机器人社团教学的实践与探索

【摘

要】机器人的教学内容已经被列入小学六年级的教材，但真正开展机器人的教学还要依托于学校的社团课程。通过机器人课程的教学，可以培养学生的逻辑思维能力、创新能力，这是培养创新型人才的有效途径。本文主要围绕为培养科技创新人才建设学校高素质科技辅导员队伍、打造校园特色科技课程、新教学模式下如何促进学生创新思维的发展，探索科技项目研究的方法展开论述，从多方面阐述如何高质量地开展机器人社团教学，培养学生的计算思维及创新策略。【关键词】社团教学；思维创新；项目研究为全面落实立德树人的根本任务，进一步深化课程改革，转变育人方式，提高育人质量，新课标中强调了要创新教学方式，以项目驱动引导学生在使用过程中提升解决问题的能力。数字化学习与创新是学科核心素养中非常重要的一项，是现代社会竞争力的关键要素，通过有效地管理学习过程与学习资源，创造性地解决问题，形成创新创造的能力。习近平总书记在二十大报告中强调教育强国、科技强国、人才强国，教育是国家发展的根基，面对未来高尖人才的需求，我们要开展创新人才培养，创新教学方式。为提高青少年动手操作能力和创新创造的新思维，激发青少年对科学技术的学习热情，全国开展了一系列科学技术普及活动，通过多种途径帮助青少年树立科教兴国的理想。机器人科技类活动则是青少年科技教育中最热门的项目，内容非常丰富，是培养学生创新能力的重要载体。我们要融合科技资源、创新教学方法，通过项目化教学让孩子们的心中种下科技的种子，激发他们的创新欲望。一、以培训建设高素养师资青少年科技创新人才的培养是教育、科技、人才的核心，要培養优秀的后备人才必须先发展一批高质量的科技辅导员。科技辅导员的素质提升有助于学生指导工作的开展，科技辅导员的素质与能力直接影响了实践的效果。有专业能力的科技教师应该是具备全面的科学知识，掌握多元化的教学方法，会创造有利于学生学习的环境，能够在实践中保障学生的安全，科学利用评价分析学习成果等。但就目前的情况看，对科学技术有深入全面研究的教师非常少。所谓隔行如隔山，专业不对口、缺乏科技探索经验、对学科把握不准等都会影响对学生的指导，当然制约科技辅导员专业发展的原因还有很多。所以多途径地组织培训提升科技辅导员的综合素质非常重要，比如组建科教研修班以提升知识储备、改进教学方法，围绕理论与实践进行讨论交流。以丰富的科技资源为辅导员创造探究的条件，通过对复杂问题的分析，探究解决问题的方法，在利用资源的过程中提升自身的能力。科研工作可以帮助科技辅导员多角度思考问题，在真实的科研经历中深化对学科的认知。作为专业的科技辅导员也一定要积极参加科协、教育局等组织的科技辅导员培训班，通过学习不断更新知识，提升专业素养，线上线下的各类科技课堂都是获取发展的有效途径。为提升科技教育水平，科技辅导员必须发展专业优势、调动主观能动性，通过坚持让科普教学获得持续发展。学校也要大力支持教师与先进学校交流学习，提高教师们的理论知识、教学能力和辅导能力，通过多方共同努力让学校的科技辅导员队伍越来越强大。二、以智慧发掘新项目发展机器人科技活动目前越来越得到校内外的关注，有的学校还特地聘请专业的校外辅导老师来校指导；并且通过努力让学校、家长看到了学校参加机器人比赛的希望，让机器人活动逐渐成为校内社团的一大特色。但科技比赛的项目非常多，如何选择适合本校特色与发展的项目尤其重要。软件编程类比赛是成本相对便宜的，比如Paracraft动漫编程、AI创意编程赛（Scratch、Python）、数字创作与“计算思维”项目比赛、小学生编程活动等，这些对于孩子的思维能力的培养有很大的优势，孩子可以发挥想象力构思作品，通过编程展现他们的表现力和创新思维。除了软件类的比赛，还有很多创意机器人，比如无人机、拼搭类的机器人巡线小车等开源硬件，通过综合运用、动手实践引导学生科学思维的形成。三、以新思想建设特色课程课程建设关系到创新人才的培养，科技教师在开发课程资源时要进行多元化开发，充分调动包括社会在内的多方面的资源，把校外与校内学习相结合，发挥各类科技博物馆的作用。通过观摩学习、专家交流等方式研究课程的设计，进一步提升教学能力、活动开发技能等，统筹安排各类教学资源。建设以国家课程为主、地方课程与校本课程为辅的人文素养类的机器人普及课程、提高课程、拔尖课程，让学生在丰富多元的科技课程学习中发展特长。通过落实科技教育活动制度建设、不断完善课程体系、强化学校科技硬件等方式进行整合科技教育活动资源。学校可以开展多元化的科技活动课程，比如MBlock编程、创意机器人、Arduino开源课程、无人机竞技挑战及编程挑战课程、无人机编队飞行研究、优创未来、AI掌控任务、智能工厂、智慧社区、智能驾驶以及智能机器人课程。学校还可以定期组织一些科技节系列活动，营造浓烈的创新学习氛围，将全国青少年比赛与科技节活动相融合，进行作品及技能展示。四、以赛促教激发学习热情科技教育立足兴趣，但如果在课堂上不能做到以学生为主，学生的兴趣就会被传统的授课方式逐渐磨灭，更不用谈训练学生的思维了。