智能机器人编程与实践对高中学生学科核心素养的培养

智能机器人编程与实践作为一门综合性课程，为高中学生提供了跨学科学习的机会，能够培养学生的核心素养，特别是在计算机科学、数学、物理学和工程学等领域。本文深入探讨智能机器人编程与实践对高中学生学科核心素养的培养，通过对学科整合、实践性学习、创新和合作等方面的研究，揭示了智能机器人编程在提高高中学生信息素养、创新素养以及批判性思维和解决问题的能力等方面的潜在优势，研究结果有助于教师更好地设计智能机器人编程课程，推动学生核心素养的全面发展。

一、智能机器人编程教育的内涵及影响

机器人编程是指通过编写一系列指令，使机器人能够执行特定的任务，这些指令涉及移动、感知环境、作出决策等方面。编程语言是机器人编程的工具，其中视觉化编程工具如Scratch、Blockly等适合初学者，而Python、C++等适用于更高阶的编程任务。智能机器人编程涉及对机器人内部传感器（如摄像头、红外线传感器等）和执行器（如电机、舵机等）的精确控制，以实现机器人在特定环境中的智能行为。

智能机器人编程提供了将编程技能融入数学、物理、生物等学科的机会。通过与学科整合，学生能够更全面地理解和应用所学知识。高中学生亲身参与智能机器人编程，能够在实践中深入理解编程原理，培养解决实际问题的能力，激发出对科学和技术的兴趣。智能机器人编程注重学生创造性和创新性的思维，通过实际挑战，发展学生解决问题的独立思考能力，培养其创新精神。学校开展智能机器人编程教育，能够在实践中培养高中学生的综合素养，提高其解决问题和创新的能力，为其未来的职业发展打下坚实的基础。

二、学科核心素养的维度与要素

学科核心素养涵盖了信息素养、创新素养、批判性思维与解决问题的能力以及沟通与合作能力四个关键维度。

（一）信息素养

在智能机器人编程与实践中，信息素养的培养需要学生具备有效获取、评估和应用编程信息的能力，理解算法的原理，能够在编程过程中灵活运用各种数据结构。提升，培养学生对于机器人感知技术的理解，包括视觉、听觉、触觉等传感器的应用，使学生能够更好地获取和处理机器人所需的信息。

（二）创新素养

在智能机器人编程与实践中，创新素养可以帮助学生在实际的机器人项目中应用所学知识，解决现实生活中的问题，培养解决问题的创造性思维；帮助学生增强自主学习的意识，鼓励学生主动追求新知识，使其保持对技术发展的敏感性，实现不断创新。

（三）批判性思维与解决问题的能力

在智能机器人编程与实践中，教师要培养学生的批判性思维与解决问题的能力，让学生具备定位问题、分析错误原因以及进行调试和优化的能力，引发学生对代码和系统的批判性思考。课程要强调项目管理的重要性，培养学生对于整个机器人项目的规划和组织能力，使其能够高效解决项目中的各种技术与管理难题。

（四）沟通与合作能力

在智能机器人编程与实践中，教师需要强调学生在机器人项目中的团队协作，包括有效的沟通、任务分配与合作等，增强学生在团队中积极讨论的能力。教师还要指导学生将自己的编程项目成果以清晰、生动的方式展示给他人，提高学生表达和沟通的能力。

综合来看，学科核心素养的培养不仅为学生提供了面向未来的综合素养，还为其未来职业发展奠定了坚实的基础。通过这一框架，学校能够更好地培养出适应未来社会发展的全面发展型人才。

三、智能机器人编程与实践在高中学生学科核心素养中的培养路径

在数字化时代，技术日新月异，对编程技能的需求不断增加，越来越多的行业依赖于计算机编程，这使得编程教育成为提高学生未来就业竞争力的关键。全球范围内，许多国家纷纷将编程纳入学校课程并取得了成功。未来，越来越多的领域将更加依赖科技和人工智能，具有编程技能的学生更容易适应社会发展并从众人中脱颖而出。为了培养适应未来社会需求的高素质人才，智能机器人编程与实践成为高中学科教育中的一项重要课程。因此，下文将智能机器人编程与实践课程作为培养高中生学科核心素养的起点，提出跨学科整合、建立稳固的编程知识基础以及开展项目驱动学习等策略，发挥智能机器人编程在提高学生综合素养中的优势，期望本研究能够为教育实践提供有益的启示，为学生核心素养的培养提供新视角。

