小学机器人课程开发与应用研究

王志伟 郭强 乔亮

河南省鹤壁市湘江小学

摘要：2017年7月20日，国务院发布《新一代人工智能发展规划》，明确支持开展形式多样的人工智能科普活动，鼓励广大科技工作者投身人工智能的科普与推广，全面提高全社会对人工智能的整体认知和应用水平。实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育。机器人教育是在中小学开展人工智能教育的重要方式，通过设计、组装、编程、运行机器人，激发学生学习兴趣、培养学生综合能力。机器人教育内容涵盖了机械原理、电子传感器、计算机软硬件及人工智能等众多先进技术，引入机器人教育的教学将给中小学的信息技术课程增添新的活力，成为培养中小学生综合能力、信息素养的优秀平台。机器人课程的开发与应用成为在中小学开展机器人教育亟待解决的关键环节。

关键词：小学机器人课程 开发 应用

一、小学机器人课程开发现状

从上世纪70年代开始,欧美等发达国家己经认识到了机器人的教育价值,开始在教育教学中应用智能机器人，积极探讨如何利用机器人技术优化教学以及如何教学生学习机器人技术等问题。他们普遍认为，未来机器人技术将对社会生活的各个方面产生越来越深刻的影响,同样也会引起教育领域的变革。

上世纪80年代,在国内发达地区的青少年科技馆、少年宫等科普机构已开始了简易机器人的教学活动。90年代以来,随着人工智能技术的迅猛发展,全球范围内掀起了一股智能机器人竞赛的热潮。国内机器人竞赛活动的兴起虽然比国际比赛稍微晚了几年,但是发展迅速,比赛项目多种多样,比赛规则与国际接轨,己经初具规模,影响力逐年扩大。在机器人教育普及的初期,机器人竞赛起到了一定的推动作用,为学校的教育教学提供了一个展示、交流、学习的平台。

但是国内机器人教育课程作为独立完整的教学课程走进小学课堂仍然处于起步的阶段，开展层次有所差异，课程内容不够完善，尽管有活动主题，但是都是网上收集无规则集成的，课程内容不够系统和完善。因为各校所用机器人不同，导致课程主题缺乏通用性，很多学校在机器人课程上只停留在理论上，缺乏实操性。虽然国内机器人教育课程处于零散、缺乏科学规划的状况，但是部分先进省市已经将机器人教育纳入了正规课堂教学，可见随着教育部门对该课程重视程度的提高，小学机器人教育课程必然会走进常规课堂教学。

我们在开发小学机器人课程的过程中，针对小学生不同年龄阶段的生理和心理特性，将课程分为了初级（1-2年级）、中级（3年级）、高级（4年级）和竞赛（5-6年级）四个等级，围绕有趣的主题项目，采用体验式、探究式、PBL等教学方法，引导学生主动探索，鼓励学生像科学家一样思考、解决问题、总结分享，培养学生多方面的思维和能力。课程整体设计使用螺旋上升式结构，由浅入深、环环相扣、层层递进。学生经过认识、领会、应用、回顾、分析、巩固、再应用的过程，最终达到学习的目标。

例如在中级班的课程中，我们设计了以“时空穿越”为主题的16节课程，通过创设一个时光机穿越回到历史当中的情景，开拓学生的想象力和创造力。通过了解穿越到的历史时期的文化和文明，与机器人功能相互结合，不仅能够学习到机器人搭建和编程的知识，同时也可以学习到历史文化的知识。

