《机器人创新教育研究与探索》课题实施方案——在机器人教学中培养学生创新能力的实践和研究

寿阳县北大街小学 杜占宏

一、课题的现实背景及意义

机器人教育与实践活动，是开展素质教育的一项崭新的内容，教育部从2003年起，把小学机器人比赛纳入全国小学电脑制作活动。近年来，我们晋中市的太谷小学，左权小学，寿阳县北大街小学等学校开展了机器人的创新与实践活动，于2016年一并列为《山西省基础教育信息化应用研究》子课题《机器人创新教育研究与探索》项目校，我楼自2011年初开展机器人教学，取得了一定教育教学经验，已在市、省、全国，国际赛上取得了多项好成绩。因此，在我校设立“小学机器人创新实践基地”，开展机器人教育与实践的研究，符合我校实际，对于推动我校信息技术教育向更高层次发展，具有重要的现实意义。

二、概念的界定

机器人教育是指学习、利用机器人，优化教育效果及师生劳动方式的理论与实践。

机器教学集成了数学、物理、化学、生物、机械、电子、材料、料、能源、计算机硬件、软件、人工智能、多媒体技术、通讯技术、网络技术等众多领域的科学与技术知识，没有一种技术平台比智能机器人更综合。智能机器人创新项目或比赛富有挑战性，互动性，趣味盎然，有效激发学生对学习和技术的兴趣。全国每年都有许多各个层次的机器人比赛，参加比赛的学生不仅可以锻炼他们的自主学习能力，团队协作能力，动手操作能力，还可以和赛场的学生们交流分享经验教训，凭自己的本事拿属于自己的成绩，锻炼了，懂得了，都有属于他们的收获，很多学校把参加这些机器人大赛视为宣传科技教育成果的重要平台。

三、课题研究宗旨和预期目标

1.课题研究宗旨

以机器人实验室为依托，通过探索小学机器人教学研究的方法、途径和规律，培养小学生的创新精神和实践能力，推动我校信息技术教育向更高层次发展。

2.课题研究预期目标

（1）、通过开设机器人选修课，进一步完善信息技术课程建设，开发小学机器人教学的校本课程。

（2）、通过课题研究，推动小学信息技术与课程整合的不断深入。

（3）、通过开展机器人搭建、编程、创意等实践活动，提高学生的动手能力，开发学生的创新思维，发展学生的个性特长。

（4）、代表我校组队参加市级以上教育行政部门组织的机器人竞赛。

四、研究方法和实施策略

2016年10月，在省电教馆的大力支持下北小机器人社团正式组建，同时省电教馆授予我校“创客机器人项目校”，社团现有有38 名学生。社团以“创新、挑战”为宗旨,以“提高学生创新精神和实践能力,培养学生适应未来发展需求的基本素质”为目标，以教育机器人套件为教材，通过教师讲授、辅导，学生组装、编程学习掌握机械、电子、结构和和信息科学的相关知识。孩子们研究机器人的过程是——发现问题溯源，辨析问题实质、设计解决问题方案、默契团队协作，最后采用一定方式呈现解决问题的结果的过程。这是学习真正发生的过程，也是撬动课堂改革的支点。通过知与行浑然一体的活动，不仅激发了孩子们的科技意识和创新精神，更培养他们的动手实践能力和团队协作能力，使科技筑梦的种子在学生心中萌芽成长......

