基于項目式學(xué)習(xí)的小學(xué)機器人教學(xué)實踐研究

田木蘭 秦健

摘 要：隨著智能機器人技術(shù)的迅速發(fā)展，機器人教育在開發(fā)學(xué)生智力，培養(yǎng)學(xué)生動手能力、實踐操作能力方面的潛力逐漸被教育界認可，機器人教育逐漸進入到學(xué)校課程教學(xué)中，成為大中小學(xué)教育領(lǐng)域的新課程。文章通過將小學(xué)機器人課程與項目式學(xué)習(xí)相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生解決問題能力、創(chuàng)造力、自主探究能力，提高其綜合素質(zhì)。作者基于項目式教學(xué)理念，設(shè)計機器人教學(xué)課程，在S小學(xué)進行教學(xué)實踐，將所得經(jīng)驗分享給一線中小學(xué)從事機器人教育的工作者。

關(guān)鍵詞：機器人;機器人教育;教學(xué)設(shè)計;項目式學(xué)習(xí)

中圖分類號：G433 ? ? ? ?文獻標志碼：B ? ? ? ? ?文章編號：1673-8454（2019）22-0040-04

一、引言

科技推動教育，知識改變命運。隨著教育機器人技術(shù)的發(fā)展，機器人教育已經(jīng)成為中小學(xué)課堂教學(xué)的必然趨勢。首先，機器人教育可以提供一種素質(zhì)教育和創(chuàng)新教育與前沿研究相結(jié)合的生動形式，其次，機器人教育的內(nèi)容本身也具有較強的趣味性、實踐性、探索性和綜合性，易于吸引學(xué)生積極參與。

教育部在2003年將《人工智能基礎(chǔ)》課程納入中小學(xué)選修課程后，我國的人工智能教育進入了一個新的階段，逐漸走向大眾化。作為人工智能的重要應(yīng)用領(lǐng)域，智能機器人在中小學(xué)取得了迅速發(fā)展。

由于機器人的學(xué)科綜合性和實踐性的特點，傳統(tǒng)的機器人教學(xué)方式難以凸顯出學(xué)生利用機器人知識解決學(xué)科問題的能力。如何在中小學(xué)階段開設(shè)機器人課程，國內(nèi)外都在根據(jù)本國機器人教育的發(fā)展情況，進行著積極的探索。

二、國內(nèi)機器人教育存在的問題

1.課程體系不夠完善

目前，由于機器人課程的教學(xué)目標不明確，導(dǎo)致機器人在學(xué)校主要以社團、興趣班、信息技術(shù)課的形式開展，并且學(xué)校沒有相應(yīng)配套的教材，用的都是機器人產(chǎn)品說明書或者用戶指南，缺乏精心設(shè)計，與一般意義上的課堂教材有一定的差異。

2.學(xué)校資金困難，不能提供良好的配套設(shè)施

傳統(tǒng)的信息技術(shù)課可以依托計算機進行教學(xué)，而機器人教學(xué)除了需要計算機支撐，還需要相應(yīng)的配套設(shè)施，這些設(shè)施往往需要大量資金，大部分學(xué)校很難配備完善。

3.教師沒有足夠的專業(yè)經(jīng)驗

相對于傳統(tǒng)的信息技術(shù)教師，機器人課程對教師的綜合素質(zhì)要求較高，機器人教師除了要具備基本的教學(xué)技能，還要具備機器人知識，其中機器人課程涉及科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Art）、數(shù)學(xué)（Mathematics）等多門課程知識，同時教師還要具備一定的創(chuàng)新創(chuàng)意能力。與此同時，從事信息技術(shù)教學(xué)的教師在大學(xué)期間沒有開設(shè)相應(yīng)的機器人課程，職前也沒有經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，很多都是教師自學(xué)所得，師資力量的不足影響著機器人課程的教學(xué)質(zhì)量。

4.家長過分看中學(xué)生參賽的結(jié)果，忽視了學(xué)生能力的培養(yǎng)

近幾年，機器人教育開始進入中小學(xué)，但大多以競賽的形式開展，家長給學(xué)生報名機器人班的目的是想要孩子參加比賽，取得一定的成績，導(dǎo)致學(xué)生不得不在短時間內(nèi)機械地學(xué)習(xí)競賽所需的知識，對機器人知識并不清楚，不能理解其中的原理，形成一種“以賽促學(xué)”的現(xiàn)象。學(xué)生學(xué)習(xí)機器人應(yīng)該是在探索的過程中學(xué)習(xí)知識和技能，家長只注重結(jié)果而忽視了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中所收獲到的知識。

