智能機(jī)器人編程與實(shí)踐作為一門(mén)綜合性課程，為高中學(xué)生提供了跨學(xué)科學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，能夠培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，特別是在計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)和工程學(xué)等領(lǐng)域。本文深入探討智能機(jī)器人編程與實(shí)踐對(duì)高中學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，通過(guò)對(duì)學(xué)科整合、實(shí)踐性學(xué)習(xí)、創(chuàng)新和合作等方面的研究，揭示了智能機(jī)器人編程在提高高中學(xué)生信息素養(yǎng)、創(chuàng)新素養(yǎng)以及批判性思維和解決問(wèn)題的能力等方面的潛在優(yōu)勢(shì)，研究結(jié)果有助于教師更好地設(shè)計(jì)智能機(jī)器人編程課程，推動(dòng)學(xué)生核心素養(yǎng)的全面發(fā)展。

一、智能機(jī)器人編程教育的內(nèi)涵及影響

機(jī)器人編程是指通過(guò)編寫(xiě)一系列指令，使機(jī)器人能夠執(zhí)行特定的任務(wù)，這些指令涉及移動(dòng)、感知環(huán)境、作出決策等方面。編程語(yǔ)言是機(jī)器人編程的工具，其中視覺(jué)化編程工具如Scratch、Blockly等適合初學(xué)者，而Python、C++等適用于更高階的編程任務(wù)。智能機(jī)器人編程涉及對(duì)機(jī)器人內(nèi)部傳感器（如攝像頭、紅外線傳感器等）和執(zhí)行器（如電機(jī)、舵機(jī)等）的精確控制，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在特定環(huán)境中的智能行為。

智能機(jī)器人編程提供了將編程技能融入數(shù)學(xué)、物理、生物等學(xué)科的機(jī)會(huì)。通過(guò)與學(xué)科整合，學(xué)生能夠更全面地理解和應(yīng)用所學(xué)知識(shí)。高中學(xué)生親身參與智能機(jī)器人編程，能夠在實(shí)踐中深入理解編程原理，培養(yǎng)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，激發(fā)出對(duì)科學(xué)和技術(shù)的興趣。智能機(jī)器人編程注重學(xué)生創(chuàng)造性和創(chuàng)新性的思維，通過(guò)實(shí)際挑戰(zhàn)，發(fā)展學(xué)生解決問(wèn)題的獨(dú)立思考能力，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神。學(xué)校開(kāi)展智能機(jī)器人編程教育，能夠在實(shí)踐中培養(yǎng)高中學(xué)生的綜合素養(yǎng)，提高其解決問(wèn)題和創(chuàng)新的能力，為其未來(lái)的職業(yè)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

二、學(xué)科核心素養(yǎng)的維度與要素

學(xué)科核心素養(yǎng)涵蓋了信息素養(yǎng)、創(chuàng)新素養(yǎng)、批判性思維與解決問(wèn)題的能力以及溝通與合作能力四個(gè)關(guān)鍵維度。

（一）信息素養(yǎng)

在智能機(jī)器人編程與實(shí)踐中，信息素養(yǎng)的培養(yǎng)需要學(xué)生具備有效獲取、評(píng)估和應(yīng)用編程信息的能力，理解算法的原理，能夠在編程過(guò)程中靈活運(yùn)用各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。提升，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于機(jī)器人感知技術(shù)的理解，包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等傳感器的應(yīng)用，使學(xué)生能夠更好地獲取和處理機(jī)器人所需的信息。

（二）創(chuàng)新素養(yǎng)

在智能機(jī)器人編程與實(shí)踐中，創(chuàng)新素養(yǎng)可以幫助學(xué)生在實(shí)際的機(jī)器人項(xiàng)目中應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，解決現(xiàn)實(shí)生活中的問(wèn)題，培養(yǎng)解決問(wèn)題的創(chuàng)造性思維；幫助學(xué)生增強(qiáng)自主學(xué)習(xí)的意識(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)追求新知識(shí)，使其保持對(duì)技術(shù)發(fā)展的敏感性，實(shí)現(xiàn)不斷創(chuàng)新。

