教育机器人课程教学设计案例

教育机器人课程教学设计案例一、课程设计背景与定位在STEAM教育与人工智能教育普及的浪潮中，教育机器人课程以“硬件搭建+软件编程+项目实践”的跨学科形态，成为培养学生计算思维、工程思维与创新能力的重要载体。本案例面向小学高年级（4-6年级）学生设计，结合该学段学生具象思维向抽象思维过渡的认知特点，以及对科技探索的天然好奇心，通过“做中学”的方式，将机械结构认知、编程逻辑训练与问题解决能力培养融为一体，助力学生建立人工智能领域的初步认知框架。二、教学目标体系（一）知识与技能目标认识教育机器人核心组成（机械结构、传感器、执行器），理解“输入-处理-输出”的基本工作逻辑；掌握图形化编程工具（如mBlock、Scratch扩展）的基础操作，能运用“循环”“条件判断”等逻辑结构完成简单任务编程；独立完成“智能循迹机器人”“避障小车”等小型项目的搭建与调试，理解“人机协作”的工程设计思路。（二）过程与方法目标通过“观察-拆解-重构”机器人模型，提升动手操作与空间建构能力；在项目实践中经历“问题提出-方案设计-迭代优化”的完整流程，培养工程思维与批判性思维；以小组合作形式完成任务，锻炼沟通协作与资源整合能力。（三）情感态度与价值观目标激发对人工智能、机器人技术的探索兴趣，建立“科技服务生活”的认知；体验“试错-改进”的创新过程，培养坚持不懈的探究精神；增强团队合作意识，在成果展示中提升自信心与表达能力。三、教学内容与模块设计课程采用“基础认知-编程实践-项目创新”三阶递进结构，总课时16节（每节40分钟），具体模块如下：（一）模块一：机器人基础认知（2课时）核心内容：结构搭建：用积木套件完成“简易机械臂”“轮式底盘”的组装，学习齿轮传动、连杆结构的基础原理。教学活动：情境导入：播放“机器人分拣快递”“无人机巡检”的短视频，引发“机器人如何工作”的疑问；小组任务：每组拆解1台机器人，绘制“部件功能思维导图”，并在全班分享。（二）模块二：图形化编程入门（6课时）核心内容：编程工具：熟悉mBlock软件界面（角色区、脚本区、舞台区），掌握“事件”“运动”“控制”类积木的拖拽与组合；逻辑训练：通过“灯光闪烁”“电机正反转”等基础任务，理解“顺序执行”“循环控制”的编程逻辑；教学活动：案例教学：教师演示“让机器人沿正方形轨迹运动”的编程过程（循环+转向积木），学生模仿后尝试“三角形轨迹”的创新；闯关任务：设计“编程闯关地图”（如“点亮指定颜色的LED”“避过虚拟障碍物”），学生自主探索并提交解决方案。（三）模块三：项目式实践——智能循迹机器人（6课时）项目任务：以小组（3-4人）为单位，完成“能沿黑色引导线自主行驶的机器人”设计，需经历“方案设计-硬件搭建-软件调试-优化迭代”全流程。阶段分解：3.软件调试（2课时）：编写“检测到黑线→左转/右转”的条件判断脚本，测试并优化参数（如电机功率、转向角度）；4.优化迭代（1课时）：通过“复杂轨迹挑战”（如S形、十字交叉线），发现问题（如“丢线”“卡顿”），小组协作改进方案（如增加传感器数量、调整算法）。差异化支持：基础组：提供“循迹模块”代码模板，重点掌握参数调整；进阶组：自主设计“多传感器融合”（如红外+灰度传感器）的循迹方案。（四）模块四：成果展示与评价（2课时）活动设计：小组路演：每组在“循迹赛道”展示作品，讲解设计思路、创新点与改进过程；互评投票：设置“最佳创意奖”“最稳运行奖”“最佳协作奖”，学生用贴纸投票，教师补充点评；反思总结：个人撰写《项目学习日志》，梳理“知识收获”“能力成长”与“待改进点”。四、教学方法与策略（一）项目式学习（PBL）以“智能循迹机器人”为核心项目，贯穿课程始终，让学生在真实问题解决中整合知识、锻炼能力。例如，在“硬件搭建”阶段，学生需自主解决“电机动力不足导致卡顿”的问题，通过更换齿轮比、调整电池电压等方式迭代方案。（二）分层教学针对学生基础差异，设计“基础任务-进阶任务-挑战任务”三级梯度：基础任务：保证全体学生掌握核心知识（如完成“直线循迹”）；进阶任务：鼓励能力较强的学生拓展创新（如“循迹+避障”复合任务）；挑战任务：提供开放性问题（如“如何让机器人识别颜色并分类物品”），供学有余力的学生探索。（三）多元评价过程性评价：记录课堂参与度（提问、小组贡献）、任务完成进度（如编程闯关的关卡数）、合作表现（小组互评表）；终结性评价：从“功能实现度”（循迹成功率）、“创新性”（设计独特性）、“工程报告完整性”三方面评分；反思性评价：通过《学习日志》了解学生的自我认知与改进意愿。五、教学反思与改进方向（一）现存问题在教学实践中，我们观察到几个需要优化的地方：1.学生基础差异显著：部分学生因缺乏编程经验，在“逻辑训练”阶段进度滞后；2.项目时间分配紧张：“优化迭代”环节常因调试难度大，导致成果展示仓促；3.跨学科整合不足：课程偏重“工程+编程”，与数学（轨迹计算）、艺术（机器人外观设计）的融合度有待提升。（二）改进策略1.前置学习支持：课前发放“编程基础微视频”，让学生自主预习，课堂聚焦实践应用；2.模块化时间管理：将“调试环节”拆分为“小组内预调试”+“全班集中优化”，提高效率；3.跨学科任务设计：在项目中融入“数学轨迹计算”（如设计正多边形循迹任务）、“艺术涂装比赛”，丰富课程维度。六、教学成果与延伸课程实施后，学生不仅掌握了机器人搭建与编程的基础技能，更在“问题解决”“团队协作”等软能力上显著提升。部分小组的“循迹机器人”通过增加“语音播报”“LED状态提示”等功能，实现了创意拓展。后续可延伸开展“家庭服务机器人”“环保监测机器人”等主题项目，或与校外科技馆、企业合作，提供真实场景的实践机会，进一步深化学生的科