机器人教育培养小学生计算思维的可行性分析.pdf

1、机器人教育培养小学生计算思维的可行性分析打开文本图片集摘要 机器人教育的发展是深入开展智慧教育的进程之一，实现机器人学科的专业建设是一种必然趋势。技术作为支撑工具，为教学提供了更多便捷性和可能性，机器人相关技术日渐成熟，使得形式化的知识和技能变得具有生命力。小学生在机器人教学过程中能够不断自我实现，在问题解决的过程中也能增强情感体验，是培养计算思维能力的动力。关键词 机器人教育;计算思维;Labplus;交互式可编程初级实验箱;智慧教室;小学生中图分类号：G623.58文献标识码：B文章编号：1671-489X（2019）09-0077-041 机器人教育的发展背景十年前，我国逐步开始在中小学

2、推广机器人教育，我国的机器人教育主要包括机器人竞赛和机器人教学1。国内机器人教育从“通用技术”科目设立的“简易机器人制作”模块才正式开始，起步相对较晚，目前还没有形成自己的课程体系，没有统一的教材和课程标准，大多数学校以机器人竞赛为背景或前提，以机器人产品说明书和编程软件为蓝本自编教材2。从国家层面的政策支持到各大高校的课题研究，以及中小学的积极响应，我国机器人教育取得了较快的发展。现有的机器人教育研究多半源自高校，哈尔滨工程大学 E 唯协会代表队在第二十一届国际水下机器人大赛（RoboSub）中夺冠3，这是引导有志于机器人研究与创新的学生发展比较有说服力的案例。刘占合等4利用机器人的学科融合

3、性，设计主题式慕课，以学校“飞行器创新实验室”为依托开展自主学习，提高参与度的教学与实践结合，形成具有趣味性、知识性的无人机制作和实践项目。太空穿梭机（2000）从机器人的定义、分类开始，由浅入深，使初级学者了解 LOGO、QBASIC 语言对编程机器人的运行控制，完成机器人的实践操作，激发学习者兴趣;管家机器人（2015）以创意电子课为载体，使学习者在故事情境中完成简单的任務模仿，掌握知识要点，并经过创新激发协同完成任务;NXT 蓝牙机器人（2015）以动手实操为主，在微课导学的模式中使学习者在自主探索、合作交流、师生互动的环境下完成机器人走迷宫的搭建和编程;手势感应 LED 灯（2016）

4、以校本课程为依托，引导学习者在反复尝试和试错中加深对新知识的理解，用创客的教育模式培养学习者了解 Leap Motion 的工作原理及编程方法。人工智能发展处于专用阶段，主要应用于完成具体任务，将最先对数据电子化程度深、数据较集中且数据质量高的行业产生影响，受到人工智能的改造，呈现机器协助人类工作、提高人类工作效率乃至替代人类行为的趋势5。要实现教育领先，教育就应随世界前沿科技知识的发展而不断发展。2016 年中小学机器人课程指导纲要（征求意见稿）提出，引导学生在实际中发现问题，综合设计解决问题的方案及方法，培养学生的问题意识和设计思想，发展学生的创造力，形成科学态度，促进学生实践能力和社会责

5、任感的提高6。机器人与人类日常生活日渐交融的背景下，科技教育的普及显得尤为重要，新兴技术的学习也不再停留在小范围里，编程、人工智能等科学技术不再是只能在高等学府或课外班才能接触到的事物，普通的中小课堂也应该让学生进行学习和体验。2 机器人教育对学习者的影响目前，课外科技小组、选修课、综合实践活动课、信息技术课等是我国中小学开展机器人教学活动的主要形式，让学生“做中学”，在做的过程中快乐地了解、掌握机器人知识。机器人课程涉及多学科知识的融合，意在培养学生的动手实践能力和团结协作能力，更深层次的目标是让学生逐步形成较完善的逻辑思维和问题解决意识，培养参与者对科技的兴趣，真正认识到智能机器人对社会进

6、步与经济发展的作用，积极参加与当今科技发展紧密相关领域的各种课外活动。研究者开始关注机器人教育对于计算思维7（曹恒来）、科学素养8（王益）、工程意识及思维9（王荣良）、创新能力10（裘国永）等的培养，但研究或从宏观层面指出培养这些能力和素养的必要性，或从微观层面给出在竞赛或教学过程中的培养策略，并未进行实际的教学设计和实施，缺乏实践支持，让一线教师难以借鉴和实施。机器人课程机器人课程涉及多学科知识的融合，意在培养学生的动手实践能力和团结协作能力，更深层次的目标是培养学生的创新思维能力11。机器人教育综合了多学科的理论知识，是一个包容性强、可塑性强的学习内容，对计算思维概念的系统搭建和软硬件操作

7、的实践能力都有一定要求。计算思维能力计算思维逐渐从计算机学科中分离出来，成为一种解决问题的通用范式，这一通用范式可在各学科应用，产生微观层面的具体实践应用要素12。计算思维能力的一种体现就是问题解决能力。张屹等13发现电脑游戏对于问题解决能力的提高有着积极作用。信息化教育环境对培养学习者相关能力具有促进作用郭守超等14通过在信息技术课堂上使用 App Inventor 工具解决实际问题的教学研究，发现学习者的计算思维能力得到有效培养。邓文博等15在高中阶段采用 APP Inventor 进行程序设计教学，并从作品新颖性、功能实用性、逻辑严密性、任务多样性的维度进行评价，发现学习者的创造性思维得