我校师生通过一年多的探索与实践已初见成效。做为课题组负责人，我于2016年11月带领学生到上海国家会展中心参加能力风暴2016WER 世界锦标赛积木机器人大赛，获两组二等奖、两组三等奖，与此同时，她还获得2017年WER 能力挑战赛裁判员资格证。另外两名机器人教师陈明、张杰皆是计算机专业学习编程序的老师，负责组队训练参赛队伍。2017年赴北京农业大学参加全国智能机器人大赛，物流机器人组合崔腾泽获得全国特等奖，创意类比赛获得全国一等奖，崔腾泽、李佳翀 设计的一种多地形救援机器人获得国家级实用新型和外观设计两项专利，史家安、李岱泽设计的一种太阳能万向轮汽车获得国家级实用新型和外观设计两项专利。2018年五月我们去三大附中参加第十八届中小学电脑制作活动，其中崔腾泽、徐博凡组合、李武轩、武卓慨小组获得全省一等奖，杜占宏和陈明老师获得优秀指导教师，小学校获得优秀组织单位奖。2018年9月我校幼儿组学生参加全国首届“童创未来”科技创新比赛获得优秀奖项，我们的队伍不断壮大，我们的成果来之不易。

宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。我校机器人教学工作以社团点提升和普及面推广两个阶段逐步实施。

1.机器人社团教学模式

在北大街小学“四自”教学模式引领下，机器人社团以人为本积极探索任务驱动教学法在机器人教学中的应用，基本建立以任务设计为关键，学生自主学习为基础，探究合作为核心，展示交流为特征的新教学模式，充分体现自主、合作、探究、展示的新课堂教学改革理念。以恐龙机器人的教学为例：

（1）、创设情景 激发兴趣。教师根据教学内容，通过充满趣味性的科学知识引入主题。我们在教学恐龙机器人“马蒂诺”时，利用多媒体带领学生走进奇妙的恐龙世界，有最凶残的霸王龙、有最大的恐龙梁龙，有裸奔的似鸡龙，有展翅飞翔的翼龙，还有重100 吨的腕龙，这样的课题很吸引学生，然后组织学生学习利用自己课前搜集的材料自学恐龙的身体结构、外形特征，为他们搭建恐龙的“骨架”做好铺垫。随后，和孩子们探讨恐龙灭绝的原因。通过视频以及讲解，让学生了解火山爆发、海啸以及行星撞击地球带来的一系列后果。并根据现有的科学发现，讨论灭绝原因的可能性。为引入任务做铺垫。

（2）、确定任务 自主搭建。根据课程的情景，将任务主题设为“拯救恐龙”，让濒临灭绝的恐龙穿越重重障碍，选出最佳路线，达到安全地带，完成任务的时间越短越佳。将任务的规则、要求告知学生，演示任务过程，确保学生明白任务。同时规定完成任务的时间安排：30 分钟时间搭建恐龙机器人基本结构，20 分钟进行编程和任务调试，10 分钟进行“拯救恐龙”的比赛。

（3）、自主探究 协作学习。任务的完成是以小组为单位，要求学生们根据任务分工明确。首先学生根据经验、已有知识自主搭建完成任务所需的装置，在搭建过程中每个成员要先发表自己的想法、做法，然后队友之间讨论交流，形成定案，然后再研究机器人如何走线，确定路线之后，分工完成搭建和编程，最后进行机器人的调试，这还得需要不断调试，试错。

（4）、展示交流 自主评价任务完成之后，小组成员要对他们的搭建，编程进行展示，在展示的过程中，会不断的锻炼学生们的表达能力和思维连贯性。同时，不同的解决方案会拓宽学生们以后解决问题的思路，取长补短，通过反思，不断的改变孩子的原有认知，形成新的认知结构。

机器人教学每节课后要求学生做创新作品，都要求他们自己走上讲台向大家介绍机器人的结构、功能及设计理念和改进方案。我校六年级学生李佳翀同学在参观了消防队“深井救人”展示后，回家自己设计了“天使号”多地形救援车机器人，申请了国家级实用新型专利。李岱泽同学的妈妈是新手司机，孩子发明了“科霸号”万向轮新型汽车，也申请了国家级实用新型专利，张欣毅的家乡盛产玉露香梨，于是学生发明了采摘机器人，李佳垚同学爱吃蛋糕，回家给妈妈做了多功能打蛋器……学生们设计的机器人都切合生活实际，解决生活中的难题，和学生的评价引导是密不可分的。教师要对学生的学习过程、机器人的设制，完成任务的情况进行评价，指出成功与不足。评价不仅仅关心的是学生制作了多少作品、制作的作品创新性有多高，更应注重学生发展的过程。在学习中建立机器人普及课程的学生学习工程册，将学生分解问题、问题解决建议、提出和学生作品展示记录下来，让学生能力的提高建立在存量基础之上，遵循循序渐进的发展过程。