开展社团教学的实践活动，要把时间交给学生，让学生成为学习的主人。“35+5”课堂教学模式就是立足学生的学习兴趣，突出了学生在科技课堂中的主体地位，科技教育应该要有利于学生的综合能力的培养，可以充分发展学生的探究意识、创新意识，学生通过展示才能增强其自信心，培养科学精神。以赛促教可以激发学生学习的热情，比如我在组织社团学习中会以如下形式开展：智能家居课程培训中组织学生进行速度比拼，将各类输入、输出、控制模块与主控板连接起来实现智能的效果。评价标准是功能是否实现、方案是否精简、模块连接是否最优、时间是否最短。此项目难度不大，虽然是速度比拼，但理论基础是研究的基石，创新实验思维与方法则是研究的灵魂。学生要通过学习理论、运用物理编程思路才能完成作品的创作。无人机创意编程培训中让学生在理解基础程序的前提下，进行最优路径设计，评价标准是任务是否精准完成、任务完成时间、飞行稳定性、应急处理能力。学生在比赛中会发现问题，通过问题牵动学生进行探究性学习，充分发挥学生的主体性和创造性。五、以脚手架搭建研究模型创建脚手架，让所有学生都能更多地展示他们的知识，使用科学模型的分层帮助学生推理和修改对复杂问题的思考。《新一代科学教育标准》中提到的开发和使用模型的目的是作为学生感知的过程，让他们的思维可视化，用不易观察与讲解的知识通过模型更清晰地展示出来。通过国内外的教学研究，按照科学方法进行分层创建脚手架模型的方法分为三个步骤：①选择基本问题；②设计基础图画布局；③添加解释元素。学生可以根据研究的实际情况来修改模型内容。在设计之前我们需要给学生提供一个叫作“脚手架”的框架，提醒学生需要注意什么，但这个脚手架不能限制学生的想法，而是应该作为支撑学生思考推理的方式。以下是围绕旋翼编程项目设计研究模型：（一）选择基本问题在准备开发模型之前，必须围绕本课重点，呈现一个完整飞行路径，根据飞行任务确定一个简要的基本问题——为什么无人机第二次经过A2不会停止。这个问题将有助于学生在后期项目研究中更容易地分析解释。第一步非常重要，无人机的每一次飞行都可以用不同的编程方式来实现或调整，但是第一个基本问题决定了模板的其余层次的分析。在接下来的研究中会出现诸如：“为什么无人机第三次经过A2也不会停止”“为什么无人机第一次经过A5会直线飞行”“为什么无人机第二次经过A5会向左飞行”等等问题。问题确定下来后，用比较明显的文字格式来突出显示，以帮助学生集中注意思路。（二）基础图画布局基本问题确定后进入第二步基础图画的布局，基础图画的布局可以将问题以简约的结构呈现出来，通过创造性的方法将布局中变量改变的规律进行说明，但是要为学生留白，让学生将自己的独特想法添加进模型中。接下来笔者介绍一下如何运用三种不同类型的基础图画布局。1.之前、之中和之后。根据无人机的飞行任务，发现它的飞行是随任务不同而选择不同的飞行路径的。这种类型的布局分为三个模块，在这三个模块中学生需要重点关注解释无人机飞到A2之前，飞到A5之前，飞到A2之后，飞到A5之后，飞到A2、A8、A4、A6之中。学生在研究时可以围绕如下问题思考：“在飞到A2的不同阶段，应该如何选择飞行方向？”“飞行方向是如何随变量变化的？”“为什么在执行任务过程中经过H0不会停止”“为什么无人机识别标签不稳定”“无人机如何通过惯性抛物？”这三个模块中包含一些解释的标签，表明变量变化对无人机飞行方向的影响。比如当变量等于1时（就是飞到A2之前）无人机飞到A2标签上方就悬停并降落拾取物资，此时变量会加1，无人机将物资投放到A11位置后，变量再加1，所以当飞到过A2并执行完任务后，变量就是3、5、7这三种情况，在这三种情况下无人机的飞行状态都是降速直行通过A2区域。2.比较。比较的排版用于表示一种现象在不同情况下的对比，不同的变量会影响无人机的飞行方向和任务，这种类型的基础图画布局可以通过如下形式表示：“变量是2或3时无人机的任务分别是什么？”“如果變量是8时要降低返回速度？”“为什么变量受飞行路径的影响？”通过变量变化的比较，说明变量对飞行状态的影响，这就是无人机完成飞行任务的核心，在基本问题的描述过程中明确了编程的思路。此外飞行的路线是不唯一，可以引导学生通过分析设计新的飞行路线，让学生在创新思考中不断发现问题，最终形成新的研究成果。3.大图。这种方式的布局只需要一张简单的比赛场地图，周围留出充足的空白空间，以便学生将不受约束的想法添加上去，这个布局的基本问题可以是“完成飞行任务的解决方案是什么？”“无人机是如何工作的？”“为什么无人机会改变方向？”学生在开始研究之前已经清楚地知道飞行的过程，通过观察，可以设计不同的飞行路线，不同的飞行路线需要不同的变量进行约束，这种开放性的研究更有助于学生创造性思维的发展。（三）模板中的解释元素为模板添加解释元素是创建模型的最后一步，可以充分展示他们的知识，还可以将他们的推理引到新的研究方向。所以元素的选择必须慎重，不能