8、到显著促进。3 小学阶段机器人教育的教学实践机器人作为教学内容进入中小学，通常是学校选择适用于参加各种机器人竞赛的器材，从厂商购入机器人套件，交由信息技术教师操作熟练并针对学习者进行教学设计，再引导学生逐步开展组装或编程的实践活动，然后通过选拔，带队参加机器人竞赛。在开阔小学生眼界的同时，激发学习兴趣，培养科学素养。小学阶段机器人教育框架1）教学目标。知识：了解和掌握以智能机器人为载体的通用技术与信息技术的基本知识和技能，了解技术的发展及其应用对人类生活和科学的深刻影响。能力：能进行机器人程序设计与编写，能拼装多种具有实用功能的机器人，能进行机器人及智能家电的使用维护，能自主开发软件机器人。情

9、感：培养对人工智能技术的兴趣，真正认识到智能机器人对社会进步与经济发展的作用，在机器人相关竞赛等各种课外活动中有获得感。2）教学内容。模块一：机器人概况，树立促进计算思维发展的教学理念。模块二：机器人编程，确立利于计算思维形成的学习目标。模块三：机器人硬件，设计与实际问题相结合的学习任务。模块四：机器人应用，实施可培养计算思维的多元化评价。Labplus 软件简介Labplus 的操作界面由四个模块组成：其一是顶部的控制栏，在项目实施具体的操作前完成项目的新建或导入，并选择外接设备的类型;其二是作为效果预览的舞台，展示角色的运动和动作;其三是角色管理与创建舞台背景的模块，便于创建和选中目标角色

10、;其四是可视化编程模块，包括脚本、造型、声音相关的具体控制内容。舞台上角色的运动不需要连接外部的交互式机器人，而脚本中的部分指令与外部设备传来的数据紧密相关，具体内容将结合案例的呈现，首先对可视化编程模块包含的功能做简要介绍，如表 1 所示。在使用该程序时，可以根据教学目标灵活安排课堂流程，多维度地锻炼学习者的计算思维能力。交互式可编程初级实验箱简介交互式可编程初级实验箱对低年级学习者较有吸引力，可以通过简易的交互较好地保证课堂的参与感，学习者在程序设计和机器人实操过程中，集中注意力、理清思路、分析问题、发散思维，以及发展对知识的综合运用能力和对真实生活问题的理解能力，并且在解决问题的过程中不

11、断测试、优化方案的逻辑16。本次实践所用盛思创客学习套装，该产品的交互式可编程初级实验箱适用于初级入门学习者，通过 USB 与电脑相连，可模拟多种场景，配套 Labplus 软件进行 Scratch 编程和传感器学习。交互式可编程初级实验箱为一体化结构，集成了多种满足交互的传感器及输出装置，具体内容见表 2。教学实践过程设计制作智能风扇，实现人体靠近则风扇转动，人走则风扇停止。首先进行设备连接，将交互式可编程初级实验箱连接到笔记本电脑上，打开 Labplus 软件，完成连接调试;然后设计程序，引导学生解决问题，并完成代码模块的编排;最后调试程序，实验成功后进行课堂回顾。学生对实现一个目标有了较

12、明确的步骤划分，解决问题时知道操作有先有后，因果逻辑逐渐明朗。4 结语智慧教室环境下学习者的学习方式更加多样化，在该环境下的教学不仅能提供知识和感官刺激，而且能为学习者提供更多交流互动、思维训练、应用与迁移的机会17。在中小学生进行高阶机器人控制实操之前，完成初级的交互式操作和编程思维训练是非常必要的，通过这种方式可以主动引导练习来提高调试程序的效率，并在进一步的深入学习中尽可能地降低错误程序对实物机器人的损害，循序渐进，实现机器人教育资源的效益最大化。通过简单的程序操作和物理电路连接，培养学生的计算思维能力，挖掘学生潜能，促进学生全面发展。参考文献1张国民，张剑平.课程视角下的机器人竞赛辅导

13、研究J.中国电化教育，2008（11）：92-94.2王改霞，朴姬顺.国内机器人教育研究发展综述J.中国教育信息化：基础教育，2012（6）：14-17.3水下机器人世界杯：我校力捧“大力神”DB/OL.http：/ 教育视野下的机器人教育问题研究D.浙江：浙江师范大学，2007.9王荣良.机器人教育对学生工程意识培养的意义与作用J.新课程研究：基础教育，2009（1）：99-100.10裘国永，李玉红.中学 VEX 机器人教育的 PBL 教学模式探索及影响分析J.现代中小学教育，2017，33（7）：70-75.11彭绍东.论机器人教育（下）J.电化教育研究，2002（7）：16-19.12

14、Sanford J F，Naidu J T.Computational thinking concepts forgrade schoolJ.Contemporary Issues in Education Research，2016，9（1）：23-31.13张屹，董学敏，陈蓓蕾，等.智慧教室环境下的 APT 教学对小学生问题提出与问题解决能力的培养研究J.中国电化教育，2018（4）：57-65.14郭守超，周睿，邓常梅，等.基于 App Inventor 和计算思维的信息技术课堂教学研究J.中国电化教育，2014（3）：91-96.15邓文博，张文兰.基于 APP Inventor 培养中学生创造性思维的设计研究J.电化教育研究，2015（8）：95-99.16王小威.促进创造力发展的青少年机器人教育研究D.武汉：华中师范大学，2011.17周平红，张屹，杨乔柔，等.智慧教室中小学生协同知识建构课堂话语分析：以小学科学课程为例J.电化教育研究，2018，39（1）：20-28.