基于信息素养的小学机器人全员课堂教学方法研究

郭静 南京师范大学附属小学

李骏扬 东南大学自动化学院

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》明确指出：信息科技课程旨在培养科学精神和科技伦理，提升自主可控意识，培育社会主义核心价值观，树立总体国家安全观，提升数字素养与技能。在强调创新意识、创新思维的今天，培养学生的信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任等义务教育信息科技学科核心素养就显得尤为重要。而机器人作为学生信息素养培养的重要载体，必然是普惠的，面向全体学生的。

近几年，虽然诸多文件与规范为机器人教学的未来规划了美好蓝图，很多学校也以社团课、竞赛课的形式开展了机器人教学，但在面向全员展开教学时，教师必然面临着“大班现状与创新教育愿景”“有限资源与普惠教育愿景”的矛盾，在这些矛盾的背后，是传统教学惯性与学生的创新精神培养、创造能力激发、信息素养提升愿景的深层次冲突。面对这些矛盾与冲突，笔者进行了为期两年的实践探索，总结了一套可行的面向小学生综合信息素养提升的机器人课堂教学方法。

●面向全员的教学挑战

不同于竞赛课程、社团课程等校本课程，面向全年级的大班普惠的机器人课程一开始就面临着诸多教学挑战：①课程研发。教材中涉及的机器人与现实机器人不一致，教师要自己研发教材，难度很大。②大班教学。课堂学生多，机器相对较少。如何利用有限的机器人开展教学，是教师需要深入思考的。③课时安排。机器人搭建需要时间，但每周一课时无法保证有足够的动手搭建时间，没有硬件制作的基础，怎么开展后续机器人编程教学？④师资安排。一个班只有一名教师，在学生遇到较多的问题和困难时教师如何辅导？⑤专用教室。机器人教学需要机器人套件、场地等硬件支持，在没有机器人专用教室的情况下，如何开展机器人教学？⑥全员参与。如何充分调动学生的积极性，让每一位学生都能够在机器人课上有所收获，而不仅仅是少数学生能得到成功的体验？

●教学理念与策略

1.从身边开始设计课程

随着人工智能的飞速发展，机器人已经越来越多地走进了人们的生活，机器人教学对学生来说已不再陌生。六年级学生在之前学过图形化编程软件，他们对机器人兴趣很大。鉴于此，笔者在任教班级中尝试以任务驱动的方式，从解决问题出发，通过搭建、编程、检测、调试，以单元模式开展机器人教学，训练学生思维，提升编程能力和动手能力。

2.大班翻转，项目教学

笔者采取了翻转课堂的方式，重新调整课堂内外的时间，将学习的决定权从教师转移给学生。通过项目教学，如“主题乐园 智慧通关”“主题乐园 合力通关”，让学生在课堂上能够更专注于主动学习，共同研究解决机器人学习的相关问题，从而获得更深层次的理解。

3.合理配置，优化资源

笔者所在学校六年级共有10个班级，每个班级有40多位学生，每4人一个小组配一套机器人器材，最少需要12套器材。经过申请，学校购置了VEX IQ机器人套件13套（另加一套教师用器材），开启了信息科技课堂中机器人学习之路。

4.师资培训，构建教学梯队

学校成立了机器人教学领导小组，由校长牵头，成立核心团队，成员包括任教信息科技和科学学科的教师；同时，由信息科技学科组长牵头，成立辅助团队，包括青年教师后援团，定期开展培训。

●课堂教学与实施

VEX IQ编程软件是一款图形化编程软件，通过拖拽指令学生能完成程序的搭建。VEX IQ机器人具有丰富的构件，组装和搭建方便。

笔者在六年级10个班开设了机器人（VEX IQ）的普及课程，按照课程表上每周一节的频率进行授课，经过一年的实验，思考并设计了“问题导入、分工合作、学习编程、实验记录单”这四个机器人教学步骤，为机器人课程的顺利实施奠定了基础。

