基于项目式学习的小学机器人教学实践研究
田木兰 秦健
摘 要：随着智能机器人技术的迅速发展，机器人教育在开发学生智力，培养学生动手能力、实践操作能力方面的潜力逐渐被教育界认可，机器人教育逐渐进入到学校课程教学中，成为大中小学教育领域的新课程。文章通过将小学机器人课程与项目式学习相结合，培养学生解决问题能力、创造力、自主探究能力，提高其综合素质。作者基于项目式教学理念，设计机器人教学课程，在S小学进行教学实践，将所得经验分享给一线中小学从事机器人教育的工作者。
关键词：机器人;机器人教育;教学设计;项目式学习
中图分类号：G433 ? ? ? ?文献标志码：B ? ? ? ? ?文章编号：1673-8454（2019）22-0040-04
一、引言
科技推动教育，知识改变命运。随着教育机器人技术的发展，机器人教育已经成为中小学课堂教学的必然趋势。首先，机器人教育可以提供一种素质教育和创新教育与前沿研究相结合的生动形式，其次，机器人教育的内容本身也具有较强的趣味性、实践性、探索性和综合性，易于吸引学生积极参与。
教育部在2003年将《人工智能基础》课程纳入中小学选修课程后，我国的人工智能教育进入了一个新的阶段，逐渐走向大众化。作为人工智能的重要应用领域，智能机器人在中小学取得了迅速发展。
由于机器人的学科综合性和实践性的特点，传统的机器人教学方式难以凸显出学生利用机器人知识解决学科问题的能力。如何在中小学阶段开设机器人课程，国内外都在根据本国机器人教育的发展情况，进行着积极的探索。
二、国内机器人教育存在的问题
1.课程体系不够完善
目前，由于机器人课程的教学目标不明确，导致机器人在学校主要以社团、兴趣班、信息技术课的形式开展，并且学校没有相应配套的教材，用的都是机器人产品说明书或者用户指南，缺乏精心设计，与一般意义上的课堂教材有一定的差异。
2.学校资金困难，不能提供良好的配套设施
传统的信息技术课可以依托计算机进行教学，而机器人教学除了需要计算机支撑，还需要相应的配套设施，这些设施往往需要大量资金，大部分学校很难配备完善。
3.教师没有足够的专业经验
相对于传统的信息技术教师，机器人课程对教师的综合素质要求较高，机器人教师除了要具备基本的教学技能，还要具备机器人知识，其中机器人课程涉及科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Art）、数学（Mathematics）等多门课程知识，同时教师还要具备一定的创新创意能力。与此同时，从事信息技术教学的教师在大学期间没有开设相应的机器人课程，职前也没有经过专业培训，很多都是教师自学所得，师资力量的不足影响着机器人课程的教学质量。
4.家长过分看中学生参赛的结果，忽视了学生能力的培养
近几年，机器人教育开始进入中小学，但大多以竞赛的形式开展，家长给学生报名机器人班的目的是想要孩子参加比赛，取得一定的成绩，导致学生不得不在短时间内机械地学习竞赛所需的知识，对机器人知识并不清楚，不能理解其中的原理，形成一种“以赛促学”的现象。学生学习机器人应该是在探索的过程中学习知识和技能，家长只注重结果而忽视了学生在学习过程中所收获到的知识。
三、乐高4C教育模式
乐高4C教育模式包括四个流程：
1.联系（Connect）
表示在教学过程中，将学生已有的知识经验、兴趣爱好等与即将要学习的内容进行联系，激发学生的学习兴趣。如在本文的项目“解救机器人”中，学生以“解救小组”的形式来领取挑战任务卡，通过解决问题的形式去完成本次挑战任务——“解救机器人”，激发学生迫切想要去解救机器人的强烈愿望，在此过程中学生将自己所学过的知识运用到新任务中去，例如：机器人在行走的过程中会运用到以前学过的大型电机的知识点。