（三）批判性思維與解決問(wèn)題的能力

在智能機(jī)器人編程與實(shí)踐中，教師要培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維與解決問(wèn)題的能力，讓學(xué)生具備定位問(wèn)題、分析錯(cuò)誤原因以及進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化的能力，引發(fā)學(xué)生對(duì)代碼和系統(tǒng)的批判性思考。課程要強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目管理的重要性，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于整個(gè)機(jī)器人項(xiàng)目的規(guī)劃和組織能力，使其能夠高效解決項(xiàng)目中的各種技術(shù)與管理難題。

（四）溝通與合作能力

在智能機(jī)器人編程與實(shí)踐中，教師需要強(qiáng)調(diào)學(xué)生在機(jī)器人項(xiàng)目中的團(tuán)隊(duì)協(xié)作，包括有效的溝通、任務(wù)分配與合作等，增強(qiáng)學(xué)生在團(tuán)隊(duì)中積極討論的能力。教師還要指導(dǎo)學(xué)生將自己的編程項(xiàng)目成果以清晰、生動(dòng)的方式展示給他人，提高學(xué)生表達(dá)和溝通的能力。

綜合來(lái)看，學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)不僅為學(xué)生提供了面向未來(lái)的綜合素養(yǎng)，還為其未來(lái)職業(yè)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過(guò)這一框架，學(xué)校能夠更好地培養(yǎng)出適應(yīng)未來(lái)社會(huì)發(fā)展的全面發(fā)展型人才。

三、智能機(jī)器人編程與實(shí)踐在高中學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)中的培養(yǎng)路徑

在數(shù)字化時(shí)代，技術(shù)日新月異，對(duì)編程技能的需求不斷增加，越來(lái)越多的行業(yè)依賴(lài)于計(jì)算機(jī)編程，這使得編程教育成為提高學(xué)生未來(lái)就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。全球范圍內(nèi)，許多國(guó)家紛紛將編程納入學(xué)校課程并取得了成功。未來(lái)，越來(lái)越多的領(lǐng)域?qū)⒏右蕾?lài)科技和人工智能，具有編程技能的學(xué)生更容易適應(yīng)社會(huì)發(fā)展并從眾人中脫穎而出。為了培養(yǎng)適應(yīng)未來(lái)社會(huì)需求的高素質(zhì)人才，智能機(jī)器人編程與實(shí)踐成為高中學(xué)科教育中的一項(xiàng)重要課程。因此，下文將智能機(jī)器人編程與實(shí)踐課程作為培養(yǎng)高中生學(xué)科核心素養(yǎng)的起點(diǎn)，提出跨學(xué)科整合、建立穩(wěn)固的編程知識(shí)基礎(chǔ)以及開(kāi)展項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)等策略，發(fā)揮智能機(jī)器人編程在提高學(xué)生綜合素養(yǎng)中的優(yōu)勢(shì)，期望本研究能夠?yàn)榻逃龑?shí)踐提供有益的啟示，為學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)提供新視角。

（一）跨學(xué)科整合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

跨學(xué)科整合使學(xué)生能夠獲得多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，使學(xué)生能夠更好地理解和解決實(shí)際問(wèn)題，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。為提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，教師需要對(duì)不同領(lǐng)域的知識(shí)進(jìn)行結(jié)合，將學(xué)科知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目中，使學(xué)生更容易理解和應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

在具體的教學(xué)過(guò)程中，教師可以結(jié)合機(jī)器人編程項(xiàng)目設(shè)計(jì)跨學(xué)科的學(xué)習(xí)任務(wù)，要求學(xué)生不僅要掌握編程技能，還要了解物理、數(shù)學(xué)、生物學(xué)等相關(guān)知識(shí)。教師可以協(xié)調(diào)不同學(xué)科的教師，將機(jī)器人編程項(xiàng)目融入不同學(xué)科的課程中，如在物理課上探討機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的原理、了解植物工廠自動(dòng)化控制原理、對(duì)照與分析傳感器數(shù)據(jù)等。

