感器，用于測量植物的濕度

MicroSD 記錄模塊 用于記錄濕度數(shù)據(jù)的MicroSD卡模塊，與Arduino兼容

搭建完成后，教師要引導學生編寫代碼，使系統(tǒng)能夠根據(jù)濕度數(shù)據(jù)自動控制水流，引導學生思考如何優(yōu)化水流控制算法，如根據(jù)歷史數(shù)據(jù)制定更智能的澆水計劃，以避免頻繁的水流操作。完成操作后，教師需要讓學生對自己設計的內(nèi)容進行測試，根據(jù)測試結果進行改進，調(diào)整閾值、優(yōu)化控制算法。如果系統(tǒng)存在問題或者表現(xiàn)不如預期，教師要帶領學生思考并實施改進措施，其中可能包括調(diào)整濕度閾值、修改控制算法或者優(yōu)化傳感器的位置。

通過這個項目，學生不僅能夠學到編程和機器人技術，還能夠應用生物學和數(shù)學知識解決實際問題，培養(yǎng)跨學科解決問題的能力。

四、結語

綜上所述，智能機器人編程與實踐作為高中學科教育中的一項創(chuàng)新舉措，通過跨學科整合，建立穩(wěn)固的編程知識基礎，選擇適合的平臺，開展項目驅動學習等策略，有效培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力、解決問題的能力以及跨學科整合的學習能力，有助于高中生更好地適應未來科技發(fā)展的需求。期望本研究的深入探討能夠為智能機器人編程與實踐課程的改進提供一些建議，并為類似的綜合性學科教育提供參考，促使更多的學校在培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)方面積極探索創(chuàng)新的途徑。

注：本文系福建省漳州市教育裝備中心（漳州市電化教育館）2023年度教育信息技術研究課題“智能機器人編程與實踐對高中學生學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)的研究”（立項批準號：ZXK202322）研究成果。