2.建构（Construct）
学生在完成挑战任务的过程中，通过小组讨论、头脑风暴，會对问题的解决形成新的认知，通过不断调试，总结出不同的经验，方法也在不断地更替，在已有的知识基础上总结学习会产生新的认识，同时学生解决问题的能力、与成员合作交流的能力也在逐步提升。例如“解救机器人”项目中，学生完成好结构搭建和编程后会现场测试，如果机器人走多了或者走少了，需要将时间调短或者调长，机器人是否能返回基地等，学生在不断地调试中会得出这些问题的结论。
3.反思（Contemplate）
指学生反思和回顾已建构的知识，主要包括：学到了什么？在学习的过程中遇到了什么困难？学生在完成挑战任务后，反思自己作为小组成员在整个过程扮演的什么角色，在过程中遇到了什么困难，自己是怎么解决的，学习到了什么，等等。例如：测试时将端口号插错，导致电机不转动。在学生讨论过程中，教师及时关注学生的情况，通过适当的提问引导学生围绕问题而讨论，帮助学生有目的地思考问题。
4.延续（Continue）
指用解决一个新的任务为导引，新任务的知识点是建立在本节课知识点之上，通过之前所学的联系、建构、反思等知识与技能去解决新的任务，学生通过进一步解决新的任务为下一节课的学习奠定基础，使学生在这一螺旋上升的循环过程中不断探索新知识。
四、机器人课堂教学设计方案
本文以乐高机器人完成太空挑战赛“解救机器人”项目为例，详细说明机器人课堂教学设计方案。
1.教学设计
（1）教学实施说明
S小学机器人社团课的教学内容是以乐高EV3机器人搭建及编程为主，教学对象是小学三、四、五年级的学生，在开展研究过程中，笔者尝试将steam教育理念融入到日常教学过程中，以项目式教学进行实践。
（2）教学对象分析
在S小学，机器人教学是以社团形式开展的，社团里面的学生来自三、四、五年级不同阶段，并且大家都是零基础，目前还处于基础班。笔者在开课前将班上的学生进行随机分组，三人一组，通过问卷调查了解到班上的学生加入机器人社团是因为对机器人好奇、感兴趣，希望通过学习能进一步探索机器人的奥秘。在教学过程中，不同年龄阶段的学生一起合作学习，一开始会有分歧，学生之间也会有争执。经过不断地磨合，学生之间的合作意识逐渐加强，小组成员遇到问题会一起商量解决，还会尝试和其他小组分享经验。笔者认为这样能锻炼不同年龄阶段学生的交流合作意识与能力。
（3）教学环境
学校顶楼的科技馆里面有专门搭建、编程的教室和一个“太空挑战赛”的赛台，场地宽敞，可以提供给学生搭建、编程以及测试。
（4）教学内容和学习主题
“解救机器人”这个任务主要是让学生学会乐高机器人大型电机和中型电机的运用。
（5）学习工具
如图1所示，学习工具主要为乐高EV3基础小车和笔记本电脑。
（6）教学方法
在完成任务的过程中，采用演示法、讲授法和小组竞赛法交叉进行，激发学生的学习兴趣。
2.教学过程
“解救机器人”是太空挑战赛中的一个子任务，采用项目式教学，学生需要完成机器人从基地出发，将斜坡下的机器人救回来，同时需要搭建机械臂与中型电机配合，完成解救工作，机器人从斜坡上返回来的时候需要将机器人放置在火星表层，保证六个轮子接触火星表面，最后小车要返回基地。学生在此过程中需要不断调整位置和参数，保证机器人从基底出发，解救机器人置火星表面，然后回到基地。教师在整个过程中扮演引导者的角色，可以帮助学生理清思路，学生自己动脑思考如何解决问题。
第一步：学生需要花两个课时的时间，通过科学的原理设计出机械臂，搭建好基础小车，之后需要通过编程让小车动起来，然后去赛台上测试摩擦力，一开始因为轮子的原因，导致小车在上坡的时候与斜坡的摩擦力太大，影响小车的运动，同时电机带不动小车上坡，经过几轮调整，将小车后面的万向轮换成最小的轮子，同时用两个轮子能使小车的运动方向更稳。