教師還可以提供資源和指導(dǎo)，鼓勵(lì)學(xué)生在項(xiàng)目中主動(dòng)去學(xué)習(xí)并整合不同學(xué)科的知識(shí)。比如，在設(shè)計(jì)自主巡線的機(jī)器人時(shí)，學(xué)生需要理解運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，這時(shí)候物理教師可以為學(xué)生講解機(jī)器人的速度與輪子旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)系，用公式v=rω表示。其中，v是機(jī)器人的線速度，r是輪子的半徑，ω是輪子的角速度。通過(guò)物理教師的輔導(dǎo)，學(xué)生能夠輕松掌握基于Scratch的圖形化編程，理解了傳感器的工作原理，將灰度傳感器用于巡線、將超聲波傳感器用于檢測(cè)障礙物。

在這個(gè)項(xiàng)目中，學(xué)生需要整合來(lái)自其他學(xué)科的知識(shí)，應(yīng)用這些知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。這樣的跨學(xué)科整合項(xiàng)目有助于提高學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（二）建立穩(wěn)固的編程知識(shí)基礎(chǔ)，選擇適合的平臺(tái)

在智能機(jī)器人編程與實(shí)踐教學(xué)的過(guò)程中，適合初學(xué)者的編程語(yǔ)言能夠降低學(xué)習(xí)門(mén)檻，使學(xué)生更容易理解和掌握基礎(chǔ)概念。教師可以選擇Scratch、Python等易學(xué)的編程語(yǔ)言，這些軟件具有直觀的語(yǔ)法和良好的文檔支持；鯨魚(yú)機(jī)器人、Arduino等，其提供了簡(jiǎn)單且功能強(qiáng)大的編程環(huán)境。教師可以使用這些工具逐步講解與編程有關(guān)的概念，幫助學(xué)生建立堅(jiān)實(shí)的編程基礎(chǔ)。比如，從簡(jiǎn)單的控制結(jié)構(gòu)開(kāi)始，逐步引入變量、函數(shù)、循環(huán)等概念，確保學(xué)生在編程的過(guò)程中理解每個(gè)概念的作用。同時(shí)，教師還可以利用豐富的在線資源和編程工具，拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)渠道，如使用在線教程、編程挑戰(zhàn)平臺(tái)（如Code.org、Scratch網(wǎng)站）、集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）等工具，讓學(xué)生在更靈活的環(huán)境中學(xué)習(xí)。

教師可以使用基于Scratch編程的科藝機(jī)器人教育套件設(shè)計(jì)“小車(chē)避障機(jī)器人”的簡(jiǎn)單課堂練習(xí)，鞏固學(xué)生的編程知識(shí)基礎(chǔ)。課堂練習(xí)的目標(biāo)是讓學(xué)生構(gòu)建一輛小車(chē)，通過(guò)編程使其能夠自主避開(kāi)障礙物。首先，教師可以展示實(shí)際的小車(chē)操控場(chǎng)景，激發(fā)學(xué)生對(duì)智能機(jī)器人編程的興趣，然后介紹小車(chē)的電機(jī)和傳感器，讓學(xué)生了解它們的基本原理和作用。其次，教師示范如何編寫(xiě)簡(jiǎn)單的程序，以控制小車(chē)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等基本運(yùn)動(dòng)，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)使用傳感器檢測(cè)障礙物，編寫(xiě)簡(jiǎn)單的程序，使小車(chē)在檢測(cè)到障礙物時(shí)能夠停下來(lái)或轉(zhuǎn)向避開(kāi)。這時(shí)候，教師逐步引入條件語(yǔ)句的概念，讓學(xué)生理解在編程中如何使用條件語(yǔ)句，如“如果檢測(cè)到障礙物，則停下”。同時(shí)，引入循環(huán)的概念，讓學(xué)生學(xué)會(huì)使用循環(huán)結(jié)構(gòu)，如“當(dāng)小車(chē)在行進(jìn)中不斷檢測(cè)到障礙物時(shí)，持續(xù)執(zhí)行避開(kāi)障礙的動(dòng)作”。最后，為提高難度，教師可以讓學(xué)生嘗試同時(shí)使用多個(gè)傳感器，提高小車(chē)對(duì)環(huán)境的感知能力；引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合超聲波傳感器和灰度傳感器，為小車(chē)添加用戶(hù)交互功能，通過(guò)按鍵來(lái)觸發(fā)小車(chē)不同的動(dòng)作；鼓勵(lì)學(xué)生在小車(chē)編程的基礎(chǔ)上開(kāi)展具體項(xiàng)目，如設(shè)計(jì)一個(gè)小車(chē)迷宮解決方案或者參與機(jī)器人比賽。

