STEM教育视野下小学机器人教学活动设计与实施.pdf

第 卷 第 期教 育 探 究 年 月 教育视野下小学机器人教学活动设计与实施李 明(福建幼儿师范高等专科学校信息科学学院 福建 福州)摘 要:以机器人教育为代表的科创类课程成为小学信息技术教育及创客教育不可或缺的一部分 但在实际应用中存在诸如跨学科整合不足等问题 教育强调跨学科的综合性学习 为小学机器人教育提供了新视角 本研究以福州市 小学的六年级学生为研究对象 在 乐高教学实践中 融入 教育理念 设计趣味机器人教学案例和教学模式 在零件搭建和编程实现工程中运用数学、语文、物理、科学、编程等多学科知识 将教学重难点循序渐进地渗透到课程内容中 在动手实践中培养了学生的工程搭建能力 也刺激了学生对相关知识的深入理解 结果表明基于 理念的小学机器人教育 在项目学习扩展学生知识的过程中 丰富了学生的人工智能知识 提高了其学习兴趣、学习自主性、创造力和协作能力关键词:机器人 乐高 小学 课程中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:基金项目:本文系福建幼儿师范高等专科学校 年度校级课题“面向教育机器人的语音问答系统研究”(项目编号:)的研究成果 作者简介:李明()女 福建幼儿师范高等专科学校信息科学学院教师 工程师 硕士 主要研究方向为青少年人工智能教育及计算思维培养 科技赋能教育 教育助推科技发展 机器人智能是未来世界的必然发展方向 是国家自动化水平和创新能力的突出代表 教育作为跨学科综合教育的有效形态 已成为世界各国教育改革的战略选择 机器人教育涉及数学、物理、电子、机械、通信、编程、工程设计等诸多学科领域的知识 契合 (、)教育内涵能培养孩子的创造性思维和在实践中解决问题的能力 年 我国教育部印发 教育信息化“十三五”规划 明确指出:“有条件的地区要积极探索跨学科学习(教育)”使学生具有较强的信息意识与创新意识 年 小学信息科技课程标准中多次提到跨学科主题、算法、编码等 当下 机器人教育被多省市纳入到小学课堂 小学机器人课程具有综合性跨学科特点 教育的重要原则包括整合技术、跨学科教学、使用现实世界的应用程序和以项目为中心的课程 教育指引下的机器人教育具备学科交叉的特点 更有助于学生对习得知识的有效构建和有效整合 重在学以致用 在 教学理念下 学生在课堂中自主探究、团结合作去动手创造完成机器人项目学习 在实践操作中 运用多学科融合的综合知识去解决实际问题 从而提升思维能力和创新能力教 育 探 究 年我国中小学校内机器人教育的开展的模式主要有以下形式:一是赛事 比赛是学习成果展示的重要途径 包括白名单赛事、国际赛事、区域赛事等 二是课程 部分学校通过社团、校本课程、科技节等推动然而我国机器人教育发展较晚 发展并不均衡 也缺乏纲领性的引领及课程标准等 以乐高 为载体 秉持寓教于乐的理念 通过叠加传感器、电机、编程软件等不断增加难度 满足不同年段学生的认知能力及学习需求 故笔者选择在小学进行 的教学实践研究 以期为 理念下小学机器人教育提供更多的实践和借鉴一、教育理念下的乐高 教学有关 教育的概念最早源于 世纪 年代的美国 近年来 涵义一直在不断扩展和延伸 从四门独立学科的简称 逐渐演化成了强调学科整合、基于项目、问题解决培养高阶思维的自下而上的教学理念 随着社会 时代的来临 美国、英国、德国、芬兰等国家都在国家战略层面上推出了政策措施 旨在促进 人才培养并推动 教育的发展自我国引入 教育理念以来 国内许多学者纷纷提出借鉴欧美国家的经验 借鉴国外的经验固然是必要的 但如果忽视了我国学科教育的传统以及 