（一）跨学科整合，培养学生的创新能力

跨学科整合使学生能够获得多个学科领域的知识，使学生能够更好地理解和解决实际问题，促进学生全面发展。为提高学生的创新能力，教师需要对不同领域的知识进行结合，将学科知识应用于实际项目中，使学生更容易理解和应用所学知识，培养学生的创新思维能力。

在具体的教学过程中，教师可以结合机器人编程项目设计跨学科的学习任务，要求学生不仅要掌握编程技能，还要了解物理、数学、生物学等相关知识。教师可以协调不同学科的教师，将机器人编程项目融入不同学科的课程中，如在物理课上探讨机器人运动的原理、了解植物工厂自动化控制原理、对照与分析传感器数据等。

教师还可以提供资源和指导，鼓励学生在项目中主动去学习并整合不同学科的知识。比如，在设计自主巡线的机器人时，学生需要理解运动学原理，这时候物理教师可以为学生讲解机器人的速度与轮子旋转速度的关系，用公式v=rω表示。其中，v是机器人的线速度，r是轮子的半径，ω是轮子的角速度。通过物理教师的辅导，学生能够轻松掌握基于Scratch的图形化编程，理解了传感器的工作原理，将灰度传感器用于巡线、将超声波传感器用于检测障碍物。

在这个项目中，学生需要整合来自其他学科的知识，应用这些知识解决实际问题。这样的跨学科整合项目有助于提高学生的学科核心素养，同时培养学生的创新能力。

（二）建立稳固的编程知识基础，选择适合的平台

在智能机器人编程与实践教学的过程中，适合初学者的编程语言能够降低学习门槛，使学生更容易理解和掌握基础概念。教师可以选择Scratch、Python等易学的编程语言，这些软件具有直观的语法和良好的文档支持；鲸鱼机器人、Arduino等，其提供了简单且功能强大的编程环境。教师可以使用这些工具逐步讲解与编程有关的概念，帮助学生建立坚实的编程基础。比如，从简单的控制结构开始，逐步引入变量、函数、循环等概念，确保学生在编程的过程中理解每个概念的作用。同时，教师还可以利用丰富的在线资源和编程工具，拓展学生的学习渠道，如使用在线教程、编程挑战平台（如Code.org、Scratch网站）、集成开发环境（IDE）等工具，让学生在更灵活的环境中学习。

教师可以使用基于Scratch编程的科艺机器人教育套件设计“小车避障机器人”的简单课堂练习，巩固学生的编程知识基础。课堂练习的目标是让学生构建一辆小车，通过编程使其能够自主避开障碍物。首先，教师可以展示实际的小车操控场景，激发学生对智能机器人编程的兴趣，然后介绍小车的电机和传感器，让学生了解它们的基本原理和作用。其次，教师示范如何编写简单的程序，以控制小车前进、后退、左转、右转等基本运动，指导学生学会使用传感器检测障碍物，编写简单的程序，使小车在检测到障碍物时能够停下来或转向避开。这时候，教师逐步引入条件语句的概念，让学生理解在编程中如何使用条件语句，如“如果检测到障碍物，则停下”。同时，引入循环的概念，让学生学会使用循环结构，如“当小车在行进中不断检测到障碍物时，持续执行避开障碍的动作”。最后，为提高难度，教师可以让学生尝试同时使用多个传感器，提高小车对环境的感知能力；引导学生结合超声波传感器和灰度传感器，为小车添加用户交互功能，通过按键来触发小车不同的动作；鼓励学生在小车编程的基础上开展具体项目，如设计一个小车迷宫解决方案或者参与机器人比赛。

在活动中，学生可以了解电机、传感器的基本原理，通过编程计算小车移动的距离、旋转的角度等，设计小车的结构，考虑其平衡性和稳定性。通过这个活动，学生能够在实际应用编程知识的过程中形成对编程概念的深入理解，同时通过实践中的物理、数学等学科的整合，培养学科核心素养。这种实践性强、循序渐进的教学方法有助于提高学生对于编程与机器人技术的兴趣，增强学生的学习自信心。

