將Scratch應用于機器人編程教學的分析與實踐

王麗

摘要： 隨著新課標的推進和實施，如何在小學中高年級培養學生的計算思維，培育核心素養，成為一個重要命題。本文對小學Scratch和機器人教學的現狀進行了分析，通過六年級信息技術課本中“我控制的機器人”這一實際教學案例的研究，對原有教材內容進行了豐富、細化和升華，總結了利用Scratch語言進行小學信息技術機器人編程教學的方法和心得。

關鍵詞： 小學信息技術 ?機器人 ?Scratch ?編程 ?融合教學

引言

以Scratch為代表的圖形化編程語言，界面形象生動，使用積木來編寫程序，沒有英文指令的理解障礙，讓學生在創作的過程中直觀、形象地學習編程、實現算法、表達思想。在六年級信息技術課本“我控制的機器人”中引入Scratch語言，讓學生對機器人進行編程，設計和實現算法，能夠讓學生經歷抽象、分解、建模的過程，在想象構思、動手搭建、編程設計、修改調試的步驟中培養計算思維，在綜合運用、動手動腦中提高學生的核心素養。

一、現狀分析

（一）學校機器人教學現狀

1.軟件難

現行中小學信息技術教材第八冊第12課中提到不同品牌的機器人配有不同的編程軟件。書中案例示范的是如圖1所示的一款軟件。學校用于比賽購買的機器人也是專業的配套編程工具，現在比較流行的機器人編程軟件還有Aduino，而這幾款編程工具對于六年級的學生來說比較陌生，在短短的一節課或者兩節課中，需要認識學習新的軟件，再利用工具進行編程，時間比較緊迫，難度也較大。目前的信息技術課絕大部分內容是軟件教學，軟件知識和硬件知識被分離開來，學生無法對信息技術學科有一個全面的認識。讓學生在信息技術課上既動腦又動手，用實驗去驗證，用創造去學習，成了難以實現的目標。

2.硬件少

為了在機器人大賽中獲獎，大部分學校每年要花費重金聘請校外專業的機器人社團對本校的優秀學生進行輔導。這些學校的機器人硬件由校外社團提供，比較先進，但是只有一小部分學生能夠接觸到，接觸面非常窄，以筆者所帶的六年級學生為例，僅有三名學生參加社團。還有一部分學校采購了數套機器人，也建立了機器人創客實驗室，但是面對整個學校上千的學生，仍然是杯水車薪。

（二）Scratch編程的教學現狀

Scratch程序設計從2017年1月起被安排進安徽省小學信息技術教材第4冊第三單元。在此之前，小學階段學習的唯一編程工具是PCLogo。Scratch趣味編程開始出現在小學信息技術四年級下冊教材中，對于四年級的學生來說，Scratch結構化、搭積木式的編程方式，讓幾乎所有的學生都會一眼喜歡上這個軟件。遺憾的是，信息技術教材只安排了6課時內容，學生們在課堂上幾乎沒有深入學習Scratch編程的機會。所以，將Scratch應用于機器人編程教學中也是對四年級學習內容的 ??延續。

三、將Scratch軟件用于小學機器人編程教學的意義

（一）增強學習趣味，降低學習難度

將Scratch應用到機器人編程教學中，學生不單要動腦編程，還要動手搭建機器人。學生的編程作品不再是摸不著、看不見的軟件，而是以可以觸摸、觀察的硬件方式呈現出來。這使得編程的過程變得更有趣、結果更加直觀生動，也使得編程的結果更容易觀察，有利于學生理解、調試、修改程序。

（二）培養學生想象力、創造力

想象來自現實，來自對現實深入的思考、觀察、分析，然后從中發現原型，進行組合、改造、變化。在以往的信息技術課中，培養學生的想象力和創造力是一大難點，往往出現老師怎么做學生就怎么做、老師做啥樣學生就做啥樣的情況。創新教學方法和軟硬件，可以使學生深入理解信息科技的原理，看到事物內在的聯系。豐富的軟硬件積木為創新提供了土壤，讓想象能夠開花結果。

