韓雨 裘國永

摘 要 隨著智能機(jī)器人教育在世界范圍內(nèi)的興起，我國的中小學(xué)機(jī)器人教育也順應(yīng)時(shí)代潮流得到了快速的發(fā)展，青少年機(jī)器人教育逐漸成為當(dāng)前我國中小學(xué)科技教育的重要組成部分，在增強(qiáng)中小學(xué)生創(chuàng)新思維能力、動(dòng)手實(shí)踐能力以及提升青少年科學(xué)素質(zhì)等方面發(fā)揮著重要作用。本文闡述了智能機(jī)器人教育概念、開展現(xiàn)狀以及意義，通過具體智能機(jī)器人教育課程課堂實(shí)踐，提出了智能機(jī)器人教育的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞 中學(xué) 機(jī)器人教育

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.02.059

Thoughts on Junior High School Robot Education

HAN Yu， QIU Guoyong

（School of Computer Science， Shaanxi Normal University， Xi'an， Shaanxi 710119）

Abstract With the rise of robot education worldwide， China's primary and secondary school robot education has also developed greatly. Under the new situation， the education of robots has become an important part of science and technology education in primary and secondary schools in China. It plays an important role in enhancing the innovative thinking ability and practical ability of primary and secondary school students， and improving the scientific quality of primary and secondary school students. This paper expounds the concept， development status and significance of intelligent robot education. Through the practical practice of intelligent robot education curriculum， the teaching experience of intelligent robot education is put forward.

Keywords middle school； robot education

0 引言

隨著信息社會(huì)的不斷發(fā)展，國家對(duì)于義務(wù)教育階段學(xué)生信息素養(yǎng)要求越來越高，然而初中信息技術(shù)基礎(chǔ)教材的編制相較從前沒有太大變化，內(nèi)容過于簡單。為了響應(yīng)國家要求、與時(shí)俱進(jìn)增強(qiáng)學(xué)生的信息素養(yǎng)，我2017-2018春季學(xué)期在學(xué)校的校本課程中首次開設(shè)了機(jī)器人教育課程。機(jī)器人教育是近幾年來的一個(gè)熱點(diǎn)，已經(jīng)成為呼聲很高的用于中小學(xué)創(chuàng)新教育的平臺(tái)，正在大踏步地走向基礎(chǔ)教育。然而教育機(jī)器人目前在國內(nèi)還處在起步階段，對(duì)于學(xué)校、教師、學(xué)生來說都是一門嶄新的課程，通過一學(xué)期的機(jī)器人課程的課堂實(shí)踐，以及對(duì)智能機(jī)器人教育目前在國內(nèi)外、省市、地區(qū)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，筆者對(duì)智能機(jī)器人教育有了一些自己的直觀感受。

1 綜述

1.1 機(jī)器人教育

機(jī)器人教育是指學(xué)生通過組裝、搭建、運(yùn)行機(jī)器人，來了解機(jī)器人的硬件構(gòu)造及軟件開發(fā)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生綜合能力。[1]機(jī)器人涉及到信息技術(shù)的多個(gè)領(lǐng)域，它融合了機(jī)械原理、計(jì)算機(jī)軟硬件、電子傳感器、及人工智能等多種先進(jìn)技術(shù)，綜合了多學(xué)科的發(fā)展成果，代表了高技術(shù)的發(fā)展前沿，引入教育機(jī)器人的教學(xué)將給中小學(xué)的信息技術(shù)課程增添新的活力，成為培養(yǎng)中小學(xué)生綜合能力、信息素養(yǎng)的優(yōu)秀平臺(tái)。[2]

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

機(jī)器人教育目前在國內(nèi)處在起步階段，我國第八次基礎(chǔ)教育改革中提出“培養(yǎng)學(xué)生興趣愛好，將學(xué)生從智力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰团d趣的培養(yǎng)的教學(xué)改革”。[3]機(jī)器人教學(xué)被納入中小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)課程，通過教育機(jī)器人對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)和信息技術(shù)素養(yǎng)的培養(yǎng)。通過收集資料調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國中小學(xué)機(jī)器人教育的方式目前主要分為以下四種：

