高山

摘要：機(jī)器人技術(shù)是一門綜合學(xué)科，它包含數(shù)學(xué)、物理、電子、編程、機(jī)械等各種技術(shù)。在中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)中，鼓勵學(xué)生大膽想象，運(yùn)用不同的方法和理念去解決生活中的實(shí)際問題，從而培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和創(chuàng)新思維，提升其科學(xué)精神。文章詳細(xì)講述了學(xué)校機(jī)器人教育開展的課程框架模式、課程設(shè)置、課程實(shí)施，構(gòu)建了中小學(xué)機(jī)器人教育體系，從課堂教學(xué)和課外活動兩個維度闡明了兩者的關(guān)系和相互作用，為學(xué)校進(jìn)行機(jī)器人科技教育提供了充分的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，對學(xué)校機(jī)器人教育普及和創(chuàng)新人才培養(yǎng)有一定的參考作用。

關(guān)鍵詞：中小學(xué)機(jī)器人普及教育;科學(xué)精神;機(jī)器人校本課程;機(jī)器人社團(tuán)

中圖分類號： G433 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B ? ? ? ? ?文章編號：1673-8454（2020）06-0035-04

2016年9月發(fā)布的《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》指出，要以培養(yǎng)“全面發(fā)展的人”為核心，核心素養(yǎng)中包括創(chuàng)新實(shí)踐和科學(xué)精神?？萍嫉陌l(fā)展要從科技教育入手，要從娃娃學(xué)起，機(jī)器人教育可以讓學(xué)生獲得科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等方面的知識，同時培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、動手能力、編程能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。中小學(xué)機(jī)器人教育落地到中小學(xué)校課程當(dāng)中還存在不少問題，課程如何開展？教學(xué)內(nèi)容如何設(shè)置？筆者根據(jù)多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對校內(nèi)機(jī)器人課程設(shè)置、課程內(nèi)容、課程評價等方面進(jìn)行了深入的探索和研究。

一、中小學(xué)機(jī)器人教育的現(xiàn)狀和問題

機(jī)器人課程作為科技教育的重要內(nèi)容，可以讓學(xué)生綜合學(xué)習(xí)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等各學(xué)科的知識，并在此過程中培養(yǎng)其創(chuàng)新與實(shí)踐能力、計(jì)算思維能力和協(xié)作能力。《普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出，“機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作”是選擇性必修課程，高中學(xué)生可以選修這門課程。但我國目前還沒有統(tǒng)一設(shè)定的中小學(xué)機(jī)器人課程標(biāo)準(zhǔn)。

目前，我國的中小學(xué)機(jī)器人教育普遍還停留在課外教育階段，即以課外活動的形式開展機(jī)器人教育教學(xué)活動，目前主要有以下特點(diǎn)：①學(xué)生受眾面小。機(jī)器人課程大都是在課外時間開展，學(xué)習(xí)的學(xué)生較少。②學(xué)校沒有形成課程體系。機(jī)器人課程以競賽活動為主，沒有形成系統(tǒng)的、循序漸進(jìn)的課程體系。③機(jī)器人教育評價方式單一。主要以競賽成績?yōu)樵u價依據(jù)，忽略了學(xué)生學(xué)習(xí)過程和個體發(fā)展。

二、以學(xué)生為主體的機(jī)器人課程模式

基礎(chǔ)教育階段，學(xué)校應(yīng)將科技教育同藝術(shù)、體育一樣作為培養(yǎng)學(xué)生全面發(fā)展的重要內(nèi)容。具體到機(jī)器人課程中，教師可將學(xué)生使用機(jī)器人技術(shù)解決生活中問題的能力提升作為教學(xué)目標(biāo)貫穿整個課程設(shè)計(jì)之中。

1.課程目標(biāo)

機(jī)器人課程教學(xué)設(shè)計(jì)的目標(biāo)為：①基于學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的要求，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新與實(shí)踐的能力。學(xué)會分析問題、解決問題，將自己的想法轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。②《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維。通過編寫程序解決機(jī)器人制作中的問題。③提升學(xué)生的科學(xué)精神。通過機(jī)器人課程讓所有學(xué)生都感受科技帶給生活、帶給自己的改變，以機(jī)器人課程推動拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)！