第二步：在正式进入编程之前，学生需要清楚规则。首先讲清楚小车最开始的位置在哪里，小车上的任何部位不能超过基地边沿黑线，这里需要调整小车的初始状态，比如机械臂收回来;其次在解救机器人时必须是机器人和机械臂将机器救回来，这里需要用到大型电机驱动小车前进，将电机的参数调为负即可完成小车后退。最后解救机器人的机械臂需要提前测试，如中型电机正传手臂是抛下还是抬起收回，这里对手臂的要求也比较高，如果结构太复杂会把机器人卡在机械手臂上，同时要考虑小车出发前结构是否超出基地，学生在这里需要调整时间，尽量花最少的时间完成操作。
第三步：帮助学生养成良好的习惯，学会将程序保存至合理位置并命名，以免出现每次都丢失程序，导致每节课都要重新编程，无法衔接上一节课的内容。最后每节课后要将电脑正常关机，同时把零件放到本小组的箱子里。
第四步：前面的基本工作完成，最重要的一步就是为机器人写入程序，相当于为机器人的大脑注入思想，让机器人去完成相应的指令。在编程的时候要注意端口号的匹配，学生在操作的过程中经常忘记将编程里的端口号与机器匹配。当然，学生不会一次就把程序编出来，需要在测试的时候进行调整。
第五步：测试。学生完成前面五步后，后期需要不断测试，不断调整参数，首先，从基底出发，到坡的顶端，需要控制好时间，如果时间太短，机械臂无法接触到机器人，如果走的太多，机器人会卡在斜坡上无法上来;其次，回来的时候如果时间太长，会将机器人带出火星，无法保证六个轮子完全接触火星表面;最后，如果时间太短，无法使小车完全回到基地。以上三点都是学生需要不断尝试的，有的学生会来回调试很多次，但是学生不会因此而失去耐心，相反，如果这次走多了，他会立马回去将时间减少，直至最后完美地完成任务。学生在這里测试时需要小组成员的配合，帮助操控手调整小车的出发位置，因为小车走偏后无法上斜坡，任何一个地方没有控制好都会影响到后面的结果，这里很考验小组成员之间的合作和沟通。
总之，为了能使任务能顺利完成，前期需要做很多准备工作，例如：保证主控电是充足的;保证两个大型电机和一个中型电机能正常工作;需要借助直尺工具测量从基底到斜坡起点的距离，调试参数的时候可以参考;在搭建机械臂的时候，不仅要考虑美观，还要考虑功效。在解决“解救机器人”的过程总需要综合运用各个学科的知识，同时还要学会和别人分工合作，锻炼学生的综合素质。
3.教学评价
最后检验学生成果时，采用教师评价、小组评价和学生自评。各个小组进行现场测试，教师采用秒表计时，在规定的时间内，记录每个小组从起点到终点任务的完成情况;其他小组成员在一侧观看别的小组的结构和小组成员的配合情况，吸取别人的长处，弥补本组的不足;学生要陈述自己在本次项目中承担了什么工作，完成得怎样。学生需要对各个组进行评分，最后自评。教师将每个组所得的任务分、小组分以及个人评分加起来，并对胜出小组进行颁奖。
4.教学反思
在学生完成该项目的过程中，从学生的反应和课后交流中发现，学生对挑战任务的兴趣很浓厚，也愿意不断调试，小组成员也从一开始各种矛盾发展到渐渐学会合作，把自己融入到小组中去，搭建手和编程手各司其职。但是也出现了不少问题，如端口号记错，没有及时命名并且在笔记本记录下来每一个程序对应什么任务，导致在测试的时候经常找错程序。教师在教学过程中除了引导之外，还要根据实际情况给予学生一定的鼓励。
五、机器人教学建议
1.加强师资力量的培训
目前很多学校的机器人是以社团的形式开展的，缺乏相应的机器人专业教师指导教学，应该加强教师培训，提升教师的机器人教学能力。通过培训，使教师的观念更新，认识到机器人教育的重要性，进而加强机器人教育在学校的开展。