（三）开展项目驱动学习，鼓励学生解决实际问题

在智能机器人编程与实践教学中开展项目驱动学习，鼓励学生解决实际问题，这对高中学生学科核心素养的发展至关重要。通过解决实际问题，学生能够直观地看到所学知识在现实生活中的应用，所以，教师可以选择与学生日常生活或社会需求相关的问题来设计项目，用明确的目标和任务促使学生集中精力完成项目，提升学生解决问题的能力。

例如，教师可以要求学生设计一个能够自动浇花的机器人。学生则需要进行需求分析，以深入理解问题的本质，为项目的设计和实施提供方向。因此，教师要引导学生提出项目的功能需求，如识别植物湿度、控制水流等，然后将这些需求转化为具体的编程任务。学科整合使学生能够将多学科知识应用于实际问题中，提高学生解决跨学科问题的能力，如物理（水流控制）、生物学（植物湿度）、数学（传感器数据处理）以及综合设计与报告等。通过这样的跨学科项目设计，学生不仅能够掌握编程技能，还能够将所学的知识应用于实际情境中。

项目活动面临的实际问题是“经常忘记给植物浇水，导致植物生长不健康”，因此项目目标为设计一个自动浇花系统，能够根据植物湿度自动进行浇水，同时记录植物的生长状态。教师可以让学生设计水流控制系统，确保适量的水被释放；了解植物的生长需求，设置合适的湿度阈值；编写代码处理传感器数据，确保准确地测量植物湿度。在项目设计的第一阶段，教师可以让学生分析需求，以表1的形式进行记录。

表1 需求分析

识别湿度 系统能够识别植物的湿度并将其转化为数字数据

控制水流 系统能够根据湿度数据自动控制水泵并进行浇水

数据记录 系统需要记录植物的湿度数据，以便后续分析

之后，需要进行硬件搭建。教师可以准备详细的搭建指导，以文字说明、图示或视频教程来说明每个硬件组件的功能和连接方式。另外，教师要在学生搭建的过程中强调安全操作守则，如正确使用工具、避免电源短路等，确保学生了解并遵循安全规范。教师可以给出一定的建议，引导学生进行硬件的调试与测试，让学生根据建议进行实操，自己动手搭建，并给出如表2所示的硬件搭建实例表。

表2 硬件搭建实例

硬件 描述

Arduino 控制系统的主要微控制器

DC 3—6V水泵 小型潜水泵，用于控制水流的装置

DHT22 湿度传感器 数字湿度和温度传感器，用于测量植物的湿度

MicroSD 记录模块 用于记录湿度数据的MicroSD卡模块，与Arduino兼容

搭建完成后，教师要引导学生编写代码，使系统能够根据湿度数据自动控制水流，引导学生思考如何优化水流控制算法，如根据历史数据制定更智能的浇水计划，以避免频繁的水流操作。完成操作后，教师需要让学生对自己设计的内容进行测试，根据测试结果进行改进，调整阈值、优化控制算法。如果系统存在问题或者表现不如预期，教师要带领学生思考并实施改进措施，其中可能包括调整湿度阈值、修改控制算法或者优化传感器的位置。

通过这个项目，学生不仅能够学到编程和机器人技术，还能够应用生物学和数学知识解决实际问题，培养跨学科解决问题的能力。

四、结语

综上所述，智能机器人编程与实践作为高中学科教育中的一项创新举措，通过跨学科整合，建立稳固的编程知识基础，选择适合的平台，开展项目驱动学习等策略，有效培养了学生的创新能力、解决问题的能力以及跨学科整合的学习能力，有助于高中生更好地适应未来科技发展的需求。期望本研究的深入探讨能够为智能机器人编程与实践课程的改进提供一些建议，并为类似的综合性学科教育提供参考，促使更多的学校在培养学生核心素养方面积极探索创新的途径。

注：本文系福建省漳州市教育装备中心（漳州市电化教育馆）2023年度教育信息技术研究课题“智能机器人编程与实践对高中学生学科核心素养的培养的研究”（立项批准号：ZXK202322）研究成果。