2.機(jī)器人課程實(shí)施設(shè)計(jì)框架

根據(jù)學(xué)校的科技教育教學(xué)特點(diǎn)，我們可以通過課上教育與課下教育相結(jié)合的方式建設(shè)多元化課程體系。筆者認(rèn)為，中小學(xué)校的機(jī)器人課程體系可以分為機(jī)器人普及性課程、機(jī)器人社團(tuán)課程、機(jī)器人研究性學(xué)習(xí)課程三種類型在學(xué)校開設(shè)：在課上，全體學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人普及性課程，培養(yǎng)所有學(xué)生的創(chuàng)新與實(shí)踐能力，提升其科學(xué)素養(yǎng)。在課下，通過機(jī)器人研究性學(xué)習(xí)活動和機(jī)器人社團(tuán)活動，培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新的學(xué)生開展進(jìn)一步的機(jī)器人研究和制作，從而將機(jī)器人普及化教育推向創(chuàng)新人才培養(yǎng)的拔尖教育。

機(jī)器人普及課程的內(nèi)容可選擇學(xué)習(xí)樂高機(jī)器人或者開源硬件，學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的機(jī)器人單片機(jī)原理知識、機(jī)械結(jié)構(gòu)和程序設(shè)計(jì);機(jī)器人社團(tuán)的課程是學(xué)習(xí)機(jī)器人競賽課程，如VEX機(jī)器人競賽課程，學(xué)生通過制作競賽機(jī)器人，深入學(xué)習(xí)競賽機(jī)器人的制作技術(shù)并參加全國機(jī)器人競賽;機(jī)器人研究性學(xué)習(xí)課程是以小組學(xué)習(xí)的形式，由學(xué)生自發(fā)提出問題，在教師的引導(dǎo)下制作機(jī)器人，通過學(xué)生自主研究解決機(jī)器人制作問題的課程。

這三種課程是相互聯(lián)系、相互促進(jìn)的。其中，機(jī)器人普及課程要面向全體學(xué)生，是課程體系的基礎(chǔ)和保證;機(jī)器人社團(tuán)課程是培養(yǎng)拔尖學(xué)生，并參與各種機(jī)器人競賽，是課程體系的發(fā)展和亮點(diǎn);機(jī)器人研究性學(xué)習(xí)課程主要面向?qū)C(jī)器人有興趣的學(xué)生，是課程體系的有力補(bǔ)充。

三、機(jī)器人課程設(shè)置

機(jī)器人技術(shù)是一門綜合學(xué)科，它包含數(shù)學(xué)、物理、電子、編程、機(jī)械等各種技術(shù)，機(jī)器人課程鼓勵學(xué)生大膽想象創(chuàng)新，運(yùn)用不同的方法和理念去解決生活中的實(shí)際問題，從而培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和創(chuàng)新思維，提升其科學(xué)精神。

1.落實(shí)普及課程，開展特色教育

信息時代，科技全面發(fā)展，對青少年的未來發(fā)展提出了更高的要求，中小學(xué)校要應(yīng)對時代發(fā)展的需求，全面培養(yǎng)中小學(xué)生的動手與實(shí)踐能力、程序設(shè)計(jì)與計(jì)算思維能力、勇于創(chuàng)新與解決問題的能力。在中小學(xué)階段，科技教育開展應(yīng)該面向每一個學(xué)生，機(jī)器人課程作為科技教育的重要組成內(nèi)容，它并不只是針對少數(shù)優(yōu)秀學(xué)生的課程，而應(yīng)讓每一名學(xué)生去學(xué)習(xí)和參與，因此機(jī)器人課程首先要實(shí)現(xiàn)校內(nèi)普及化。

什么是普及課程？它體現(xiàn)在兩個方面 ，一是要面向全體學(xué)生開設(shè)課程，二是每周要有固定的教學(xué)課時進(jìn)行授課。在普及課程內(nèi)容方面，我們要根據(jù)學(xué)校機(jī)器人教育教學(xué)情況，采用適合本地區(qū)學(xué)情的教程。筆者認(rèn)為，樂高機(jī)器人課程比較適合中小學(xué)校進(jìn)行機(jī)器人教育教學(xué)工作：①樂高機(jī)器人的學(xué)習(xí)可以鍛煉學(xué)生的動手能力與編程能力，也能夠培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神、技術(shù)能力以及數(shù)學(xué)能力。②樂高EV3機(jī)器人是樂高最新推出的智能機(jī)器人套裝，它使用積木進(jìn)行搭建，簡單易學(xué)，能夠用它搭建出復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)。并且樂高機(jī)器人使用圖形化的編程方式，對于機(jī)器人初學(xué)者來說是一個非常不錯的學(xué)習(xí)平臺。

