机器人社团教学的实践与探索

徐健美

【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，不能过多或随意添加，否则会难以清晰地表达模型的意义。

在利用脚手架搭建研究模型时，不要将模板只用于收集不同的学生的想法，而是要为学生提供展示的机会，让建模发挥真正的作用。

六、结束语

新课标的颁布为教育改革指明了方向，也给社团科技教学赋予了更大的责任，在今后的社团教学中要坚持围绕“做中学”“用中学”“创中学”，探索新的教学方法，让科技教育更有味道，让学生学会学习，激发创造力，让孩子们从小种下科技的种子，放飞科技梦想，为科技创新打下坚实的基础。

【参考文献】

[1]吴祖荣.“35+5”课堂在青少年科技教育中的实践与探索[J].中国科技教育，2023（2）：62-64.