除了在课堂上进行评价之外，还应该组织学生进行作品展示、参加竞赛。让学生通过成绩的获得，感受到成功的喜悦。

2.机器人普及教学

为了使更多的学生能够适应未来信息时代的要求，学校机器人教学将通过社团“点”提升阶段的探索实践继续延伸，通过普及“面”推广让机器人走进更多学生的心中。

2018年3月，我校在一二年级全面开展机器人教学，教学内容主要是机器人搭建课程，这也为我校全面实施创客机器人教育奠定坚实的基础。以学生为中心，以问题为驱动；完善课堂评价方式，让学生体验成功的乐趣；以小组为单位组织课堂教学，让学生习惯于合作学习。

在教学中会发现一些胆小的学生、自闭症的学生、性格孤僻的学生在宽松愉悦的教学情景中健康的成长起来。2018年9月我校一年级1 班学生姜俊宇因自闭症需要家长陪读，但是他对机器人课特别感兴趣，10月份他带着他设计的《小灯房车》参加比赛，在摄像头面前他姿态大方、自信满满地向评委老师阐述他的作品，并参加全国首届“童创未来”科技创新比赛获得优秀奖项，他的家长激动的说不出话了……还有一名六年级的学生叫王海，学习成绩不是很好，自从接触了机器人课之后，学习劲头十足，每天下午自觉完成各科作业，为的是留下时间去研究机器人……这样的例子还有很多，他们在机器人课堂教学中寻找到自己的快乐。

（1）课程实施

A.从2018年春季学期开始，我校在小学一年级开展机器人普及教学，课程安排每周一次，真正做到科普教育遍地开花，全校普及。通过机器人普及教学，让更多的学生都能认识机器人，都会制作机器人，了解科技创新的奥秘，体验到智能化带给我们生活的便利。通过在全校各年级开展科技普及课程，真正做到将我校建设成为科创校园、科普基地。

B.从2018 到2019年，学校成立机器人校本课程研究小组，探讨机器人科普教学内容，撰写机器人科普教学校本课程，补充和完善各类教学内容、教学设计，逐渐形成了特有的教学方式。

（2）教学方法

根据机器人课程的特点，我们将机器人普及课程教学的方法设置为：任务导向、新知教授、实践应用。

A.任务导向。教师根据该堂课的学习目标，合理地应用场景导入教学内容，设立学习任务。课时安排为每周两节课，两个课时已经足够学生完成一个作品的制作。学生根据任务要求，进行问题分析、问题解决、小组讨论等环节，让学生发现问题，引起认知冲突，由于学生现有知识不足以解决问题，引入新知。

B.新知教授。学生将任务进行模块化分析，并填写学生工程册后（学习工程册是学生学习的一个凭证，也是学生进行任务分解、问题解决过程的记录），教师就可以根据学生反映的问题，引出本节课的教学内容。由于机器人普及课程的特殊化，我们可以将每个新知（一般的传感器的应用）分为“是什么、有什么作用、怎么使用、应用了哪些学科知识”几个部分。学生通过以上几个部分可以较为深入地认识每一个固件，也可以扩展学生思维，促进学生进行创作。由浅入深、理论联系实际，让学生能将学习到的新知识融入到原有的认知中，不断的改变原有的认知，形成新的认知。