序号	课程名称	课程重点	机器人
第一课	认识机器人	套装零件以及使用方法介绍、机器人相关知识	探索者威奇
第二课	出发准备	搭建小电灯、学习彩灯模块的编程	小电灯
第三课	出发，回到过去！	搭建指示灯机器人、学习彩灯模块和循环模块的编程	指示灯机器人
第四课	农业大国	搭建播种机器人，学习马达模块编程	播种机器人
第五课	先进的农业文化	学习带传动，利用马达模块进行编程模拟	皮带传动工具
第六课	防御战	搭建投石器，通过编程实现投石器功能	投石器
第七课	伟大的医术	搭建医学机器人，结合马达编程完成任务	医学机器人
第八课	我是书法家	学习如果控制马达完成书法	书画机器人
第九课	赛跑	搭建赛车，结合编程完成竞速比赛	竞速机器人
第十课	标枪比赛	搭建标枪机器人，学习伺服马达模块的应用	标枪机器人
第十一课	掷铁饼比赛	搭建掷铁饼机器人，结合伺服马达模块进行编程	掷铁饼机器人
第十二课	赛马	学习特定结构，搭建赛马机器人	赛马机器人
第十三课	足球比赛	利用伺服马达模块完成足球机器人编程	足球机器人
第十四课	篮球比赛	利用伺服马达模块完成篮球机器人编程	篮球机器人
第十五课	摔跤比赛	结合所学知识拼装摔跤机器人，进行摔跤比赛	摔跤机器人
第十六课	测试	利用所学知识制作一个机器人	测试

在高级班的课程中，我们结合学生的生活，设计了以《绿色家园》为主题的课程（12节）。《绿色家园》是一个现代化的小区，它以绿色环保为主题，建设一个环境适宜住户居住的现代化小区。建筑公司将会按照工程师的设计要求来建设这个绿色家园。同学们将会扮演建筑公司里面的环境工程师，负责园林的设计制作，以及后期花草树木的培养，以及对小区产生的生活垃圾进行处理。通过这次课程，可以让同学们了解到一些生活中常见的机械结构，再通过学习电脑编程，通过控制器让机器人根据不同的情况自动执行命令。

课时	课程	知识点	模块使用
1	搭建小区智能大门	学习触碰传感器、彩灯	触碰、马达、时间、彩灯
2	搭建后备电源	认识备用电源的重要性	触碰、马达、时间、彩灯
3	构想搭建运动器材	提高创造与动手能力	可根据类型添加
4	运送花树苗到指定点	花树苗自由搭建	马达、时间
5	清理河涌垃圾	河涌垃圾的的危害	马达、时间
6	污水处理装置	学习涡轮传动	马达、时间、彩灯、触碰
7	往人工湖运水	人工湖的重要性	伺服马达、等待目标角度
8	花树苗浇水	控制小车完成任务	马达、时间、等待目标角度
9	收集垃圾	学习线路编程	马达、时间、等待目标角度
10	垃圾分类	分拣机	马达、时间、光电、伺服马达
11	运送分类好的垃圾	认识垃圾分类的重要性	马达、时间、等待目标角度
12	考核	考核	教师选择

学生在了解上述知识之后，既能够初步体验机器人工作，也能够体会编程的成就。例如学生在学习“搭建小区智能大门”课程时，可以利用积木、电机以及主控器等器材搭建自己的智能门闸系统，这种训练既能够增强学生热情，也能够提高其动手能力，搭建时学生要思考搭建流程、设计草图，在此过程中教师可以指导学生完善草图，并为学生提供独立思考机会等。利用小组参与来解决智能门闸的安装，并通过大量沟通、交流来提高团队合作。再例如，在“运送分类垃圾”课程中，让学生体验通过编程控制垃圾小车前进和后退，了解通过控制电机转速、运动时间来控制小车运动路程的方法，在其中融入数学逻辑，让学生能够仔细观察、计算，进而得到准确的实验结果。进一步学习后，学生们就可以通过编程控制小车转弯、躲避障碍物的方法，初步理解智能驾驶的原理。学生在使用编程的方法控制机器人完成任务的过程中，在大量的实验和调试的过程中，能够培养学生敏锐的观察能力和独立思考的能力，激发学习的兴趣，提高学生发现和解决问题能力。

二、小学机器人课程实施方法

（一）教学方法

在小学机器人课程实施时，教师需要仔细分析课程内容，同时利用备课完善课堂教学内容、方式，并按照不同教学内容以及学生需求灵活使用各种教学方法，将情境、实操、微课等教学方式灵活组合起来展开教学。我们在课程的实施过程中，探索了翻转课堂教学模式在机器人教学中应用。老师将学习情景的创设和学习任务的布置录成微课，提前1周发给学生。让学生在课下观看微课，独立思考设计并完成自己的作品。这样学生就有充分的时间来设计和制作自己的作品。在课堂上，教师选择优秀作品，请学生的进行自我展示。这样可以充分调动学生的积极性并锻炼学生的语言表达能力，满足学生展示自我的心理需求。几个有代表性的作品展示完成后，请同学们进行提问和交流，这一阶段往往会使进行展示的学生思路大开，形成一个又一个新思路新模式，这时孩子们会以更高的热情投入到作品的改良升级中。