2.探索机器人教育与课程的整合
机器人教育可以和语文、数学等基础课程相结合，可以与信息技术、综合实践课相结合，还可以和通用技术、科技活动等课程相结合。例如：在信息技术课上可以利用搜索引擎将机器人照片、文字介绍、视频等资料穿插在课堂中，既可以培养学生搜集、加工处理信息的能力，还可以使学生了解机器人的发展状况。
3.综合考虑机器人的相关标准
当前市场中的机器人品牌众多，结构复杂，没有统一的标准，很多品牌的机器互不兼容，开放性低。学校可以从两方面考虑机器人产品的标准：应针对不同年龄阶段学生的认知水平开发适合他们的一系列产品;不同层次的学生所需要的机器人类型和规格不同，有的是为了训练，有的是为了参加比赛，应根据使用者的实际需要选用合适的产品。
4.加强学生的合作意识和提升解决问题的能力
在开展机器人教学时，一定要关注学生过程性的表现，学生以小组的形式开展活动，在机器的设计、结构的搭建、程序的编写、最后的调试中都会出现各种问题，如：意见不统一，测试的时候大家都想自己去操作，组内会互相争机器等问题，在开展机器人教学的过程中，不仅要培养学生在解决实际问题的时候综合运用各个学科知识的能力，还要培养学生学会如何与他人合作，遇到分歧如何解决等能力。
5.关注学生的变化
在开展机器人教学过程中，学生会遇到不同的问题，每个学生的心理素质不同，有的学生遇到问题后会立刻解决，在困难中越挫越勇;有的学生则很容易受到挫败，一旦挑战任务失败就会认为自己无法完成任务，教师此时需要及时鼓励学生，引导学生找出问题所在，帮助学生在实践的过程中找回自信心，为以后的教学做好铺垫。
开展机器人教育有利于培养学生的综合素质，有助于学生解决问题能力、创造力、自主探索等能力的提升。机器人教学项目学习过程能够激发学生的创新能力，加强学生的合作意识，在培养创新型人才方面独具优势。
参考文献：
[1]钟柏昌，张禄.我国中小学机器人教育的现状调查与分析[J].中国电化教育，2015（7）：101-107.
[2]钟柏昌，韩蕾.中小学机器人教育的核心理论研究——论趣味交互型教学模式[J].电化教育研究，2018，39（9）：88-95.
[3]王振堂.中学创客教育背景下基于项目式学习的研究[J].中国现代教育装备，2018，298（18）：8-10.
[4]张剑平，王益.机器人教育：现状、问题与推进策略[J].中国电化教育，2006（12）：65-68.
[5]傅骞，王辞晓.当创客遇上STEAM教育[J].现代教育技术，2014，24（10）：37-42.
[6]卢晓琦，秦健.基于STEAM理念的小学机器人项目教学实践——以LEGO机器人“驾考宝典”项目为例[J].中小学电教，2018（Z2）：76-79.
[7]田佳.基于创客教育理念的初中机器人教材设计、开发与应用研究[D].西安：陕西师范大学，2018.
[8]魏啸天.机器人教育在中小学的应用初探[J].中国信息技术教育，2016（6）：101-102.
[9]马卫民，张玉芹.机器人教育文献内容分析[J].中国教育信息化，2018（7）：12-17.
[10]张谦，周如旗，邬依林，等.乐高4C教育模式在基础教育师范生职业课程中的应用[J].福建電脑，2013，29（5）：37-40.
[11]杨茜，张世友，王家香，等.乐高4C教育模式在内科护理教学中的应用及效果评价[J].护理学杂志，2017，32（17）：61-64.
[12]葛文双，傅钢善，史婷.我国中小学机器人教育发展中的问题分析[J].中国教育信息化，2008（8）：4-7.
[13]张丽芳.基于STEM的Arduino机器人教学项目设计研究[D].南京：南京师范大学，2015.
（编辑：鲁利瑞）
