孔祥兴

【摘要】  《普通高中信息技术课程标准（2017版）》中明确提出要兼重理论学习和实践应用，将知识建构、技能培养与思维发展融入到运用数字化工具解决问题和完成任务，让学生参与到信息技术支持的沟通、共享、合作与协商中，体验知识的社会性建构，从而成为具有较高信息素养的中国公民。机器人教学是一门综合多种学科知识和技能的课程，学生们通过软件编程，功能设计，动手制作与技术构建，结合学生们的日常观察、知识积累，运用综合知识解决问题，发展自己的思维能力和创造力。

【关键词】  机器人教学 计算思维 创新

【中图分类号】  G633.67               【文献标识码】  A     【文章编号】  1992-7711（2019）18-008-02

机器人是信息技术高度发展的知识融合领域，具有创新实践性和综合知识应用性，在普通高中引入机器人教学不仅促进信息技术教学，更能推动机器人知识和技术的普及与应用。机器人技术涉及到信息技术、物理、数学、音乐、美术、英语、甚至生物仿生学等学科知识，通过学习机器人可以让学生把学到的各个学科知识得以综合应用，对学生的动手能力、创造性思维，分析问题以及解决问题的能力的培养有促进作用。

近年来我国中小学生机器人教学较以前有了发展，特别是开源软件和硬件的发展推动了机器人教学的发展，机器人教学已经成为有效进行素质教育、培养学生创新实践能力的一个重要学习内容。

一、机器人教学有其独特的育人价值

从目前的高中阶段信息技术学科教学现状来看，近年来在教学过程中关注与强调学生信息素养，从实际教学效果来看，出现学生思维和创新能力缺失现象，而机器人教学可以有效改善这个缺失。

1. 机器人教学注重实践探究培养创新能力

动手实践探究不仅是应用知识、形成技能、发展智力的重要手段也是沟通知识与创新的桥梁。机器人教学过程中需要学生通过动手实践与应用知識，无论是机器人的外型还是功能都需要学生在实践中创造并加以改进，例如在制作避障机器人时避障功能可以用红外传感器也可以用超声波传感器，这两种传感器在受外界环境干扰的稳定性不同，红外传感器容易受环境光影响，这需要学生在硬件上和软件算法上想办法排除干扰。机器人是软硬件结合的综合体，在硬件技术方面综合了机械传动、传感器和控制板等技术，软件方面则融合了程序设计、算法等技术，学生发挥想象力去体验机器人制作，通过这些技术协调工作实现完成自己的创意作品，培养了自己创新能力。

2. 机器人教学可以培养计算思维、逻辑思维能力

计算思维培养可以有多种途径，但无可否认编程是培养计算思维的重要途径和方法，可以使计算思维概念具体化。在机器人教学里实现相同的机器人功能可以通过不同的算法实现，也可以用不同的计算机编程语言来实现;在实现机器人功能除了设计算法还可以要求学生使用逻辑推理来解释算法、检测和纠正错误，这一过程也就是学生经过提出问题、分解问题、编程解决问题、问题评估、总结的过程，从而学生的计算思维得到有效地培养和实践。

思维能力分为分析性思维能力和创新性思维能力，思维能力是学生通过自身体验成功解决问题的过程获得的。机器人教学内容是运用传感器感知外界环境做出决策的一系列活动，而传感器采集数据容易受到外界干扰造成数据不准确再加上程序逻辑性不强等因素导致机器人做出错误的决策，这需要学生在实践中遇到问题在实践中解决，这样的反复实践解决问题循环过程就能潜移默化地养成分析性思维能力。机器人同一个功能的实现可以借助不同的机器人传感器结合不同的程序算法来实现，在教学过程中鼓励学生对教学案例作品进行修改和改进（包括硬件和程序），这有助于学生对问题再次深入思考，有助于激发学生创新性思维。例如制作巡线机器人时为了提高机器人巡迹速度应怎么配置传感器，可以用二个甚至多个红外巡线传感器结合不同的程序算法来实现，诸如此类问题的提出可以培养创新性思维能力。

3. 机器人教学软硬件相结合，通过硬件的直观表现理解程序的意义，编程不再神秘

机器人的功能是软件与硬件相结合实现的，机器人教学并不是以培养程序员作为目标，机器人功能的实现体现在程序控制下实现机器人传感器与执行机构的交互。学生在机器人控制板里写入程序控制机器人外部硬件设备，可以将程序的抽象感具体化，实现程序功能“可视化”，消除编写程序的神秘感，这比单纯学编程更具吸引力，更容易让学生获得喜悦感和成功感，可以激发学生学习编程兴趣。例如在制作演奏机器人时学生可以通过观察舵机敲打乐器的转动角度理解控制舵机的语句意义，这样学生更容易掌握和记忆程序语言，更容易入门学习程序编写。