例如，在《搭建小区智能大门》一课中，（如图）我们就采用了任务驱动教学方式，使用微课进行翻转课堂模式教学。首先，课前通过微课设置情景：因为小区安全的需要，我们要设计一款智能大门，确定教学主题并将老师制作的作品展示出来，请同学们设计自己的智能大门；课堂上，老师选择优秀的作品，请学生进行自我展示，并与同学们交流讨论：小区智能大门应该具有哪些智能功能，如何实现这些功能，重新确定设计思路；最后，学生根据设计思路自由结合组成小组，每组制定自己的计划和目标，充分发挥学生的独立思考和小组协作的能力完成本课的任务。通过这种教学方式可以极大的提高学生的积极性，引导学生仔细观察案例，激发学生自主设计的愿望，为学生设计提供灵感指导，让学生能够主动积极的参与到机器人课程学习中，提高小学机器人课程实施的效果。

（二）教学措施

首先，要具备“创新”的教学观念。知识本身并不能改变命运，知识只有转化为能力技能才能改变命运，而知识到技能转化的主要途径就是创新。

智能机器人课程是以学生为学习主体，让孩子在制作机器人的过程中，培养孩子的动手能力和创新意识，提高孩子对科技的兴趣和热爱，帮助他们具备人工智能时代所需要掌握的知识与能力。教师在机器人教学过程中，要尊重学生的主体地位，为学生营造良好的教学环境，让学生能够自主探究、自由发表想法、彼此讨论、互相学习、不断完善自己的想法，要彻底转变教师讲学生听的传统教学思维。

其次，强化学生自主探究。教师要逐步引导学生开展探究活动，从简单问题逐步过渡到复杂问题上，并逐步培养学生独立思考和勇于探究的科学精神，为学生营造科学探究氛围。具体实施时，探究活动要以机器人课程具体主题为核心，开展猜想、假设、预测等训练，具体情况具体分析。教师教学时，需要注意训练学生的发散性思维，引导学生大胆假设，并重点教会学生先思考、再解决问题，教会学生主动收集资料，并引导学生获得结论，不可强加意识给学生。

最后，善于引导学生探索实践。机器人教学时，需要在一定情境中实施，教师要根据学生提出的各种问题和实际教学情况引导学生探索实践，以学生为核心开展教学，让学生能够及时融入到教学中，满足机器人学习需求，并根据探究情况适当修改活动，调整进度，提高教学的灵活性以及针对性。同时，注意观察学生学习情况，因材施教，根据学生的实操表现和理论表现发挥长处，及时表扬和鼓励，保护学生的学习兴趣。

结论：

综上所述，在开发小学生机器人课程时，需要以培养学生创新能力为核心。重视学生需求的重要作用，根据课程内容和主题将多种教学方式应用其中，通过任务驱动教学方式建立健全课程评价机制，进而提高学生创新水平，为人工智能、机器人、自动控制等相关行业发展培养人才。

参考文献：

[1] 黄娇应. 小学机器人课程的开发与实施方法研究[J]. 福建电脑,2019,35(10):44-45. DOI:10.16707/j.cnki.fjpc.2019.10.013.

[2] 甘坚. 中小学机器人创新课程开发与应用的研究[J]. 新一代,2021,25(6):185. DOI:10.12242/j.issn.1003-2851.2021.06.168.

[3] 陈昊文. 小学机器人校本课程的开发与实施的实践研究[J]. 散文选刊：中旬刊,2018(12):167-168.

[4] 卢淼鸿. 开发机器人教育课程的实践探索[J]. 实验教学与仪器,2017,34(7):138-139. DOI:10.3969/j.issn.1004-2326.2017.07.082.
本文为全国教育信息技术研究2018年度重点课题《小学机器人课程开发与应用研究》结题成果，课题立项号：184120002。