筆者根據(jù)北京市第二中學(xué)的實(shí)際情況編寫的樂高EV3機(jī)器人教學(xué)校本教程如圖1和圖2所示。該樂高教程共有10課，教學(xué)內(nèi)容從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到程序編寫，由淺入深。在教程中鼓勵學(xué)生去想象、思考，從而建構(gòu)出自己的機(jī)器人。并且告知學(xué)生機(jī)器人的制作不是一蹴而就的，需要不斷的優(yōu)化與實(shí)踐。因此，在教程中特別設(shè)立了“優(yōu)化與改進(jìn)”一項(xiàng)，使得每一課中制作的機(jī)器人都是通過逐步改進(jìn)才最終達(dá)到理想狀況的。每一課都有問題的討論與作業(yè)的設(shè)置，讓學(xué)生主動學(xué)習(xí)、主動探究是筆者在本課程中一直堅(jiān)持的教學(xué)理念。

在機(jī)器人教學(xué)中，教師應(yīng)將教程與機(jī)器人平臺緊密地聯(lián)系起來，使用機(jī)器人平臺完成每節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)，機(jī)器人教程有以下幾方面的特征：以機(jī)器人作為授課平臺，以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)進(jìn)行課堂教學(xué)，課程中體現(xiàn)探究學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)，鼓勵學(xué)生想象與創(chuàng)新。

在課程內(nèi)容上，機(jī)器人教育主要讓學(xué)生掌握機(jī)械結(jié)構(gòu)的知識，理解單片機(jī)和傳感器的原理及使用，能夠自主編寫程序控制機(jī)器人完成各種任務(wù)。因此，機(jī)器人普及課程應(yīng)從機(jī)械結(jié)構(gòu)、單片機(jī)與傳感器以及程序設(shè)計(jì)三方面內(nèi)容進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，如表1所示，由淺入深，以基于項(xiàng)目式的教學(xué)方法循環(huán)漸進(jìn)地開展教學(xué)。

在教學(xué)方式上，每節(jié)課基于一個項(xiàng)目主題，通過項(xiàng)目的制作學(xué)習(xí)機(jī)器人相關(guān)的知識，學(xué)習(xí)方式不是被動地接受，而是主動探究，通過項(xiàng)目的制作學(xué)生主動建構(gòu)知識。通過這種方式獲得的知識，學(xué)生更容易理解和記憶。如圖3中制作的樂高機(jī)器人作品“門”，學(xué)生通過門的制作學(xué)習(xí)樂高零件的使用，學(xué)習(xí)連桿結(jié)構(gòu)的應(yīng)用;如圖4中制作的樂高機(jī)器人作品“馬”，學(xué)生通過馬的制作學(xué)習(xí)直流電機(jī)的原理以及齒輪傳動的結(jié)構(gòu)。

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)突出學(xué)生的主體地位，教師在教學(xué)過程中主要起到引導(dǎo)作用，把握教學(xué)過程和教學(xué)方向。以“門”的制作為例，這是機(jī)器人學(xué)習(xí)的初始課程，課程以生活中的門引入，讓學(xué)生仔細(xì)觀察門的組成結(jié)構(gòu)與部件，使用樂高零件制作門的結(jié)構(gòu)，然后教師引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)制作門鎖。門鎖是本節(jié)課的重點(diǎn)，學(xué)生在機(jī)器人制作的過程中發(fā)現(xiàn)問題、探究問題，實(shí)踐檢驗(yàn)，最后完成門鎖的制作。通過這一系列的學(xué)習(xí)過程，提高學(xué)生解決問題的能力，培養(yǎng)其創(chuàng)新與實(shí)踐的能力。

實(shí)踐證明，樂高課程適合中小學(xué)生或者機(jī)器人初學(xué)者學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)完課程內(nèi)容后，學(xué)生能夠基本掌握樂高機(jī)器人的搭建技巧以及程序編寫的方法，自主搭建屬于自己的機(jī)器人。

2.鼓勵學(xué)生自主探究，開展研究性學(xué)習(xí)課程

機(jī)器人研究性學(xué)習(xí)課程是機(jī)器人課程體系的有利補(bǔ)充，研究性學(xué)習(xí)活動通常是基于問題展開的，學(xué)生以小組協(xié)作的形式進(jìn)行學(xué)習(xí)、探究，最后解決問題。通常機(jī)器人研究性學(xué)習(xí)課程通過三個步驟去實(shí)現(xiàn)：確定研究課題、課題制作和研究成果。

（1）確定研究課題

研究題目的確定十分重要，我們可以從學(xué)生生活中遇到的實(shí)際問題出發(fā)，確定主題，并通過制作機(jī)器人去解決問題。以“藍(lán)牙車鎖”為例，問題的由來是因?yàn)橐幻麑W(xué)生在放學(xué)后總是找不到自己的自行車，因此他想制作一款藍(lán)牙車鎖，可以通過藍(lán)牙控制車鎖發(fā)光、發(fā)聲，這樣他就可以方便地找到自己的自行車，并且可以遠(yuǎn)程開鎖。在確定研究題目后，教師要引導(dǎo)學(xué)生撰寫開題報告，開題報告要從工具、時間、可行性等方面論證研究項(xiàng)目的可操作性。