三、樂高4C教育模式

樂高4C教育模式包括四個流程：

1.聯(lián)系（Connect）

表示在教學(xué)過程中，將學(xué)生已有的知識經(jīng)驗、興趣愛好等與即將要學(xué)習(xí)的內(nèi)容進行聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如在本文的項目“解救機器人”中，學(xué)生以“解救小組”的形式來領(lǐng)取挑戰(zhàn)任務(wù)卡，通過解決問題的形式去完成本次挑戰(zhàn)任務(wù)——“解救機器人”，激發(fā)學(xué)生迫切想要去解救機器人的強烈愿望，在此過程中學(xué)生將自己所學(xué)過的知識運用到新任務(wù)中去，例如：機器人在行走的過程中會運用到以前學(xué)過的大型電機的知識點。

2.建構(gòu)（Construct）

學(xué)生在完成挑戰(zhàn)任務(wù)的過程中，通過小組討論、頭腦風(fēng)暴，會對問題的解決形成新的認知，通過不斷調(diào)試，總結(jié)出不同的經(jīng)驗，方法也在不斷地更替，在已有的知識基礎(chǔ)上總結(jié)學(xué)習(xí)會產(chǎn)生新的認識，同時學(xué)生解決問題的能力、與成員合作交流的能力也在逐步提升。例如“解救機器人”項目中，學(xué)生完成好結(jié)構(gòu)搭建和編程后會現(xiàn)場測試，如果機器人走多了或者走少了，需要將時間調(diào)短或者調(diào)長，機器人是否能返回基地等，學(xué)生在不斷地調(diào)試中會得出這些問題的結(jié)論。

3.反思（Contemplate）

指學(xué)生反思和回顧已建構(gòu)的知識，主要包括：學(xué)到了什么？在學(xué)習(xí)的過程中遇到了什么困難？學(xué)生在完成挑戰(zhàn)任務(wù)后，反思自己作為小組成員在整個過程扮演的什么角色，在過程中遇到了什么困難，自己是怎么解決的，學(xué)習(xí)到了什么，等等。例如：測試時將端口號插錯，導(dǎo)致電機不轉(zhuǎn)動。在學(xué)生討論過程中，教師及時關(guān)注學(xué)生的情況，通過適當?shù)奶釂栆龑?dǎo)學(xué)生圍繞問題而討論，幫助學(xué)生有目的地思考問題。

4.延續(xù)（Continue）

指用解決一個新的任務(wù)為導(dǎo)引，新任務(wù)的知識點是建立在本節(jié)課知識點之上，通過之前所學(xué)的聯(lián)系、建構(gòu)、反思等知識與技能去解決新的任務(wù)，學(xué)生通過進一步解決新的任務(wù)為下一節(jié)課的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，使學(xué)生在這一螺旋上升的循環(huán)過程中不斷探索新知識。

四、機器人課堂教學(xué)設(shè)計方案

本文以樂高機器人完成太空挑戰(zhàn)賽“解救機器人”項目為例，詳細說明機器人課堂教學(xué)設(shè)計方案。

1.教學(xué)設(shè)計

（1）教學(xué)實施說明

S小學(xué)機器人社團課的教學(xué)內(nèi)容是以樂高EV3機器人搭建及編程為主，教學(xué)對象是小學(xué)三、四、五年級的學(xué)生，在開展研究過程中，筆者嘗試將STEAM教育理念融入到日常教學(xué)過程中，以項目式教學(xué)進行實踐。

（2）教學(xué)對象分析

在S小學(xué)，機器人教學(xué)是以社團形式開展的，社團里面的學(xué)生來自三、四、五年級不同階段，并且大家都是零基礎(chǔ)，目前還處于基礎(chǔ)班。筆者在開課前將班上的學(xué)生進行隨機分組，三人一組，通過問卷調(diào)查了解到班上的學(xué)生加入機器人社團是因為對機器人好奇、感興趣，希望通過學(xué)習(xí)能進一步探索機器人的奧秘。在教學(xué)過程中，不同年齡階段的學(xué)生一起合作學(xué)習(xí)，一開始會有分歧，學(xué)生之間也會有爭執(zhí)。經(jīng)過不斷地磨合，學(xué)生之間的合作意識逐漸加強，小組成員遇到問題會一起商量解決，還會嘗試和其他小組分享經(jīng)驗。筆者認為這樣能鍛煉不同年齡階段學(xué)生的交流合作意識與能力。

（3）教學(xué)環(huán)境

學(xué)校頂樓的科技館里面有專門搭建、編程的教室和一個“太空挑戰(zhàn)賽”的賽臺，場地寬敞，可以提供給學(xué)生搭建、編程以及測試。

（4）教學(xué)內(nèi)容和學(xué)習(xí)主題

“解救機器人”這個任務(wù)主要是讓學(xué)生學(xué)會樂高機器人大型電機和中型電機的運用。

（5）學(xué)習(xí)工具

如圖1所示，學(xué)習(xí)工具主要為樂高EV3基礎(chǔ)小車和筆記本電腦。

（6）教學(xué)方法

在完成任務(wù)的過程中，采用演示法、講授法和小組競賽法交叉進行，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.教學(xué)過程