1.问题导入

在机器人教学的初始课中，教师给学生播放视频《快递分拣机器人》并提问：小黄人为什么能把物品送到相应的目的地？（认识地上的二维码？扫描）在《遇见弯道》一课中，提问：生活中我们乘坐的汽车，在转弯时，两只车轮是怎么运动的？在讲解《碰撞传感器》一课时，给学生观看扫地机器人工作的视频，并提问：你能说一说扫地机器人是如何工作的吗？……

通过这样的问题导入，一方面可以激发学生学习的兴趣，因为无论是看视频还是教师的提问，都与学生的日常生活息息相关，他们有兴趣投入到每一课的学习中去。另一方面，只有对问题进行了思考，才会深层次地理解并研究学习。

2.分工合作

在讲解了基本原理和基本设备后，教师引导学生进入搭建机器人的环节。笔者按照学生座位，将1号～4号，5号～8号……每4人分成一组。全班共12个小组，机器人套件按照1～12的顺序编号，这样每组配一台机器人设备。小组4人各司其职，下节课轮换岗位：组长1人，领器材1人，填写实验单1人，编写程序1人。通过这样的分工，既能让学生动手、动脑进行多通道学习，有利于掌握知识和技能，又能够让学生互相帮助、互相配合，培养他们团结互助的团队精神和精确沟通的能力。每节课轮换岗位，也能让每个学生体验不同岗位，无论是组长还是编写程序，每个学生都要参与其中。

3.编程学习

VEX IQ 的语言，主要有R OBOTC语言、ROBOTC图形化语言等。ROBOTC for VEX Robotics Graphical软件是美国卡内基·梅隆大学专为中小学生开发的一种简易的图形化编程软件。它不涉及代码编写，而是通过像搭积木一样的方法进行学习，学生只要拖拽就能使用（如下页图1）。因此，对于学生来说还是比较容易掌握的。

图1

VEX IQ机器人程序如何编写？一个著名的公式是：程序设计=数据结构+算法。程序设计就像是盖房子，数据结构就像砖、瓦，而算法就是设计图纸。若想盖房子首先必须有原料（数据结构），但是这些原料不能自动地盖起房子，必须按照设计图纸（算法）上的说明一砖一瓦地去砌，这样才能拥有想要的房子。程序设计也一样，使用的编译工具（如Jave/C/Basic/Pascal等）中有各种功能语句或基本结构（如Read/Write/Real/Boolean等），它们不会自动排列成学生想要的程序代码，学生得按照程序规定的功能去编写，而程序功能的实现就是算法的具体体现。通俗地说，必须按照特定的规则，把特定的功能语句和基本结构按照特定的顺序排列起来，形成一个有特定功能的程序，这就是：程序设计＝数据结构＋算法。

对于小学六年级的学生来说，利用图形化软件编程，降低了编程难度，编写程序的体验就像玩积木一样简单、有趣，学生可以创造出属于自己的机器人行为和运动，这样不仅激发了思维，更让学生可以直击核心问题：如何通过机器人编程解决问题？利用机器人编程解决问题的基本过程有五步：分析问题、设计算法、编写程序、调试运行、检测结果。在课堂教学中，教师将每个编程的任务通过流程图的方式进行分析，并讲解主要语句，具体程序的编写则由小组成员共同完成，先完成的小组先测试，这样，既可以解决场地不足的矛盾，也可以发挥小组间的互帮互助作用。

4.实验记录单

在VEX IQ机器人的教学中，为了让学生更好地分析机器人的行走、运动，促进机器人的搭建和程序编写，笔者采取了给每节课设计实验记录单（如图2）的方式。通过《机器人走直线测试记录单》可以看出，学生通过测量、计算、预估，再通过实验，将结果与预估值进行对比，就能很好地完成通关任务。

图2 机器人走直线测试记录单

●结语

在人工智能时代，身为教师，需要为学生的未来做一些思考，需要为学生的未来去重建课堂、不断创造。在机器人普及教学之路上，教师应努力探索前行。