基于信息素養(yǎng)的小學(xué)機器人全員課堂教學(xué)方法研究

郭靜 南京師范大學(xué)附屬小學(xué)

李駿揚 東南大學(xué)自動化學(xué)院

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確指出：信息科技課程旨在培養(yǎng)科學(xué)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(shù)字素養(yǎng)與技能。在強調(diào)創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維的今天，培養(yǎng)學(xué)生的信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任等義務(wù)教育信息科技學(xué)科核心素養(yǎng)就顯得尤為重要。而機器人作為學(xué)生信息素養(yǎng)培養(yǎng)的重要載體，必然是普惠的，面向全體學(xué)生的。

近幾年，雖然諸多文件與規(guī)范為機器人教學(xué)的未來規(guī)劃了美好藍圖，很多學(xué)校也以社團課、競賽課的形式開展了機器人教學(xué)，但在面向全員展開教學(xué)時，教師必然面臨著“大班現(xiàn)狀與創(chuàng)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(tǒng)教學(xué)慣性與學(xué)生的創(chuàng)新精神培養(yǎng)、創(chuàng)造能力激發(fā)、信息素養(yǎng)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(jié)了一套可行的面向小學(xué)生綜合信息素養(yǎng)提升的機器人課堂教學(xué)方法。

●面向全員的教學(xué)挑戰(zhàn)

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(xué)挑戰(zhàn)：①課程研發(fā)。教材中涉及的機器人與現(xiàn)實機器人不一致，教師要自己研發(fā)教材，難度很大。②大班教學(xué)。課堂學(xué)生多，機器相對較少。如何利用有限的機器人開展教學(xué)，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(chǔ)，怎么開展后續(xù)機器人編程教學(xué)？④師資安排。一個班只有一名教師，在學(xué)生遇到較多的問題和困難時教師如何輔導(dǎo)？⑤專用教室。機器人教學(xué)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(xué)？⑥全員參與。如何充分調(diào)動學(xué)生的積極性，讓每一位學(xué)生都能夠在機器人課上有所收獲，而不僅僅是少數(shù)學(xué)生能得到成功的體驗？

●教學(xué)理念與策略

1.從身邊開始設(shè)計課程

隨著人工智能的飛速發(fā)展，機器人已經(jīng)越來越多地走進了人們的生活，機器人教學(xué)對學(xué)生來說已不再陌生。六年級學(xué)生在之前學(xué)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(wù)驅(qū)動的方式，從解決問題出發(fā)，通過搭建、編程、檢測、調(diào)試，以單元模式開展機器人教學(xué)，訓(xùn)練學(xué)生思維，提升編程能力和動手能力。

2.大班翻轉(zhuǎn)，項目教學(xué)

筆者采取了翻轉(zhuǎn)課堂的方式，重新調(diào)整課堂內(nèi)外的時間，將學(xué)習(xí)的決定權(quán)從教師轉(zhuǎn)移給學(xué)生。通過項目教學(xué)，如“主題樂園 智慧通關(guān)”“主題樂園 合力通關(guān)”，讓學(xué)生在課堂上能夠更專注于主動學(xué)習(xí)，共同研究解決機器人學(xué)習(xí)的相關(guān)問題，從而獲得更深層次的理解。

3.合理配置，優(yōu)化資源

筆者所在學(xué)校六年級共有10個班級，每個班級有40多位學(xué)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(jīng)過申請，學(xué)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(xué)習(xí)之路。

4.師資培訓(xùn)，構(gòu)建教學(xué)梯隊

學(xué)校成立了機器人教學(xué)領(lǐng)導(dǎo)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(xué)學(xué)科的教師；同時，由信息科技學(xué)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(xùn)。

●課堂教學(xué)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(xué)生能完成程序的搭建。VEX IQ機器人具有豐富的構(gòu)件，組裝和搭建方便。

筆者在六年級10個班開設(shè)了機器人（VEX IQ）的普及課程，按照課程表上每周一節(jié)的頻率進行授課，經(jīng)過一年的實驗，思考并設(shè)計了“問題導(dǎo)入、分工合作、學(xué)習(xí)編程、實驗記錄單”這四個機器人教學(xué)步驟，為機器人課程的順利實施奠定了基礎(chǔ)。

1.問題導(dǎo)入

在機器人教學(xué)的初始課中，教師給學(xué)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(yīng)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(zhuǎn)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(xué)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(dǎo)入，一方面可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，因為無論是看視頻還是教師的提問，都與學(xué)生的日常生活息息相關(guān)，他們有興趣投入到每一課的學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)。

2.分工合作

在講解了基本原理和基本設(shè)備后，教師引導(dǎo)學(xué)生進入搭建機器人的環(huán)節(jié)。筆者按照學(xué)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(shè)備。小組4人各司其職，下節(jié)課輪換崗位：組長1人，領(lǐng)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(xué)生動手、動腦進行多通道學(xué)習(xí)，有利于掌握知識和技能，又能夠讓學(xué)生互相幫助、互相配合，培養(yǎng)他們團結(jié)互助的團隊精神和精確溝通的能力。每節(jié)課輪換崗位，也能讓每個學(xué)生體驗不同崗位，無論是組長還是編寫程序，每個學(xué)生都要參與其中。

3.編程學(xué)習(xí)

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(nèi)基·梅隆大學(xué)專為中小學(xué)生開發(fā)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(xué)習(xí)，學(xué)生只要拖拽就能使用（如下頁圖1）。因此，對于學(xué)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(shè)計=數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法。程序設(shè)計就像是蓋房子，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就像磚、瓦，而算法就是設(shè)計圖紙。若想蓋房子首先必須有原料（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)），但是這些原料不能自動地蓋起房子，必須按照設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)（如Read/Write/Real/Boolean等），它們不會自動排列成學(xué)生想要的程序代碼，學(xué)生得按照程序規(guī)定的功能去編寫，而程序功能的實現(xiàn)就是算法的具體體現(xiàn)。通俗地說，必須按照特定的規(guī)則，把特定的功能語句和基本結(jié)構(gòu)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(shè)計＝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)＋算法。

對于小學(xué)六年級的學(xué)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(xué)生可以創(chuàng)造出屬于自己的機器人行為和運動，這樣不僅激發(fā)了思維，更讓學(xué)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(shè)計算法、編寫程序、調(diào)試運行、檢測結(jié)果。在課堂教學(xué)中，教師將每個編程的任務(wù)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(fā)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(xué)中，為了讓學(xué)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(jié)課設(shè)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(xué)生通過測量、計算、預(yù)估，再通過實驗，將結(jié)果與預(yù)估值進行對比，就能很好地完成通關(guān)任務(wù)。

圖2 機器人走直線測試記錄單

●結(jié)語

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