C.实践应用。趁热打铁，让学生们将所需到的新知识，通过实践得到巩固和更深入的理解。教师设计与生活相关的、带有趣味性的比赛或游戏，让学生利用新学到的内容去完成比赛或游戏。同时，比赛或游戏应贴近生活，将生活与学习有效联系起来，达到培养学生体会生活、观察生活的目的，培养学生热爱科学、探索科学的精神。

未来，我们将通过组织和指导学生学习机器人相关软硬件知识,了解未来机器人领域的发展趋势，搭建中思考，合作中成长，实践探究中生成知识，让信息化教育撬动课堂教学改革，达到全面推进素质教育的目的，让学生的学习真正发生，努力成为未来机器人科技领域的开拓者和引领者。

（3）学校开展机器人教学主要困难一般是：

A.设备问题：学校设备有限，学生人数众多。

B.时间问题：每次教学最多两节课。在80 分钟内要包括拆模型和整理器材问题。

C.器材管理问题。所以要从下面几方面考虑：1价格性能比高；2 模型功能多，美观坚固；3 搭建方便省时，软件功能强；4 便于管理，教学效果好。

目前我校机器人实验室目前已经拥有5 台笔记本。已经制作轨迹、综合技能。已经拥有中鸣教育机器人2 套，能力风暴机器人7 套和必要的零配件。还有开源创客套件5 套。

教学过程：整个学期按4 个教学单元32 节课安排，共分为三个阶段。

第一阶段：重点是对机器人的认识，熟悉机器人基本组件和基本搭建方法。学生自愿结合，划分3-4人一组，每个小组确定一套器材。可以先观摩机器人模型，并进行讨论原理。

第二阶段，重点是对核心控制器和传感器的认识，熟悉模型的搭建，了解和初步掌握传感器的使用方法。成功搭建出2-4 种机器人项目。

第三阶段是模型控制的实现，要求熟练地成功编程使自己机器人按自己设计的目标“动”起来。

第四阶段为项目展示和评价阶段，每组学生选出最有好的项目作品进行成果展示和评估。

五、研究计划

1、2017年3月：研究课题小组成立，课题规划立项。

2、2017年3月-2020年3月：北大博雅机器人社团保证每周一次的机器人教学的开展。具体教学目标与教学内容的制定由小组至少提前一周讨论落实。

3、2018年3月：整理及改进，整理成文。小组进行第二次总结会。

4、2018年11月：教材的修订与完善阶段。根据开班情况作进一步改进。

5、2019年3月：开展机器人创客教学研究。

6、2020年3月：校本课程初步完成。

7、2020年11月：整理所有研究资料，准备结题。

六、课题成果

1、通过机器人教学的有效开展，培养学生的动手能力，学会自己编写简单的机器人控制程序。让学生在对机器人的设计与制作过程中，逐步培养创新意识、创新思维，提升他们的创新能力。

2、通过参加各级各类相关机器人竞赛，以赛促学，激发学生学习热情，在力争好成绩的同时提高学习自信心。

3、在反思机器人的教学过程中，能在如何培养学生的创新能力方面有新的认识，发表这方面相关的研究文章。

4、激发学生兴趣、开发学生潜能，开启学生智慧。

5、完成一套完整的适合普及小学机器人教育的教材。

6、整理机器人教学活动优秀案例集、课例集、论文集等等。

7、《机器人创新教育研究与探索》研究报告。

8、能在全县乃至全市范围内举行普及机器人教学展示活动，起着引领和示范指导作用。

七、研究人员分工

组 长 吴海林 组织协调策划中 小学一级教师

副组长 林海娟 课程设置安排中 小学高级教师

组 员 杜占宏 课题实施负责人 中小学一级教师

孟美英 探索教育教学模式 中小学一级教师

郝青芬 资料的收集整理 中小学高级教师

付 晔 教学课件和微课 中小学二级教师

陈 明 课题的实施和实践 中小学二级教师

赵敦旺 课题的实施和实践 中小学二级教师

吴利荣 课题的实施和实践 中小学二级教师

八、课题研究特色

1.学科切入点真实准确：本课题选择的学科切入点是机器人创新教教育研究，结合研究者的教学经验和问卷调查的统计分析，证明这一选择切中了教学的关键和学习的桎梏，准确的研究起点引领了研究的正确方向和有序过程。