4. 机器人教学可以提高学生解决问题的能力

机器人是一个复杂的融合性的知识结合体，要让机器人实现功能设计，在制作过程肯定遇到许许多多意想不到的问题，需要学生综合应用各学科知识去思考问题，在不断的试错——修改——再试——再改的循环试错过程中让学生体会到其它学科的知识不再是没有意义的，在不知不觉中提高分析问题和解决问题的能力。例如在制作看似简单的声控四足机器人过程中，出现不能声控（检查连接电路）、发光二极管不亮（单向导电特性）、马达不转（检查连接电路）、走路慢（力学中的推力和拉力）、走不直（仿生学）的这些情况，这些问题需要学生要认真检查连接电路，运用各学科知识在试错实验中不断解决。

二、机器人教学独特的教学策略

1. 机器人教学适宜采用开源的软硬件

为提升学生的创新能力以及对机器人的设计能力和应用能力，需要以机器人的功能系统、感知系统、控制系统、执行系统作为学习内容，可以通过低成本的模块化的开源硬件作为学生实践平台以及开源软件如ARDUINO作为机器人软件系统作为编写语言，让学生在制作与实现中接触机器人结构、动力、传感和控制等技术。开源硬件如机器人控制板、传感器等功能模块丰富、扩展能力强、价格低而且模块硬件资料公开透明，易于使用，开源硬件模块化方便其它项目内容重复使用，各硬件模块化的连接增强训练学生的动手实践能力也易于学生能够快速掌握模块功能，课堂实践效果好。

2.联系生活实际精选范例激励创新

机器人教学课程设计要选择恰当的教学项目内容，首先不要以大求全，可从学生对知识理解认知的视角和教师教学的可实施性两方面进行充分设计。教学项目内容要立足于现实的生活环境，并根据学生知识认知水平，培养学生将课程知识应用在生活的技能，用于指导和解决生活学习中遇到的问题，同一项目甚至可扩展用不同功能实现，如制作灭火机器人，灭火的方式多种多样可以用小风扇也可以通过喷水的方式。教学项目内容应该要蕴含创新题材和内容，让学生亲身体验发现与创造过程，由浅到深地引导学生开展创新活动。

机器人是一个综合知识应用综合体，编程知识具有循序渐进特征，机器人教学内容的编排也应遵循由浅到深的规律，让学生逐渐积累如传感器、程序控制等知识，让学生体会用机器人视角思考问题解决问题。

3.跨学科知识融合

现时的教学改革方向是突出学科核心素养，培养解决问题的能力，增强知识综合应用性，贴近生活联系社会实际，在教育评价落实立德树人的根本任务。机器人教学对培养面向未来的有创新意识和创新能力人才有促进作用，与其它学科教学比较，机器人教学在内容上具有较强的综合性，涉及到众多学科，机器人教学容易与其他学科融合，可以让学生清晰认识到學到的知识是可以得到应用的，促进学生认真学习各学科知识。因此机器人教学时要紧密联系学科进行融合教学，如学生在编写机器人程序时要求学生写程序框图，一方面培养学生的编写程序清晰逻辑性另一方面融合数学选修课程程序框图的教学内容，让学生通过机器人项目理解融合学科的知识内容。又例如高中物理中有包括光敏传感器、温度传感器、声音传感器、压力传感器等传感器教学内容，机器人教学让学生通过动手实践把相关知识得以扩充应用。

4.自由创作分享智慧培养批判性思维能力

对于同一教学项目不同的学生有不同的理解，从学生的视角设计会有很多个性化和差异性的解决方案，通过作品展示让学生收获成功感，通过分享交流点燃了学生创造性思维。分享是机器人教学其中一个目标，教师不仅需要培养学生的知识技能实现创新，还要营造一个利于学生分享的气氛，鼓励学生分享自己学习成果和创新成果，增强学生的自信心和成功感，实现自身的认同。机器人教学项目式学习需要以小组形式完成机器人项目，分享时小组可以从机器人的外观、功能以及程序功能等方面展示分享，同时允许其它小组提出质疑，以达到思想碰撞。例如在讲授光敏传感器的时候，要求小组展示成果时，其中一个小组展示光控灯，但这个灯在环境光线稍黑一点环境里灯就会点亮，这时候另一小组就提出达不到节能效果的质疑，接着这个小组展示了他们在程序方面作改进的作品，就在这样的智慧分享里碰出智慧火花，激发创作灵感，在满足学生个性化发展的同时学生的创造潜力得到充分发展，学生的分析问题能力、批判性思维、创新能力等综合素质会得到逐渐提升。

机器人教学为学生综合发展提供了一个有效的学习平台，一些学生已经对机器人的制作以及编程感到兴趣甚至有了个人职业方向选择。由于众多原因机器人教学现阶段还没有形成规模性展开，开展机器人教学需要大量教学资源支持，需要认可理解机器人教学的潜力和价值。

[ 参  考  文  献 ]

[1]《中小学信息技术教育》2017年03期基于计算思维培养的中小学编程教育校本课程开发与实践.

[2]《中小学信息技术教育》2008年02期信息技术课程与学生创新能力的培养.

[3]《中小学信息技术教育》2019年05期物联网云端监控地震报警器.

[4]《中小学信息技术教育》2019年05期思维素养视角下的中小学人工智能教育.