（三）培養學生計算思維

計算思維是信息科技的核心素養。思維是內在的、無法直接呈現的。創新軟硬件，能夠將智能設備的工作過程和原理直觀呈現出來。通過創新教學方法，將學生設計的算法通過圖形化編程直觀地演示出來，學生在不斷地觀察、思考、假設、修改、獲得反饋的過程中理解并養成計算思維。

（四）提供新的教學路徑

整合機器人硬件教學與Scratch軟件編程，利用信息技術對學生開展創新教育，為學生營造了創新的環境，播下了創新的種子，為小學階段的機器人教育提供了借鑒。

三、基于Scratch的小學信息技術機器人編程教學的實踐

下面以電子工業出版社版小學六年級信息技術課本中“我控制的機器人”一課為例，簡要闡述Scratch的小學信息技術機器人編程教學的具體 實踐。

（一）發現需求，探究原理

我在教學“我控制的機器人”一課時正值盛夏，師生在教室里揮汗如雨。于是，我引導學生發現大家降溫、消暑的迫切需求：“天這么熱，怎么才能涼快些呢？”“還要起身開電風扇，真是麻煩，走走路又要出汗了。”“電風扇要是智能、自動的就好了。”從這些感慨、想法出發，學生發現了需求。我再引導他們將需求轉變為具體的項目目標：“能不能設計一個智能電風扇，只要人一靠近，就可以自動工作？”

在實際教學中，其實這一步并不容易。因為學生的想法天馬行空、五花八門，既要保護學生思考、探索的積極性，又要將教學控制在一定的范圍內。需要對學生的問題有一定的預估，既要在學生的想法超越教學軟硬件時，幫助他們收攏想法，聚焦項目方向；又要在學生對硬件不熟悉時，利用課前收集的資料，幫助他們了解可編程的機器人和智能硬件，為他們指明方向。

當學生接觸到身邊的機器人、智能硬件，以及自動化工作的設備后，他們能夠想象到自己設計的智能風扇的樣子，可是如果這個時候就讓他們動手開始軟硬件設計、制作，他們就會陷入一片茫然，因為他們缺少相關的知識儲備和經驗。為此，我抓住時機提問：“你們在生活中見過哪些這樣的智能設備？”根據經驗，他們可以說出感應門、感應水龍頭等智能設備。這個時候追問學生，“它們是如何運行的？由哪些部分組成？”就會難倒很多學生。我借機引導學生回憶、復習本單元前幾課的內容，由此學生能夠得出結論：這些自動感應的智能設備都是由傳感器、控制器、電機和運動部分等組成的。學生在探究身邊智能設備的同時，也認識了智能控制的原理。

（二）認識構造，積木搭建

受硬件限制，“機器人”內容在很多學校的教學一線處于實質上的空白狀態。面對學生感興趣的機器人，我們往往只能望書興嘆。目前市面上常見的智能硬件往往價格不菲，動輒就是四位數，例如知名的樂高EV3套裝，在網店的售價就高達六千多元。怎樣讓智能硬件買得起、用得起，一直是困擾一線信息教師的問題。我在遇到這一問題時，在網上平臺反復搜索比較，選擇了僅數百元的積木式機器人。它有兩個特點：第一，便于安裝和拆卸；第二，價格非常便宜，一個班級購買十臺，也只相當于花一個比賽機器人的價錢，讓學校“輕松購”。這學生有機會動手又動腦，讓機器人教學“能落地”。

學生在認識了智能設備控制原理后，已經對搭建智能風扇迫不及待了。這時我帶著學生認識積木式智能硬件的傳感器、控制器和運動部分，為搭建智能風扇做準備。尤其是傳感器類型多樣，學生需要熟悉每一種傳感器的功能和特點，才能在搭建時選擇合適的傳感器。其次，還要帶學生觀察傳感器、控制器、電機等主要部分之間的線纜連接，積木式硬件通常使用各種線纜連接，傳遞能源和信號。在教學中，要讓學生注意線纜的顏色、接口、正確接法。最后，還要提醒學生注意電機和扇葉的齒輪連接，講解齒輪減速的原理，借機進行STEM相關教學。