2.教学主模式新颖有效：本课题利用我校“四自”教学模式进行教学研究，既依托于先进的信息技术，又切中教学的关键环节，既培养了观察能力、动手能力、又发展了学生的创新思维和逻辑思维能力。教学模式与学情背景高度吻合，吸引了学生的注意力，增强了学习的兴趣，保证了教学效果。

3.研究全过程顺势创新：本课题研究的过程中，教育信息技术发展迅猛，团队研究成员新增，课程研发技术得到有力保障，研发速度和研发质量大幅提升。顺势创新的研究过程因技术支撑得力、多人分工细作、反复论证提质，从而使课题后期研发又好又快，成果卓著。

4.研究辐射面跨区联动：课题研究团队由2 人扩充为9 人，由1 所学校扩充为10 所学校，由县城辐射到农村，课题研究的方式由校级研究变为盟区研究和全县研究，研究成果得到多方数据的支撑和案例的检验，课题研究的辐射和影响迅速加大。

5.研究总成果体系多元：课题研发成果集中体现在成体系的《小学生机器人机器人基础教学》校本课程合集中，在主体成果的研发过程中，课题组进行了校本课程的编写，预计2020年完善。

6.研究参与者成长卓越：由于本课题研究内容的需求，课题研究者必须充分掌握机器人搭建和编程基础，必须掌握高品质PPT 的制作技术，必须掌握教育信息技术和微课制作技术，必须定期研讨不断反思，一个课题的表面完成，实际上是每个研究者全面素养的提升，团队在课题研究的历练中卓越成长。

九、研究的条件分析

1、课程设置

学校教导处在实施机器人教学活动中在课时上提供了保证，每周安排二节机器人教学活动。采取弹性课时与集中课时相结合的方式进行。允许根据学习内容来适时调整教学内容，一些特殊的活动允许“间隔”，也可以根据学生的意愿，安排闲暇教学时间，确保教学灵活性。

2、教师保证

本人是学校机器人教学教师，2016年3月参加机器人培训获得机器人教师资格证，2016年7月指导学生赴合肥工业大学参加全国第十四届“全国中小学信息技术创新与实践活动”物流机器人大赛获得二等奖，获得优秀辅导教师称号。2016年11月指导学生赴上海国家会展中心参加WER世界锦标赛获得二等奖，本人参加WER 能力挑战赛裁判员培训班，获得了由全国中小学电脑制作活动组委会颁发的裁判员证书，并连续担任山西第十七届、第十八届中小学电脑制作活动机器人竞赛裁判员。

我经常告诉学生，学机器人，掌握科技知识，并不是一定要他们得什么奖，更重要的是把这份收获运用到日常的学习和生活中去。为了让更多的学生走上更高的平台，2018年注定是艰辛而不平凡的一年！

2018年3月，由我指导学生设计的“深井救援机器人”获得寿阳县“五小发明”一等奖，奖金5000元，同时荣立晋中市总工会二等功，奖金1000 元。并入选了2018年总工会“展示职工风采，传承工匠精神”主题影展。

2018年7月，我校机器人队伍赴内蒙包头科技大学参加第十六届全国中小学信息技术创新与实践活动比赛中，崔腾泽和徐博凡小组荣获全国第一名，杜冰雁、李佳翀 小组获得全国一等奖，李佳垚 和李亚栋小组和史家安李岱泽小组获得全国二等奖！同时杜占宏教练获得优秀指导教师奖。