“解救機器人”是太空挑戰(zhàn)賽中的一個子任務(wù)，采用項目式教學(xué)，學(xué)生需要完成機器人從基地出發(fā)，將斜坡下的機器人救回來，同時需要搭建機械臂與中型電機配合，完成解救工作，機器人從斜坡上返回來的時候需要將機器人放置在火星表層，保證六個輪子接觸火星表面，最后小車要返回基地。學(xué)生在此過程中需要不斷調(diào)整位置和參數(shù)，保證機器人從基底出發(fā)，解救機器人置火星表面，然后回到基地。教師在整個過程中扮演引導(dǎo)者的角色，可以幫助學(xué)生理清思路，學(xué)生自己動腦思考如何解決問題。

第一步：學(xué)生需要花兩個課時的時間，通過科學(xué)的原理設(shè)計出機械臂，搭建好基礎(chǔ)小車，之后需要通過編程讓小車動起來，然后去賽臺上測試摩擦力，一開始因為輪子的原因，導(dǎo)致小車在上坡的時候與斜坡的摩擦力太大，影響小車的運動，同時電機帶不動小車上坡，經(jīng)過幾輪調(diào)整，將小車后面的萬向輪換成最小的輪子，同時用兩個輪子能使小車的運動方向更穩(wěn)。

第二步：在正式進入編程之前，學(xué)生需要清楚規(guī)則。首先講清楚小車最開始的位置在哪里，小車上的任何部位不能超過基地邊沿黑線，這里需要調(diào)整小車的初始狀態(tài)，比如機械臂收回來;其次在解救機器人時必須是機器人和機械臂將機器救回來，這里需要用到大型電機驅(qū)動小車前進，將電機的參數(shù)調(diào)為負即可完成小車后退。最后解救機器人的機械臂需要提前測試，如中型電機正傳手臂是拋下還是抬起收回，這里對手臂的要求也比較高，如果結(jié)構(gòu)太復(fù)雜會把機器人卡在機械手臂上，同時要考慮小車出發(fā)前結(jié)構(gòu)是否超出基地，學(xué)生在這里需要調(diào)整時間，盡量花最少的時間完成操作。

第三步：幫助學(xué)生養(yǎng)成良好的習(xí)慣，學(xué)會將程序保存至合理位置并命名，以免出現(xiàn)每次都丟失程序，導(dǎo)致每節(jié)課都要重新編程，無法銜接上一節(jié)課的內(nèi)容。最后每節(jié)課后要將電腦正常關(guān)機，同時把零件放到本小組的箱子里。

第四步：前面的基本工作完成，最重要的一步就是為機器人寫入程序，相當于為機器人的大腦注入思想，讓機器人去完成相應(yīng)的指令。在編程的時候要注意端口號的匹配，學(xué)生在操作的過程中經(jīng)常忘記將編程里的端口號與機器匹配。當然，學(xué)生不會一次就把程序編出來，需要在測試的時候進行調(diào)整。

第五步：測試。學(xué)生完成前面五步后，后期需要不斷測試，不斷調(diào)整參數(shù)，首先，從基底出發(fā)，到坡的頂端，需要控制好時間，如果時間太短，機械臂無法接觸到機器人，如果走的太多，機器人會卡在斜坡上無法上來;其次，回來的時候如果時間太長，會將機器人帶出火星，無法保證六個輪子完全接觸火星表面;最后，如果時間太短，無法使小車完全回到基地。以上三點都是學(xué)生需要不斷嘗試的，有的學(xué)生會來回調(diào)試很多次，但是學(xué)生不會因此而失去耐心，相反，如果這次走多了，他會立馬回去將時間減少，直至最后完美地完成任務(wù)。學(xué)生在這里測試時需要小組成員的配合，幫助操控手調(diào)整小車的出發(fā)位置，因為小車走偏后無法上斜坡，任何一個地方?jīng)]有控制好都會影響到后面的結(jié)果，這里很考驗小組成員之間的合作和溝通。

總之，為了能使任務(wù)能順利完成，前期需要做很多準備工作，例如：保證主控電是充足的;保證兩個大型電機和一個中型電機能正常工作;需要借助直尺工具測量從基底到斜坡起點的距離，調(diào)試參數(shù)的時候可以參考;在搭建機械臂的時候，不僅要考慮美觀，還要考慮功效。在解決“解救機器人”的過程總需要綜合運用各個學(xué)科的知識，同時還要學(xué)會和別人分工合作，鍛煉學(xué)生的綜合素質(zhì)。