（三）編寫程序，認識算法

使用圖形表示算法是一種培養計算思維的好方法。千言萬語不如一張圖，流程圖在匯編語言和早期的BASIC語言環境中得到廣泛的應用。軟件編程原理都是相通的。針對智能風扇的算法，筆者也引導學生使用流程圖來表示，讓學生設計工作流程，再借助流程圖說一說“智能風扇”是如何工作的。

算法教學是計算思維培養的核心環節，新課標提出重視培養學生利用計算機學科的思想、知識、方法解決真實問題。本項目活動中，學生在前面搭建的基礎上，理解了輸入—計算—輸出這一基本的控制過程，為算法的基本結構奠定了基礎。接下來，老師需要引導學生針對輸入、計算、輸出的三個環節，設計硬件工作的邏輯和步驟，對具體如何實現進行算法分析。尤其是其中的計算環節，牽涉到判斷和循環結構，有一定難度，需要學生細致分析；對判斷和循環的條件仔細考慮。

教材中的這一課，學生需要學習利用專門的軟件給機器人編程，學生原來學習的PCLogo語言、Scratch語言無法直接遷移到新的學習中來，加大了學習難度，學生“學得慢”。Scratchpi這個軟件，界面、使用方法都和Scratch一樣，只是在Scratch的基礎上增加了一些與智能硬件相關的積木。學生可以無縫遷移之前的經驗，感到親切、熟悉，也愿意學習。知識遷移較快，難度降低，學生能夠輕松掌握新知識。

學生已經通過前面的算法分析，繪制出了流程圖，這里需要做的，是將流程圖所表示的算法用具體的程序語言實現出來。語言有自身的格式和規則，學生只有對程序語言熟悉，才能較好地使用程序語言來描述算法。老師要加強對積木模塊的教學，幫助部分程序語言不熟練的同學或小組，完成這一環節的任務。

（四）小組合作，學習創新

小學階段機器人教學課堂組織形式以小組合作學習為主。這一方面可以讓學習能力強的學生帶動學習能力弱的學生，讓學生在學習活動中形成集體意識和合作習慣；另一方面可以解決硬件不足的問題。但要注意的是：在不同階段的機器人教學中應當依據學生特點和具體條件，采取不同的分組方法，讓學生通過互相之間的交流、示范、解釋加深對知識技能的理解，從而激發絕大多數學生學習“機器人”知識的興趣。

軟硬件搭建完畢后，學生還需要對智能風扇進行調試運行，這就需要學生之間互相合作。同時對于出現的疑難問題，利用教師給的數字指導手冊進行學習，找到問題根源，排除故障。例如，對于人體靠近時的距離和風扇的轉速這兩個數值，需要在反復的嘗試中，找到一個合理的區間，不能出現人靠近了風扇不轉或風扇雖轉但沒有降溫效果的情況。

使用Scratchpi對機器人內容進行學習，并采用小組合作的形式完成學習任務后，學生總是感覺意猶未盡。一般我會在已有的硬軟件基礎上增加一些條件對任務進行拓展，培養學生的程序設計能力、實踐與創新能力。

例如，鼓勵學生從智能風扇出發，開發類似的自動化控制設備，服務學習與生活。在實際教學中，學生創意無限，產生了很多好點子、好想法、好作品。有的學生制作了自動澆花器，有的學生制作了夜間智能燈，有的學生制作了寵物自動喂食器……學生從創造中收獲學習的成果，享受學習的樂趣，實現了核心素養的培育。

參考文獻：

[1]王同聚.Scratch與機器人共融在教學中的應用與實踐——以中小學機器人教學為例[J].中小學信息技術教育，2015（8）：76 79.

[2]管雪沨.Scratch讓信息技術更有趣[J].中國信息技術教育，2012（10）：21 22.

責任編輯：黃大燦