核心素养理念下机器人教育教学策略的实践研究

袁建亮 郭志玥

核心素养是指学生应具备的，能够适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。学科核心素养是核心素养的具体化，中小学生要适应信息化环境下的学习与生活，高效地获取、加工、管理、表达与交流信息，就需要具备一定的信息技术核心素养。信息技术核心素养包括信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任4 个方面。因此，在机器人教育教学中，要采用多元化的教学策略，培养和提升学生的信息技术核心素养。本文结合机器人教学实践和项目学习等理论，提出了基于核心素养的机器人教育教学策略，并以“避障机器人”主题教学为例做了详细介绍。

项目简介

本项目基于学情和学习内容分析，从实际生活中的智能机器人入手，引出共同的功能——避障，确定主题。学生首先进行自主探索，并通过小组合作确定设计方案，然后进行组装搭建、绘制流程图和程序设计，最终设计出具有避障功能的机器人。

项目目标

通过自主协商学习，初步认识和安装超声波传感器；通过任务分析，能够运用流程图和編程模块设计机器人避障程序；掌握程序设计的基本方法，体会避障机器人程序设计多解及优化思想；在制作避障机器人过程中，感受智能科技带来的便捷。

项目实施

情境导入

教师播放一些生活服务智能机器人的视频，启发学生协商讨论，总结出这些机器人都很智能，均能绕开障碍物体，进而引出研究主题：作一名小设计师，设计出一款具有避障功能的机器人。

制订方案

学生通过头脑风暴和发散思维思考机器人如何避障，以及如何设计避障机器人等内容，从而明确任务。根据任务制订可操作的具体方案，用思维导图呈现，使学生对设计避障机器人有清晰的认识。

本项目中，师生对机器人如何避障，达成3点共识：①机器人要能检测到障碍物，且不能将障碍物撞倒；②机器人需要一个检测装置，能识别前面的障碍物；③机器人发现障碍物，能绕开并继续朝着目标前进。

学生小组合作制订的个性化设计方案，主要包括4点：①选择硬件器材，搭建机器人基本结构（包含机器人大脑EV3或其他控制器、马达等）：②设计机器人避障模块，确定和安装超声波传感器位置；③任务分析，设计机器人避障程序流程图；④应用编程软件，编写并测试机器人避障程序。

方案实施

搭建避障机器人选择合适器材，自主创意搭建避障机器人的基本结构。本项目以乐高器材为例，首先用EV3、电机、梁和销子等器材搭建出基本结构。然后结合场地里障碍物尺寸确定超声波传感器安装位置，对于有困难的小组，可以提供搭建参考图。

设计程序流程图结合任务分析，先小组讨论机器人躲避障碍物的运动过程，然后用流程图进行梳理归纳，明确程序设计思路，为程序编写作铺垫。

程序编写与测试结合流程图，教师引导学生思考程序编写可能用到的编程模块。教师采用一问一答的互动方式带领学生回顾学过的动作模块，重点讲解等待模块里的参数设置，以及循环模块和切换模块均可通过参数设置控制超声波传感器。学生以小组为单位，结合所学，按照日常的组内分工，进行程序编写及程序测试。教师应为学生留出自主探索的空间，让学生应用数字化学习环境自主学习与创新，设计出多样的避障机器人程序。

点拨引导，过程检查

在程序调试过程中，学生发现问题应先用数字化学习环境自主探究，查阅资料尝试独立解决，个人解决不了可尝试小组合作，仍然解决不了的再请教师指导。教师在指导过程中，不宜直接给出答案，而应为学生提供抓手，应用排除法引导学生分析，探索出解决问题的办法，提升学生的计算思维能力。另外，教师如发现学生遇到的问题为共性问题或典型问题，可拍照记录下来，供师生交流讨论，避免其他组出现同样的问题。

成果展示，修改完善

通过展示与对比，帮助学生意识到优秀的程序需经过反复测试与修改、不断优化与迭代得到。本项目中，各组依次展示并讲解设计思路和程序，由其他组从设计合理性、实用性、机器人运行流畅性等多角度进行评价。最后由教师总结提示学生，机器人避障程序不是唯一的，可以有多种编程方法，各组可在完成任务的前提下不断优化程序，帮助学生树立程序设计多解及优化思维。

升级挑战，拓展延伸

待学生初步掌握机器人避障程序设计方法后，教师可提高难度、设计进阶任务帮助学生巩固所学知识。教师可以设计必做和挑战2个难度的分层任务，用限时挑战的方式开展小组竞赛。学生先在纸上画出必做任务的流程图，然后结合流程图，在限定的5分钟内先完成必做任务，有时间再尝试挑战任务。小组竞赛挑战的方式激发了学生的学习潜能，从基础任务的学，到升级任务的用，提升了学生的计算思维能力。最后，带领学生观看抗疫机器人视频，体会智能机器人在抗击新冠疫情中发挥的重要作用，激发学生的民族自豪感和爱国情怀，增强他们的社会责任感。

总结与反思

通过设计避障机器人，学生完整地体验了完成一个机器人项目所经历的基本流程，即方案设计一搭建一程序流程图一程序编写一程序测试一优化完善，培养和提升了学生的计算思维能力，为未来应用人工智能进行科技创新打下了坚实的基础。