第一，通過學(xué)校接收一小部分對(duì)智能機(jī)器人有興趣的學(xué)生，組成機(jī)器人興趣小組，請(qǐng)專業(yè)的信息技術(shù)老師利用課余時(shí)間對(duì)學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)，并代表學(xué)校參加地區(qū)、省市、國家的各類機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)。這種形式是機(jī)器人教育目前使用最廣泛的方法，同時(shí)競(jìng)賽也大力推動(dòng)了機(jī)器人教育的發(fā)展。

第二，把智能機(jī)器人教育作為校本課程納入學(xué)校綜合實(shí)踐活動(dòng)課中普及，由具有相關(guān)專業(yè)水平的信息技術(shù)老師開課，讓相對(duì)多的對(duì)智能機(jī)器人感興趣的學(xué)生可以選擇，這也是目前我們學(xué)校在智能機(jī)器人教育的方面的實(shí)施方式。

第三，把智能機(jī)器人教育課程納入中小學(xué)信息技術(shù)教育基礎(chǔ)課程，這種形式無疑會(huì)為中小學(xué)信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)帶來新的活力。[4]但由于目前大部分學(xué)?；A(chǔ)設(shè)備、師資不足，沒有專門的規(guī)范教材等原因，這種形式目前還處在起步階段，沒有被大范圍普及。

第四，智能機(jī)器人教育作為研究性課題進(jìn)入中學(xué)信息技術(shù)教育階段。但是由于研究性課程課時(shí)不足，以及班額過大決定的組織難度，影響機(jī)器人教育的整體推進(jìn)。

1.2.2 國外開設(shè)現(xiàn)狀

在國外，智能機(jī)器人教育一直是一個(gè)研究熱點(diǎn)。世界發(fā)達(dá)國家的基礎(chǔ)教育和高等教育階段已經(jīng)全面引入機(jī)器人教育。日本、美國等一些發(fā)達(dá)國家高度重視機(jī)器人學(xué)科教育對(duì)高科技社會(huì)的作用和影響，已在信息技術(shù)課與課外科技活動(dòng)全面開設(shè)了有關(guān)機(jī)器人的課程內(nèi)容。[5]在美國基礎(chǔ)教育學(xué)校階段，學(xué)校都開始有內(nèi)容豐富的技術(shù)應(yīng)用和手工類課程，計(jì)算機(jī)課程是技術(shù)類課程的重要部分。[6]日本是世界上僅晚于美國的第二個(gè)開始進(jìn)行青少年機(jī)器人教育的國家，機(jī)器人教育是日本中小學(xué)教學(xué)大綱中規(guī)定的課程。[7]作為亞洲發(fā)達(dá)國家的韓國，韓國政府于2004年在全國開展“Robot partners everywhere”活動(dòng)，從此機(jī)器人在韓國進(jìn)入快車道。[8]在歐洲發(fā)達(dá)國家，機(jī)器人教育已經(jīng)深入課堂，歐洲各國積極在高校和中小學(xué)開設(shè)機(jī)器人相關(guān)課程，并且研發(fā)相應(yīng)教育機(jī)器人的教科書、教材和配件。[9]

1.3 開設(shè)機(jī)器人教育的意義

機(jī)器人技術(shù)融合了機(jī)械原理、電子傳感器、計(jì)算機(jī)軟硬件及人工智能等眾多先進(jìn)技術(shù)，[10]機(jī)器人教育的開設(shè)有助于學(xué)生了解機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，理解機(jī)器人的概念和工作方式；學(xué)生在搭建機(jī)器人和編制程序的過程中培養(yǎng)動(dòng)手能力、協(xié)作能力和創(chuàng)造能力；同時(shí)響應(yīng)國家要求，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，與時(shí)俱進(jìn)增強(qiáng)學(xué)生的信息素養(yǎng)。