教育本土化所蕴含的教师发展力量 那么我们将很难跳出模仿和借鉴的思维模式 因此 在 教育实践中 需要结合我国基础教育特色和发展现状来进行课程设计及教师培养 套装配有黑白显示屏 显示 程序块内部进程 通过程序块界面进行操控 学生可用电机、传感器等搭建机器人 以模块化、图形化的编程软件进行编程 利用 的数据线或蓝牙模块 与机搭建的器人建立实时交互联系 编程软件以直观的图形化的方式将传统复杂规范的编程代码转换成学生易懂、易上手操作的逻辑式代码模块 将传感器、电机的使用状态实时展现在界面上 通过界面上记录的相关数值和测量的值 学生们可以快速学会并使用编程模块调试机器人 进行有趣的探索图 乐高 机器人图 编程软件 教育可以帮助学生更好地理解并应用科学、技术、工程和数学等学科知识 机器人教育是落实 教育的良好载体 在小学 机器人教育实践中落实 教育是可行的 也合乎我国课程改革的趋向 通过搭建机器人来落实 理念 能够提高学生的动手能力和创新能力 培养学生的逻辑思维和解决问题的能力 激发学生的学习兴趣 提高学生的学习积极性二、基于 的交互型机器人教学设计(一)教学现状分析为深入了解 教学现状以及存在的问题 笔者对福州市鼓楼区和台江区小学的机器人社团进行调研 发现存在的问题主要有:关于机器人课程教材 部分学校以厂家配套的教材为主部分学校将赛事任务作为教学依据 自编教材进行教学 常用的教学方法有讲授法、演示法、任 第 期李 明:教育视野下小学机器人教学活动设计与实施务驱动法 教师的预期教学任务基本上都能完成 但课堂教学效率不高 教学评价较单一 缺乏对学生创造力的培育等(二)理念指导下 教学活动设计原则在调研分析的基础上 在 教育理念的指导下 本研究提出 教育机器人教学活动设计的基本原则:生活真实情境 小学生思维较活跃 但是其知识储备、认知程度等制约了机器人知识的理解 基于生活真实情境的项目 能让学生快速参与到课程中 调动学习积极性 跨学科综合 机器人教学不只是机器人搭建和编程 而是一个进行跨学科知识整合的课程 这也是 教育理念的体现 合作探究 在小学机器人教学中 在教师引领下 学生通过同伴互助 自主进行探究学习过程 对自己关注问题设法找到解决策略的过程 多元评价 评价主体包括教师、学生间的评价 评价贯穿整个学习过程 包括问卷调查、作品创作方案表、作品评价表、小组活动记录表、课堂观察表等 通过收集多元评价构建过程性的多元评价依据(三)理念指导下 教学目标设计 理念指导下的 机器人教学的总目标为:在 项目实践过程中 提升学生的创造力 培育积极的 机器人学习态度 三个维度的教学目标如下:知识与技能:认识并了解 乐高机器人 思考发现 乐高机器人对于现实生活的意义 掌握 乐高的搭建技巧和基本方法 学会使用相应的编程软件编写程序 通过乐高机器人解决问题、完成任务 过程与方法:通过课程教学的框架设计和学时规划 让学生们熟识乐高零件 掌握乐高搭建技巧 并且能独立或协作完成搭建作品任务 在搭建完成作品后能通过教师给的任务赋予乐高机器人相应的编程程序 使其完成任务操作 能够将课堂上学习的乐高机器人理论知识结合多学科知识综合运用在现实问题中 在学习中让学生们开拓视野 合作创新 情感态度与价值观:通过小学 乐高课堂的学习 让学生们感受机器人教育的魅力提高学生们对乐高机器人的学习兴趣 利用特有的课堂教学模式 培养学生们的创新能力和思维意识 从中不断完善自我 提高自我 通过搭建作品和编程程序的联动 结合现实生活 让学生们切实感受科技带来的乐趣和力量 在 课堂学习中 从搭建到编程再到最终完成任务的过程中 让学生在每一个环节中都能感受到科学、技术、工程、艺术、数学 