（2）課題制作

在研究性課題確定后，根據(jù)研究時間和研究計(jì)劃開始展開機(jī)器人的制作。學(xué)生通過機(jī)器人搭建、機(jī)器人編程，最終解決研究性課題中的問題。作品制作的時間一般在1-2個月左右，以”藍(lán)牙車鎖“為例，學(xué)生制作了樂高自行車和渦輪結(jié)構(gòu)的車鎖，使用圖形化語言進(jìn)行藍(lán)牙程序的編寫，經(jīng)過調(diào)試完成藍(lán)牙車鎖的制作。圖5、6展示的是學(xué)生制作完成的藍(lán)牙自行車鎖。

機(jī)器人制作在研究性學(xué)習(xí)中占用的時間較多，只有讓學(xué)生充分掌握了簡易機(jī)器人的制作，才可以提高課題作品的制作效率，縮短機(jī)器人制作的時間，從而確保研究性學(xué)習(xí)課題的順利完成與結(jié)題。

（3）研究成果

機(jī)器人研究性學(xué)習(xí)是以解決問題為出發(fā)點(diǎn)，制作能解決生活中實(shí)際問題的機(jī)器人，以“藍(lán)牙車鎖”為例，研究成果是藍(lán)牙車鎖的實(shí)物模型和研究論文，主要包括研究背景、研究摘要、研究內(nèi)容、創(chuàng)新點(diǎn)、討論、結(jié)論6個部分的內(nèi)容。表2是北京二中教師近幾年輔導(dǎo)學(xué)生的研究課題及研究成果。

3.培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才，開展機(jī)器人社團(tuán)課程

機(jī)器人社團(tuán)課程主要利用學(xué)生的課外時間，每周開展一次活動，它就像一個小班級一樣，里面有社團(tuán)的規(guī)章制度，學(xué)生推選社長、宣傳委員、生活委員等去協(xié)助教師更好地對社團(tuán)進(jìn)行管理。機(jī)器人社團(tuán)活動的學(xué)生主要從機(jī)器人普及課程中選拔。在普及課程中，學(xué)生能夠初步了解機(jī)器人的各種知識，掌握與機(jī)器人制作相關(guān)的基本技能。教師則可以在課堂教學(xué)中發(fā)現(xiàn)“科技新苗”，在社團(tuán)中重點(diǎn)培養(yǎng)這些有特長的學(xué)生，學(xué)生在社團(tuán)活動中可以充分發(fā)揮自己的想象力，完成各種創(chuàng)意機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制作。其開展形式包括機(jī)器人競賽活動、高校專家講座、學(xué)生科技展示活動等，主要師資力量有學(xué)校專職教師、高校專家顧問、科技企業(yè)技術(shù)顧問等。

四、以學(xué)生為主體的評價量規(guī)

為保障學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，機(jī)器人課程教學(xué)需要制定詳細(xì)的量化標(biāo)準(zhǔn)，教師不但在教學(xué)過程中對學(xué)生給予關(guān)注和指導(dǎo)，而且要根據(jù)作品評價標(biāo)準(zhǔn)給出學(xué)生該課程的成績。表3是機(jī)器人課程的評價量規(guī)。

學(xué)生項(xiàng)目完成的成績=機(jī)械結(jié)構(gòu)（20%）+程序編寫（20%）+功能實(shí)現(xiàn)（20%）+實(shí)用（20%）+美觀（20%），最后的百分制成績即是每個學(xué)生的量化成績。

五、研究結(jié)論

學(xué)校開展機(jī)器人課程要實(shí)現(xiàn)課程的普及化教育和拔尖創(chuàng)新教育，二者是相互聯(lián)系、相互促進(jìn)的，兩種教育形式缺一不可，如果只有普及化教育，會使學(xué)校缺少競爭力和特色;如果只有拔尖創(chuàng)新教育，而沒有普及化教育，雖然學(xué)?？梢栽诙虝r間內(nèi)獲得競賽成績，但基礎(chǔ)不牢固，就像搖搖欲墜的高樓一樣，有可能隨時坍塌。

引入機(jī)器人教育必將給中小學(xué)校科技教育加入新的科技“土壤”，成為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和信息素養(yǎng)的優(yōu)秀平臺。將機(jī)器人教育教學(xué)活動作為重要的科技教育元素注入到學(xué)校文化當(dāng)中，豐富學(xué)校的科技教育活動，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)生的全面發(fā)展和個性化發(fā)展。讓每一位學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人課程知識，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新與實(shí)踐的能力，提升其科學(xué)精神，同時推動拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯：魯利瑞）