2準(zhǔn)備工作

（1）備設(shè)備：我區(qū)教儀站給學(xué)校配備了專門科創(chuàng)教室以及若干臺(tái)機(jī)器人套裝，由于是首次開設(shè)機(jī)器人教育課程，教師和學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)都不足，綜合各方面條件考慮后選擇了比較簡單的“四能教育機(jī)器人”開始作為首次機(jī)器人教育學(xué)習(xí)機(jī)器。

（2）備教師：開課之前教師主要通過兩個(gè)渠道進(jìn)行課程準(zhǔn)備：一個(gè)是研究設(shè)備自帶的說明書，不斷自學(xué)摸索；另一個(gè)是參加區(qū)里和市上的組織的各類機(jī)器人教育培訓(xùn)，對(duì)機(jī)器人教育的目標(biāo)、過程、方法等都有了比較科學(xué)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也修正了教師自身摸索過程中的錯(cuò)誤與不足。

（3）備學(xué)生：由于學(xué)?；A(chǔ)設(shè)施還不完善，目前的師資力量、機(jī)器設(shè)備等都處在起步摸索階段，因此首年沒有全年級(jí)的開課，而是把智能機(jī)器人學(xué)習(xí)放入學(xué)校的綜合實(shí)踐活動(dòng)課中，開設(shè)了“鄉(xiāng)村旅游機(jī)器人”這門校本課程選修課。選課時(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行了簡單篩選，選擇了一些對(duì)機(jī)器人感興趣并有軟件編程基礎(chǔ)的學(xué)生。

3教學(xué)內(nèi)容

學(xué)期校本課程一共是11課時(shí)，每課時(shí)40分鐘，參考培訓(xùn)時(shí)講師對(duì)課程內(nèi)容設(shè)置的建議，綜合考慮學(xué)校課程安排時(shí)長、學(xué)生基礎(chǔ)水平等，我們將完成“機(jī)器人鄉(xiāng)村旅游”項(xiàng)目為最終學(xué)習(xí)目標(biāo)，劃分課程內(nèi)容為11課時(shí)。

第一節(jié)是興趣引入課程。通過放映機(jī)器人系列短片、引入機(jī)器人概念、分類、用途等，引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人的興趣，使學(xué)生對(duì)機(jī)器人有一個(gè)比較清晰直觀的認(rèn)識(shí)。

第二、三節(jié)是機(jī)器人硬件的認(rèn)識(shí)和組裝課程。組裝主要包括傳感器組裝、馬達(dá)組裝、整體組裝三個(gè)部分。

第四、五節(jié)開始進(jìn)入編程階段。通過兩個(gè)課時(shí)完成聲控傳感器、灰度傳感器、馬達(dá)的測(cè)試編程，達(dá)到測(cè)試不同聲音分貝值、不同顏色灰度值、分別控制左右馬達(dá)以及馬達(dá)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、不轉(zhuǎn)的效果。

第六節(jié)是聲音控制機(jī)器人行走編程。通過給定一個(gè)一定分貝的聲音，啟動(dòng)機(jī)器人行走。

第七節(jié)是運(yùn)用灰度傳感器控制機(jī)器人直行、轉(zhuǎn)彎編程。通過幾個(gè)灰度傳感器相互配合，使機(jī)器人根據(jù)比賽路線直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，達(dá)到巡線的目的。

第八節(jié)是如何讓機(jī)器人能夠更準(zhǔn)確地尋找到比賽的線路。

第九節(jié)是如何讓機(jī)器人在準(zhǔn)確巡線的同時(shí)，跑的又快來節(jié)約比賽時(shí)間。

第十節(jié)是學(xué)生探究課程。小組成員齊心協(xié)力發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，完善、調(diào)試自己的程序。