在活動(dòng)中，學(xué)生可以了解電機(jī)、傳感器的基本原理，通過(guò)編程計(jì)算小車(chē)移動(dòng)的距離、旋轉(zhuǎn)的角度等，設(shè)計(jì)小車(chē)的結(jié)構(gòu)，考慮其平衡性和穩(wěn)定性。通過(guò)這個(gè)活動(dòng)，學(xué)生能夠在實(shí)際應(yīng)用編程知識(shí)的過(guò)程中形成對(duì)編程概念的深入理解，同時(shí)通過(guò)實(shí)踐中的物理、數(shù)學(xué)等學(xué)科的整合，培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)。這種實(shí)踐性強(qiáng)、循序漸進(jìn)的教學(xué)方法有助于提高學(xué)生對(duì)于編程與機(jī)器人技術(shù)的興趣，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)自信心。

（三）開(kāi)展項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)，鼓勵(lì)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題

在智能機(jī)器人編程與實(shí)踐教學(xué)中開(kāi)展項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)，鼓勵(lì)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題，這對(duì)高中學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展至關(guān)重要。通過(guò)解決實(shí)際問(wèn)題，學(xué)生能夠直觀地看到所學(xué)知識(shí)在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用，所以，教師可以選擇與學(xué)生日常生活或社會(huì)需求相關(guān)的問(wèn)題來(lái)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，用明確的目標(biāo)和任務(wù)促使學(xué)生集中精力完成項(xiàng)目，提升學(xué)生解決問(wèn)題的能力。

例如，教師可以要求學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)能夠自動(dòng)澆花的機(jī)器人。學(xué)生則需要進(jìn)行需求分析，以深入理解問(wèn)題的本質(zhì)，為項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)施提供方向。因此，教師要引導(dǎo)學(xué)生提出項(xiàng)目的功能需求，如識(shí)別植物濕度、控制水流等，然后將這些需求轉(zhuǎn)化為具體的編程任務(wù)。學(xué)科整合使學(xué)生能夠?qū)⒍鄬W(xué)科知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題中，提高學(xué)生解決跨學(xué)科問(wèn)題的能力，如物理（水流控制）、生物學(xué)（植物濕度）、數(shù)學(xué)（傳感器數(shù)據(jù)處理）以及綜合設(shè)計(jì)與報(bào)告等。通過(guò)這樣的跨學(xué)科項(xiàng)目設(shè)計(jì)，學(xué)生不僅能夠掌握編程技能，還能夠?qū)⑺鶎W(xué)的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際情境中。

項(xiàng)目活動(dòng)面臨的實(shí)際問(wèn)題是“經(jīng)常忘記給植物澆水，導(dǎo)致植物生長(zhǎng)不健康”，因此項(xiàng)目目標(biāo)為設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)澆花系統(tǒng)，能夠根據(jù)植物濕度自動(dòng)進(jìn)行澆水，同時(shí)記錄植物的生長(zhǎng)狀態(tài)。教師可以讓學(xué)生設(shè)計(jì)水流控制系統(tǒng)，確保適量的水被釋放；了解植物的生長(zhǎng)需求，設(shè)置合適的濕度閾值；編寫(xiě)代碼處理傳感器數(shù)據(jù)，確保準(zhǔn)確地測(cè)量植物濕度。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)的第一階段，教師可以讓學(xué)生分析需求，以表1的形式進(jìn)行記錄。