理念带来的多学科融合的魅力 提高综合素质(四)理念指导下 教学内容要求依据 义务教育信息科技课程标准(年版)和闽教版小学信息技术教材 确定 教学机器人的主要教学内容为:机器人结构搭建和机器人图形化编程两部分以福州市 小学六年级学生为实施对象 小学每周开展两节 乐高机器人课堂 据前测调研 学生为第一次接触 乐高机器人 各项目的教学内容循序渐进、先易后难 跨学科特色突出 富有趣味性 对教学内容及要求分析见表 三、基于 的小学乐高教学实践 以 双弹夹冲锋枪 为例本课介绍的是多种传感器与电机的综合运用 是学生编写复杂程序的开始 着重学习颜色传感器和触动传感器 并结合以往的学习知识 完成作品 为今后学生继续深入学习 乐高打下基础 课堂实施流程如下:教 育 探 究 年表 机器人教学内容要求阶段知识模块具体要求阶段一组件基础)基本了解 机器人的基本组成和基本结构)观察认识常见的传感器以及基本应用)区分大型电机和中型电机)能初步认识齿轮等 机械零件搭建制作)能通过模仿教师示范等方式 设计搭建简单的机器人编程设计)了解基本编程模块)能通过对应的程序 让机器人动起来 进行简单的调试综合运用)了解不同领域的机器人功能)有运用所学的知识解决问题的意识阶段二组件基础)了解 机器人的基本组成和基本结构)了解传感器在主机上正确接口方式)了解大型电机和中型电机的区别)能认识齿轮、轮轴等机械零件 了解电池、外接电源、电机等动力提供部件搭建制作)能合作拼装简单的机器人 并进行软硬件联调控制)能依据方案选择 零件 合作完成搭建编程设计)了解程序的三种基本结构并且认识“等待模块”)了解并表述程序流程图)分清乐高机器人三种方式的转弯综合运用)能够编制对应搭建的机器人控制程序 并进行测试)有运用综合知识解决问题的意识阶段三组件基础)对乐高机器人架构有自己的认识并且合理解释)能根据不同的条件、环境选用合适的传感器)能掌握常见乐高零件的运用搭建制作)能理解教师示范的常规机械结构并举一反三的应用)能依据方案自主选择 零件 独立搭建一些常见的机械结构)能对结构进行适当的改进 提高任务完成的效率编程设计)能独立编程完成一些简单的任务 例如走正方形路线等)认识“选择模块”和“循环模块”)掌握使用主机的高级功能 含查看传感器的参数值等)能初步对程序进行简单的软硬件联调综合运用)能通过软硬件联调 体验控制系统的生成)有运用综合知识解决问题的意识阶段四组件基础)对机器人架构有深刻的理解并能举一反三到现实生活)掌握传感器的用法 在不同的条件下选择合适的传感器完成任务)能掌握大部分乐高零件的运用搭建制作)能依据方案自主选择 零件 独立搭建简单的机器人)能对结构进行适当的改进 提高任务完成的效率编程设计)能将“选择结构”和传感器检测的参数值结合使用)能对检测的参数进行修改 减少实践时的误差)能读懂教师示范编写的程序并根据自身需求适当改进)能对程序进行简单的软硬件联调综合运用)能主动运用综合知识解决问题)能通过软硬件联调 感悟算法指令 感悟机器人与现实生活的联系 体验并实践不同机器人的特点 第 期李 明:教育视野下小学机器人教学活动设计与实施(一)吸引/导入在电影和动画片当中 都会出现冲锋枪的身影 将冲锋枪的保险杆拉下 按压就可以发射子弹 通过动画片情境导入 激发学生的学习兴趣 本课例将学习如何应用多种传感器以及编程模块 模拟出冲锋枪上保险并发射子弹的过程 明确任务:设计搭建双弹夹冲锋枪 尝试编写子弹上膛并发射的程序(二)探究此环节为学生提供构建自身学习经验的机会 教师将物理、数学、计算机科学等多学科领域的知识融入到学习中 设计了一系列问题 如:探究颜色传感器测量反射光参数值 