2018年度我校学生的创客作品还成功申请了四项国家级专利。

2018年10月，我校一二年级机器人社团学生参加首届“童创未来”青少年科技创新微视频活动中成绩优秀。

2018年12月，本人获得山西省首届“优秀创客教师”。同时，崔腾泽和史家安两名同学双双获得山西省首届“创客小能手”奖项。

2018年10月10日，本人参加了科协举办的青少年科技创新大赛机器人赛教练员培训班。10月25日应科协邀请为全县的科技教师做了《如何培养学生的创新能力》的专题讲座。

2018年12月20日，本人参加了全国教育信息技术研究2018年度课题会议，山西省基础信息化应用研究课题总结会议。

2019年1月13日，学校参加了第二十届全国中小学电脑制作活动培训交流。

2019年1月26日，参加了山西省首届“创客竞赛”培训活动。

3.设施保证

学校拥有60 平方米的机器人实验教室，学校将根据实验需要逐步增加实验设备。

现有设备：

机器人60 平方米 能力风暴机器人7 套中鸣超级轨迹2 套开源创客套件5 套专用教室 机器人设备 其他附属设备机器人场地4 套

4、预期目标

本课题通过探索新的教学理念，采用创新教学工具，培养和激发学生的创新精神，提高学生的科学兴趣和科学素养。

对小学生已有科学素养的调查分析，以及在机器人教育载体中的培养和提高。

机器人普及与竞赛教育与课题研究相结合,将一种科技教育实践活动上升到理论研究。

利用每年一届的趣味科技节，提供给学生展示创新能力的平台，对学生创新能力进行评价。

将校本课程的开发研究与客体相结合，使开发过程更加科学，结果更加符合教育教学规律。

该课题的成功开展将进一步推动我校机器人教育的发展，也为全市推广机器人教育积累宝贵的经验和可供参考的课程。

十、课题实施进度

课题实施进度时间 具体实施安排 时间 具体实施安排2016年7月 参加第十四届全国中小学信息技术与创新活动机器人赛项 2017年12月 学校组织机器人创意大赛；选出优秀作品参加第33 届青少年科技创新大赛2016年9月山西省电教馆确立我校为《山西省基础教育信息化应用研究》子课题《机器人创新教育研究与探索》项目校2018年3月 创客机器人社团招募参加2018WER“信息时代”普及赛队员2016年10月 山西晋创伟业信息技术有限公司为我校捐赠了价值3 万元的机器人设备 2018年3月 参加寿阳县总工会“五小发明”比赛2016年11月 我校学生赴上海国家会展中心参加WER 世界锦标赛 2018年5月 参加山西省第十八届中小学电脑制作活动WER 普及赛2017年1月 参加省电教馆项目启动会议 2018年7月 参加第十六届全国中小学信息技术与创新活动机器人赛项2017年2月 组建项目实施领导机构和工作机构 2018年8月 参加山西省首届基础教育信息化应用成果展示2017年3月 我校一二年级每周一节特色课为机器人入门课程 2018年10月 组织低段学生参加首届“童创未来”青少年科技创新微视频大赛2017年4月 晋创伟业技术指导入校培训 2018年11月 参加2018年山西省青少年科技教育活动骨干教师培训班学习2017年5月 参加山西省第十七届中小学电脑制作活动中WER 普及赛 2018年12月参加省电教馆《山西省基础教育信息化应用研究》子课题《机器人创新教育研究与探索》中期总结课题培训赴北京参加第二十届中小学电脑制作活动培训班；组织参加第34 届青少年科技创新大赛2017年9月 继续推进社团活动，组织学生进行创意搭建 2019年1月 参加山西省首届“创客竞赛”培训2017年7月 赴北京农业大学参加全国中小智能机器人总决赛 2019年1月2017年10月李岱泽、史家安设计的“科霸号”万向轮新能源汽车、李佳翀、崔腾泽设计的“天使号”多地形救援机器人申报实用新型和外观设计专利2019年3月参加山西省第二期“创客竞赛”培训报名参加晋中市第十六届中小电脑制作活动“创客竞赛”“超级轨迹赛”