表1 需求分析

識(shí)別濕度 系統(tǒng)能夠識(shí)別植物的濕度并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)

控制水流 系統(tǒng)能夠根據(jù)濕度數(shù)據(jù)自動(dòng)控制水泵并進(jìn)行澆水

數(shù)據(jù)記錄 系統(tǒng)需要記錄植物的濕度數(shù)據(jù)，以便后續(xù)分析

之后，需要進(jìn)行硬件搭建。教師可以準(zhǔn)備詳細(xì)的搭建指導(dǎo)，以文字說(shuō)明、圖示或視頻教程來(lái)說(shuō)明每個(gè)硬件組件的功能和連接方式。另外，教師要在學(xué)生搭建的過(guò)程中強(qiáng)調(diào)安全操作守則，如正確使用工具、避免電源短路等，確保學(xué)生了解并遵循安全規(guī)范。教師可以給出一定的建議，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行硬件的調(diào)試與測(cè)試，讓學(xué)生根據(jù)建議進(jìn)行實(shí)操，自己動(dòng)手搭建，并給出如表2所示的硬件搭建實(shí)例表。

表2 硬件搭建實(shí)例

硬件 描述

Arduino 控制系統(tǒng)的主要微控制器

DC 3—6V水泵 小型潛水泵，用于控制水流的裝置

DHT22 濕度傳感器 數(shù)字濕度和溫度傳感器，用于測(cè)量植物的濕度

MicroSD 記錄模塊 用于記錄濕度數(shù)據(jù)的MicroSD卡模塊，與Arduino兼容

搭建完成后，教師要引導(dǎo)學(xué)生編寫(xiě)代碼，使系統(tǒng)能夠根據(jù)濕度數(shù)據(jù)自動(dòng)控制水流，引導(dǎo)學(xué)生思考如何優(yōu)化水流控制算法，如根據(jù)歷史數(shù)據(jù)制定更智能的澆水計(jì)劃，以避免頻繁的水流操作。完成操作后，教師需要讓學(xué)生對(duì)自己設(shè)計(jì)的內(nèi)容進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)，調(diào)整閾值、優(yōu)化控制算法。如果系統(tǒng)存在問(wèn)題或者表現(xiàn)不如預(yù)期，教師要帶領(lǐng)學(xué)生思考并實(shí)施改進(jìn)措施，其中可能包括調(diào)整濕度閾值、修改控制算法或者優(yōu)化傳感器的位置。

通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目，學(xué)生不僅能夠?qū)W到編程和機(jī)器人技術(shù)，還能夠應(yīng)用生物學(xué)和數(shù)學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)跨學(xué)科解決問(wèn)題的能力。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，智能機(jī)器人編程與實(shí)踐作為高中學(xué)科教育中的一項(xiàng)創(chuàng)新舉措，通過(guò)跨學(xué)科整合，建立穩(wěn)固的編程知識(shí)基礎(chǔ)，選擇適合的平臺(tái)，開(kāi)展項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)等策略，有效培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力、解決問(wèn)題的能力以及跨學(xué)科整合的學(xué)習(xí)能力，有助于高中生更好地適應(yīng)未來(lái)科技發(fā)展的需求。期望本研究的深入探討能夠?yàn)橹悄軝C(jī)器人編程與實(shí)踐課程的改進(jìn)提供一些建議，并為類(lèi)似的綜合性學(xué)科教育提供參考，促使更多的學(xué)校在培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)方面積極探索創(chuàng)新的途徑。

注：本文系福建省漳州市教育裝備中心（漳州市電化教育館）2023年度教育信息技術(shù)研究課題“智能機(jī)器人編程與實(shí)踐對(duì)高中學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)的研究”（立項(xiàng)批準(zhǔn)號(hào)：ZXK202322）研究成果。