探究触动传感器与电机的综合运用 探究弹夹和弹道的合理位置等学生通过思考、讨论、探究、实践等过程 既能积累既有经验 还能加深基础认知(三)解释在这个阶段 教师需要指出学生之前存在的缺陷或错误 并进行相关知识的补充 可以通过提问来确认学生对相关知识的掌握程度 并通过问答和讨论来澄清概念 促进学生系统性和结构性的认知发展 例如:重点解释颜色传感器测量反射光参数 对编程“等待模块”“切换模块”和“循环模块”的模块嵌套使用等(四)工程设计学生运用他们掌握的基础知识 设计并制作出能够解决当前问题的原型 这个过程促进了知识和能力的整合 准备一些乐高单位为三的杆 作为子弹 搭建带有双弹道的冲锋枪 并安装上相应的颜色传感器和触动传感器 首先应用颜色传感器测量反射光的参数值 如果发射光正确测量 则在保险杆被拉开的时候子弹就能正常发射 通过编程模块的嵌套来实现拉开保险杆和子弹发射的过程(五)拓展迁移在上一阶段的基础上 学生进行更深入的探究和应用 知识迁移获得提升 操作能力和创新创造能力获得进一步实践 例如:如果将颜色传感器测量反射光变成测量环境光 任务是否能完成?是否超声波传感器可以在其中完全代替颜色传感器?当完成了双弹夹冲锋枪的所有任务后是否可以将冲锋枪加以改进 让子弹发射的更远一点?是否可以改进弹道确保每一次出枪都能有子弹?(六)评价反馈教师根据评估标准来确定学生的学习需求和存在的不足之处 教学中 多数学生表现得非常积极 与以往相比 他们对教具的兴趣转为对问题的探究、对任务的挑战 然而 在教学过程中仍然存在一些问题 特别是在“交流研讨、创意启发”环节中 部分学生对于倾听他人的态度不够积极 此外 还有一组学生直接模仿其他组的作品 这表明学生的想象力和冒险精神相对较弱四、总结与反思 教育理念为多学科交叉特性的人工智能实践课程提供了新思路 本研究以乐高 及编程环境为基础 结合 教学法 设计 教育理念指导的机器人与编程活动课程 并进行了小学机器人与编程实践教学探索 结果显示:教师在教学中扮演着重要的角色 需要具备教 育 探 究 年图 学生的搭建作品及程序作品 知识和教学技能 同时需要不断更新自己的知识和方法 当学生遇到困难时 应采用引导的方式来代替直接给出正确答案 机器人与编程的教学涉及 学科 由于学生能力存在差异 因此在拓展阶段需要采用差异化教学的观点 根据学生的个别差异来因材施教 确认学生的逻辑思维正确是编程教学中最重要的一环 教学也需要合适的课程设计和评估方式来保证学生的学习效果研究中存在的不足主要有:一是研究的样本量偏小 本研究只选择福州市 小学的六年级一个班级的学生开展教学活动 没有其他班级作为对照 存在局限性 二是教学实践时间有限本研究的实施时间为一个学期 该学校的机器人课程每周有两次课 每次课时为 分钟 这样的时间安排并不充分 对于培养学生的创造力存在一定的限制 尽管学生对机器人课堂学习的沉浸度有明显的提升和进步 但仍然有个别学生出现了一些问题 这需要作者在今后的教学过程中进一步关注和深入研究 此外 教学设计的普适性还需要进一步探究参 考 文 献 王素.年中国 教育白皮书 解读.现代教育 ():.教育部.教育部关于印发 教育信息化“十三五”规划 的通知/.:./.教育部.教育部关于印发义务教育课程方案和课程标准(年版)的通知/.第 期李 明:教育视野下小学机器人教学活动设计与实施:./.艾瑞咨询.年中国青少年 教育研究报告/.:./.?.张屹 赵亚萍 何玲 等.基于 的跨学科教学设计与实践.现代远程教育研究 ():.中国教育科学研究院比较教育研究所.教育政策国际比较研究.重庆:西南大学出版社:.(责任编辑:胡予宸)():.: