機器人社團教學的實踐與探索

【摘

要】機器人的教學內(nèi)容已經(jīng)被列入小學六年級的教材，但真正開展機器人的教學還要依托于學校的社團課程。通過機器人課程的教學，可以培養(yǎng)學生的邏輯思維能力、創(chuàng)新能力，這是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的有效途徑。本文主要圍繞為培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才建設學校高素質(zhì)科技輔導員隊伍、打造校園特色科技課程、新教學模式下如何促進學生創(chuàng)新思維的發(fā)展，探索科技項目研究的方法展開論述，從多方面闡述如何高質(zhì)量地開展機器人社團教學，培養(yǎng)學生的計算思維及創(chuàng)新策略?！娟P(guān)鍵詞】社團教學；思維創(chuàng)新；項目研究為全面落實立德樹人的根本任務，進一步深化課程改革，轉(zhuǎn)變育人方式，提高育人質(zhì)量，新課標中強調(diào)了要創(chuàng)新教學方式，以項目驅(qū)動引導學生在使用過程中提升解決問題的能力。數(shù)字化學習與創(chuàng)新是學科核心素養(yǎng)中非常重要的一項，是現(xiàn)代社會競爭力的關(guān)鍵要素，通過有效地管理學習過程與學習資源，創(chuàng)造性地解決問題，形成創(chuàng)新創(chuàng)造的能力。習近平總書記在二十大報告中強調(diào)教育強國、科技強國、人才強國，教育是國家發(fā)展的根基，面對未來高尖人才的需求，我們要開展創(chuàng)新人才培養(yǎng)，創(chuàng)新教學方式。為提高青少年動手操作能力和創(chuàng)新創(chuàng)造的新思維，激發(fā)青少年對科學技術(shù)的學習熱情，全國開展了一系列科學技術(shù)普及活動，通過多種途徑幫助青少年樹立科教興國的理想。機器人科技類活動則是青少年科技教育中最熱門的項目，內(nèi)容非常豐富，是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的重要載體。我們要融合科技資源、創(chuàng)新教學方法，通過項目化教學讓孩子們的心中種下科技的種子，激發(fā)他們的創(chuàng)新欲望。一、以培訓建設高素養(yǎng)師資青少年科技創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是教育、科技、人才的核心，要培養(yǎng)優(yōu)秀的后備人才必須先發(fā)展一批高質(zhì)量的科技輔導員?？萍驾o導員的素質(zhì)提升有助于學生指導工作的開展，科技輔導員的素質(zhì)與能力直接影響了實踐的效果。有專業(yè)能力的科技教師應該是具備全面的科學知識，掌握多元化的教學方法，會創(chuàng)造有利于學生學習的環(huán)境，能夠在實踐中保障學生的安全，科學利用評價分析學習成果等。但就目前的情況看，對科學技術(shù)有深入全面研究的教師非常少。所謂隔行如隔山，專業(yè)不對口、缺乏科技探索經(jīng)驗、對學科把握不準等都會影響對學生的指導，當然制約科技輔導員專業(yè)發(fā)展的原因還有很多。所以多途徑地組織培訓提升科技輔導員的綜合素質(zhì)非常重要，比如組建科教研修班以提升知識儲備、改進教學方法，圍繞理論與實踐進行討論交流。以豐富的科技資源為輔導員創(chuàng)造探究的條件，通過對復雜問題的分析，探究解決問題的方法，在利用資源的過程中提升自身的能力。科研工作可以幫助科技輔導員多角度思考問題，在真實的科研經(jīng)歷中深化對學科的認知。作為專業(yè)的科技輔導員也一定要積極參加科協(xié)、教育局等組織的科技輔導員培訓班，通過學習不斷更新知識，提升專業(yè)素養(yǎng)，線上線下的各類科技課堂都是獲取發(fā)展的有效途徑。為提升科技教育水平，科技輔導員必須發(fā)展專業(yè)優(yōu)勢、調(diào)動主觀能動性，通過堅持讓科普教學獲得持續(xù)發(fā)展。學校也要大力支持教師與先進學校交流學習，提高教師們的理論知識、教學能力和輔導能力，通過多方共同努力讓學校的科技輔導員隊伍越來越強大。二、以智慧發(fā)掘新項目發(fā)展機器人科技活動目前越來越得到校內(nèi)外的關(guān)注，有的學校還特地聘請專業(yè)的校外輔導老師來校指導；并且通過努力讓學校、家長看到了學校參加機器人比賽的希望，讓機器人活動逐漸成為校內(nèi)社團的一大特色。但科技比賽的項目非常多，如何選擇適合本校特色與發(fā)展的項目尤其重要。軟件編程類比賽是成本相對便宜的，比如Paracraft動漫編程、AI創(chuàng)意編程賽（Scratch、Python）、數(shù)字創(chuàng)作與“計算思維”項目比賽、小學生編程活動等，這些對于孩子的思維能力的培養(yǎng)有很大的優(yōu)勢，孩子可以發(fā)揮想象力構(gòu)思作品，通過編程展現(xiàn)他們的表現(xiàn)力和創(chuàng)新思維。除了軟件類的比賽，還有很多創(chuàng)意機器人，比如無人機、拼搭類的機器人巡線小車等開源硬件，通過綜合運用、動手實踐引導學生科學思維的形成。三、以新思想建設特色課程課程建設關(guān)系到創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，科技教師在開發(fā)課程資源時要進行多元化開發(fā)，充分調(diào)動包括社會在內(nèi)的多方面的資源，把校外與校內(nèi)學習相結(jié)合，發(fā)揮各類科技博物館的作用。通過觀摩學習、專家交流等方式研究課程的設計，進一步提升教學能力、活動開發(fā)技能等，統(tǒng)籌安排各類教學資源。建設以國家課程為主、地方課程與校本課程為輔的人文素養(yǎng)類的機器人普及課程、提高課程、拔尖課程，讓學生在豐富多元的科技課程學習中發(fā)展特長。通過落實科技教育活動制度建設、不斷完善課程體系、強化學?？萍加布确绞竭M行整合科技教育活動資源。學?？梢蚤_展多元化的科技活動課程，比如MBlock編程、創(chuàng)意機器人、Arduino開源課程、無人機競技挑戰(zhàn)及編程挑戰(zhàn)課程、無人機編隊飛行研究、優(yōu)創(chuàng)未來、AI掌控任務、智能工廠、智慧社區(qū)、智能駕駛以及智能機器人課程。學校還可以定期組織一些科技節(jié)系列活動，營造濃烈的創(chuàng)新學習氛圍，將全國青少年比賽與科技節(jié)活動相融合，進行作品及技能展示。四、以賽促教激發(fā)學習熱情科技教育立足興趣，但如果在課堂上不能做到以學生為主，學生的興趣就會被傳統(tǒng)的授課方式逐漸磨滅，更不用談訓練學生的思維了。開展社團教學的實踐活動，要把時間交給學生，讓學生成為學習的主人。“35+5”課堂教學模式就是立足學生的學習興趣，突出了學生在科技課堂中的主體地位，科技教育應該要有利于學生的綜合能力的培養(yǎng)，可以充分發(fā)展學生的探究意識、創(chuàng)新意識，學生通過展示才能增強其自信心，培養(yǎng)科學精神。以賽促教可以激發(fā)學生學習的熱情，比如我在組織社團學習中會以如下形式開展：智能家居課程培訓中組織學生進行速度比拼，將各類輸入、輸出、控制模塊與主控板連接起來實現(xiàn)智能的效果。評價標準是功能是否實現(xiàn)、方案是否精簡、模塊連接是否最優(yōu)、時間是否最短。此項目難度不大，雖然是速度比拼，但理論基礎是研究的基石，創(chuàng)新實驗思維與方法則是研究的靈魂。學生要通過學習理論、運用物理編程思路才能完成作品的創(chuàng)作。無人機創(chuàng)意編程培訓中讓學生在理解基礎程序的前提下，進行最優(yōu)路徑設計，評價標準是任務是否精準完成、任務完成時間、飛行穩(wěn)定性、應急處理能力。學生在比賽中會發(fā)現(xiàn)問題，通過問題牽動學生進行探究性學習，充分發(fā)揮學生的主體性和創(chuàng)造性。五、以腳手架搭建研究模型創(chuàng)建腳手架，讓所有學生都能更多地展示他們的知識，使用科學模型的分層幫助學生推理和修改對復雜問題的思考?！缎乱淮茖W教育標準》中提到的開發(fā)和使用模型的目的是作為學生感知的過程，讓他們的思維可視化，用不易觀察與講解的知識通過模型更清晰地展示出來。通過國內(nèi)外的教學研究，按照科學方法進行分層創(chuàng)建腳手架模型的方法分為三個步驟：①選擇基本問題；②設計基礎圖畫布局；③添加解釋元素。學生可以根據(jù)研究的實際情況來修改模型內(nèi)容。在設計之前我們需要給學生提供一個叫作“腳手架”的框架，提醒學生需要注意什么，但這個腳手架不能限制學生的想法，而是應該作為支撐學生思考推理的方式。以下是圍繞旋翼編程項目設計研究模型：（一）選擇基本問題在準備開發(fā)模型之前，必須圍繞本課重點，呈現(xiàn)一個完整飛行路徑，根據(jù)飛行任務確定一個簡要的基本問題——為什么無人機第二次經(jīng)過A2不會停止。這個問題將有助于學生在后期項目研究中更容易地分析解釋。第一步非常重要，無人機的每一次飛行都可以用不同的編程方式來實現(xiàn)或調(diào)整，但是第一個基本問題決定了模板的其余層次的分析。在接下來的研究中會出現(xiàn)諸如：“為什么無人機第三次經(jīng)過A2也不會停止”“為什么無人機第一次經(jīng)過A5會直線飛行”“為什么無人機第二次經(jīng)過A5會向左飛行”等等問題。問題確定下來后，用比較明顯的文字格式來突出顯示，以幫助學生集中注意思路。（二）基礎圖畫布局基本問題確定后進入第二步基礎圖畫的布局，基礎圖畫的布局可以將問題以簡約的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出來，通過創(chuàng)造性的方法將布局中變量改變的規(guī)律進行說明，但是要為學生留白，讓學生將自己的獨特想法添加進模型中。接下來筆者介紹一下如何運用三種不同類型的基礎圖畫布局。1.之前、之中和之后。根據(jù)無人機的飛行任務，發(fā)現(xiàn)它的飛行是隨任務不同而選擇不同的飛行路徑的。這種類型的布局分為三個模塊，在這三個模塊中學生需要重點關(guān)注解釋無人機飛到A2之前，飛到A5之前，飛到A2之后，飛到A5之后，飛到A2、A8、A4、A6之中。學生在研究時可以圍繞如下問題思考：“在飛到A2的不同階段，應該如何選擇飛行方向？”“飛行方向是如何隨變量變化的？”“為什么在執(zhí)行任務過程中經(jīng)過H0不會停止”“為什么無人機識別標簽不穩(wěn)定”“無人機如何通過慣性拋物？”這三個模塊中包含一些解釋的標簽，表明變量變化對無人機飛行方向的影響。比如當變量等于1時（就是飛到A2之前）無人機飛到A2標簽上方就懸停并降落拾取物資，此時變量會加1，無人機將物資投放到A11位置后，變量再加1，所以當飛到過A2并執(zhí)行完任務后，變量就是3、5、7這三種情況，在這三種情況下無人機的飛行狀態(tài)都是降速直行通過A2區(qū)域。2.比較。比較的排版用于表示一種現(xiàn)象在不同情況下的對比，不同的變量會影響無人機的飛行方向和任務，這種類型的基礎圖畫布局可以通過如下形式表示：“變量是2或3時無人機的任務分別是什么？”“如果變量是8時要降低返回速度？”“為什么變量受飛行路徑的影響？”通過變量變化的比較，說明變量對飛行狀態(tài)的影響，這就是無人機完成飛行任務的核心，在基本問題的描述過程中明確了編程的思路。此外飛行的路線是不唯一，可以引導學生通過分析設計新的飛行路線，讓學生在創(chuàng)新思考中不斷發(fā)現(xiàn)問題，最終形成新的研究成果。3.大圖。這種方式的布局只需要一張簡單的比賽場地圖，周圍留出充足的空白空間，以便學生將不受約束的想法添加上去，這個布局的基本問題可以是“完成飛行任務的解決方案是什么？”“無人機是如何工作的？”“為什么無人機會改變方向？”學生在開始研究之前已經(jīng)清楚地知道飛行的過程，通過觀察，可以設計不同的飛行路線，不同的飛行路線需要不同的變量進行約束，這種開放性的研究更有助于學生創(chuàng)造性思維的發(fā)展。（三）模板中的解釋元素為模板添加解釋元素是創(chuàng)建模型的最后一步，可以充分展示他們的知識，還可以將他們的推理引到新的研究方向。所以元素的選擇必須慎重，不能