第十一節(jié)是效果展示課程。通過開展小比賽，看哪一組的機(jī)器人跑的既快又好。

4課程感悟

在11個(gè)課時(shí)的智能機(jī)器人教育的課實(shí)踐中，筆者有了自己的一些體會(huì)和經(jīng)驗(yàn)。

4.1 激發(fā)學(xué)生興趣非常重要

興趣是影響學(xué)生學(xué)習(xí)效果的第一因素，有了興趣才會(huì)有學(xué)習(xí)探究的動(dòng)力，如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣是每個(gè)教師值得關(guān)注的問題。因此在具體的教學(xué)開始時(shí)，我們需要讓學(xué)生了解到到底什么是機(jī)器人、機(jī)器人分類和用途有什么、目前的發(fā)展現(xiàn)狀是怎么樣的、未來的發(fā)展趨勢(shì)是什么，讓學(xué)生對(duì)機(jī)器人有一個(gè)更全面、更科學(xué)的認(rèn)識(shí)，而不是只停留在動(dòng)畫片、電影里的“變形金剛”，同時(shí)為進(jìn)一步學(xué)習(xí)機(jī)器人技術(shù)的有關(guān)知識(shí)打下基礎(chǔ)。

4.2 課程設(shè)置要循序漸進(jìn)

由于學(xué)生是第一次接觸到機(jī)器人這一新鮮的事物，對(duì)硬件和軟件都很陌生，有些同學(xué)甚至沒有編程基礎(chǔ)。考慮到合作學(xué)習(xí)的接收能力大于單個(gè)接收，我們首先對(duì)學(xué)生進(jìn)行了分組，每2個(gè)同學(xué)為一個(gè)小組。這樣既可以提高學(xué)生接收知識(shí)的程度，又可以培養(yǎng)他們的小組協(xié)作能力。其次，教學(xué)內(nèi)容設(shè)置要循序漸進(jìn)，不能急于求成。硬件的組裝讓學(xué)生了解機(jī)器人的構(gòu)造，傳感器和馬達(dá)的測(cè)試讓學(xué)生接觸簡單編程、了解傳感器的使用方法，馬達(dá)的直行和轉(zhuǎn)彎讓學(xué)生學(xué)會(huì)傳感器如何配合、傳感器巡線讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，跑的更好更快。每一步的學(xué)習(xí)都是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，每一次學(xué)習(xí)都能使學(xué)生有所收獲，但又不至于太難無法接受使學(xué)生失去學(xué)習(xí)的興趣。

4.3 課程注重差異、因材施教

每個(gè)學(xué)生接收知識(shí)的水平是不一樣的，在課堂上也會(huì)出現(xiàn)了有些組很快完成，而有些組學(xué)生沒有完成的情況。如果一味講下去，未完成的學(xué)生越來越完不成，慢慢失去了學(xué)習(xí)的興趣；而如果停下來等全部學(xué)生完成，那最先完成的學(xué)生就會(huì)沒有事情做。因此我們?cè)谠O(shè)置課程進(jìn)度的時(shí)候充分考慮到這個(gè)情況，設(shè)置的內(nèi)容可以大部分同學(xué)可以在課堂內(nèi)完成，并且在每節(jié)課內(nèi)容講完后都有關(guān)于下一節(jié)課的拓展探究。對(duì)于接收力較快的小組，可以開始探究下一節(jié)內(nèi)容，對(duì)于較慢的小組，也可以有時(shí)間去完成。我們?cè)诖笳n堂時(shí)間就開放了微機(jī)室，以便沒有完成的學(xué)生可以在這個(gè)時(shí)間段把上節(jié)課未完成的內(nèi)容完成，盡量讓同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)的過程中不要掉隊(duì)。

5 結(jié)束語

在人工智能飛速發(fā)展的今天，在中小學(xué)引入智能教育機(jī)器人的教學(xué)將給中小學(xué)的信息技術(shù)課程增添新的活力，智能機(jī)器人教育也將成為培養(yǎng)中小學(xué)生綜合能力、信息素養(yǎng)的優(yōu)秀平臺(tái)。[11]我們每一位信息技術(shù)教師都應(yīng)該順應(yīng)時(shí)代潮流，積極接受新興事物，努力提高自己的綜合水平，為培養(yǎng)學(xué)生綜合能力和信息素養(yǎng)不懈努力。

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