3.教學(xué)評價

最后檢驗學(xué)生成果時，采用教師評價、小組評價和學(xué)生自評。各個小組進行現(xiàn)場測試，教師采用秒表計時，在規(guī)定的時間內(nèi)，記錄每個小組從起點到終點任務(wù)的完成情況;其他小組成員在一側(cè)觀看別的小組的結(jié)構(gòu)和小組成員的配合情況，吸取別人的長處，彌補本組的不足;學(xué)生要陳述自己在本次項目中承擔了什么工作，完成得怎樣。學(xué)生需要對各個組進行評分，最后自評。教師將每個組所得的任務(wù)分、小組分以及個人評分加起來，并對勝出小組進行頒獎。

4.教學(xué)反思

在學(xué)生完成該項目的過程中，從學(xué)生的反應(yīng)和課后交流中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對挑戰(zhàn)任務(wù)的興趣很濃厚，也愿意不斷調(diào)試，小組成員也從一開始各種矛盾發(fā)展到漸漸學(xué)會合作，把自己融入到小組中去，搭建手和編程手各司其職。但是也出現(xiàn)了不少問題，如端口號記錯，沒有及時命名并且在筆記本記錄下來每一個程序?qū)?yīng)什么任務(wù)，導(dǎo)致在測試的時候經(jīng)常找錯程序。教師在教學(xué)過程中除了引導(dǎo)之外，還要根據(jù)實際情況給予學(xué)生一定的鼓勵。

五、機器人教學(xué)建議

1.加強師資力量的培訓(xùn)

目前很多學(xué)校的機器人是以社團的形式開展的，缺乏相應(yīng)的機器人專業(yè)教師指導(dǎo)教學(xué)，應(yīng)該加強教師培訓(xùn)，提升教師的機器人教學(xué)能力。通過培訓(xùn)，使教師的觀念更新，認識到機器人教育的重要性，進而加強機器人教育在學(xué)校的開展。

2.探索機器人教育與課程的整合

機器人教育可以和語文、數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)課程相結(jié)合，可以與信息技術(shù)、綜合實踐課相結(jié)合，還可以和通用技術(shù)、科技活動等課程相結(jié)合。例如：在信息技術(shù)課上可以利用搜索引擎將機器人照片、文字介紹、視頻等資料穿插在課堂中，既可以培養(yǎng)學(xué)生搜集、加工處理信息的能力，還可以使學(xué)生了解機器人的發(fā)展狀況。

3.綜合考慮機器人的相關(guān)標準

當前市場中的機器人品牌眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，沒有統(tǒng)一的標準，很多品牌的機器互不兼容，開放性低。學(xué)?？梢詮膬煞矫婵紤]機器人產(chǎn)品的標準：應(yīng)針對不同年齡階段學(xué)生的認知水平開發(fā)適合他們的一系列產(chǎn)品;不同層次的學(xué)生所需要的機器人類型和規(guī)格不同，有的是為了訓(xùn)練，有的是為了參加比賽，應(yīng)根據(jù)使用者的實際需要選用合適的產(chǎn)品。

4.加強學(xué)生的合作意識和提升解決問題的能力

在開展機器人教學(xué)時，一定要關(guān)注學(xué)生過程性的表現(xiàn)，學(xué)生以小組的形式開展活動，在機器的設(shè)計、結(jié)構(gòu)的搭建、程序的編寫、最后的調(diào)試中都會出現(xiàn)各種問題，如：意見不統(tǒng)一，測試的時候大家都想自己去操作，組內(nèi)會互相爭機器等問題，在開展機器人教學(xué)的過程中，不僅要培養(yǎng)學(xué)生在解決實際問題的時候綜合運用各個學(xué)科知識的能力，還要培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會如何與他人合作，遇到分歧如何解決等能力。

5.關(guān)注學(xué)生的變化

在開展機器人教學(xué)過程中，學(xué)生會遇到不同的問題，每個學(xué)生的心理素質(zhì)不同，有的學(xué)生遇到問題后會立刻解決，在困難中越挫越勇;有的學(xué)生則很容易受到挫敗，一旦挑戰(zhàn)任務(wù)失敗就會認為自己無法完成任務(wù)，教師此時需要及時鼓勵學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生找出問題所在，幫助學(xué)生在實踐的過程中找回自信心，為以后的教學(xué)做好鋪墊。

開展機器人教育有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，有助于學(xué)生解決問題能力、創(chuàng)造力、自主探索等能力的提升。機器人教學(xué)項目學(xué)習(xí)過程能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，加強學(xué)生的合作意識，在培養(yǎng)創(chuàng)新型人才方面獨具優(yōu)勢。

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（編輯：魯利瑞）