中小學機器人教育課程解讀

☆鐘志強 張毅寧

（鞍山師范學院物理科學與技術學院，遼寧鞍山 114007）

據(jù)教育部《中小學信息技術課程指導綱要（試行）》（教基[2000]35號），中國教育學會中小學信息技術教育專業(yè)委員會《中小學信息技術課程指導綱要（試行）》解讀，《中小學機器人課程指導綱要（征求意見稿）》（2004年12月）國內(nèi)專家學者有關研究，經(jīng)鞍山市中小學生機器人教學調(diào)研，鞍山師范學院2012校級科研項目之《鞍山市中小學生機器人教育問題與對策》課題組認為：人工智能技術是信息技術發(fā)展的一次重大飛躍，信息技術教育未來發(fā)展的趨勢必然是向機器人教育重心轉(zhuǎn)移。人工智能機器人教學集中承載著中小學信息技術教育的諸多核心價值，是全面培養(yǎng)學生信息素質(zhì)、提高其創(chuàng)新精神和綜合實踐能力的良好載體。中小學機器人教育是以現(xiàn)有教育機器人產(chǎn)品的程序設計為核心，以培養(yǎng)學生邏輯思維為主線，通過研究性學習的教學實踐活動，完成多學科教學內(nèi)容的學習，最終實現(xiàn)培養(yǎng)創(chuàng)新人才教學目標。課題組初步確定其研究成果之課程體系的課程性質(zhì)、目標、對象、內(nèi)容。誠咨國內(nèi)同仁、中小學機器人教育一線教師意見。

一、課程性質(zhì)

事物的性質(zhì)是事物本身所具有的與他事物不同的外部特征，也是反映與其他事物間存在各種關系的事物的各種屬性和把這種事物與其他事物區(qū)別開來的本質(zhì)屬性[1]。課程性質(zhì)是指該課程表現(xiàn)的課程內(nèi)容的基本狀況，反映其所在學科體系的位置或作用，是與其他課程區(qū)別的本質(zhì)特征。

中小學機器人教育與大學機器人教育區(qū)別較大。大學機器人教育列入了人工智能、自動化等相關專業(yè)的課程之中。機器人學科教學是指把機器人學看成是一門科學，其內(nèi)容涉及機器人學的概況、數(shù)理基礎、運動學、動力學、位置和力控制、高級控制、傳感器、高層規(guī)劃、軌跡規(guī)劃、程序設計等內(nèi)容[2]。

當前，信息技術、通用技術、綜合實踐等課程已經(jīng)是我國中小學教育的重要組成部分，但在課程內(nèi)容的選取上，明顯缺乏前瞻性和有效培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和綜合實踐能力的針對性（2008,郭善渡）。例如：目前中小學各學段的信息技術課程，絕大部分內(nèi)容是Office等應用軟件的使用。有人譏諷這是在為微軟公司辦培訓班，背離了基礎教育的宗旨。中小學機器人教育課程的核心是智能技術，其外延則涵蓋了機械制造、電子通訊、生物仿真等多個學科和技術領域。從信息技術的內(nèi)涵講，應主要包括傳感技術、程序設計等方面。

二、課程目標

中小學機器人教育課程是為了進一步落實信息技術教育的選修課程，以培養(yǎng)學生良好的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新精神和實踐能力為主要目標。機器人教育以培養(yǎng)學生邏輯思維為主線，以綜合性、實踐性和探究性為學習特征。不要求學生立刻參加各種機器人競技大賽和將來投身機器人開發(fā)行業(yè)，而是培養(yǎng)學生對智能機器人的興趣，讓學生了解和掌握以智能機器人為載體的通用技術與信息技術的基本知識和技能，了解技術的發(fā)展及其應用對人類生活和科學的深刻影響。還要使學生學會運用信息技術增進交流與合作，拓展視野，形成解決實際問題的能力和終身學習的能力[3]。

三、教學對象

機器人教育教學對象是對機器人制作感興趣的四年級開始的小學生、初中生。不同階段的學生，其認知水平不同，要實施機器人教育，必須根據(jù)不同階段的學生分析其認知發(fā)展規(guī)律。著名的兒童教育學家和心理學家皮亞杰認為[4]：兒童的認知是由他自身與外部世界不斷地相互作用而逐漸形成的一種結(jié)構。以運演（operation）作為標志，可以把兒童的認知發(fā)展過程劃分為四個階段。感知運動階段（0至2歲），前運演階段（2至6歲），具體運演階段(7至11歲)，形式運演階段（11／12進入）。運演并非指形式邏輯中的運演和一般數(shù)學上的運演，而是指心理運演，即指對表象、概念等符號表征系統(tǒng)在心理上進行的、內(nèi)化了的操作。

小學三年級前，由于兒童認知發(fā)展在具體運演階段，心理操作已有可逆性與守恒性，但還離不開具體事物的支持,心理操作的內(nèi)容與形式還不能分開,尚處于低級的階段。所以，不建議開設機器人教育課程。小學三年級后（一般都在10歲后），兒童認知在形式運演階段，心理操作已經(jīng)脫離具體事物的束縛,內(nèi)容與形式之間已完全區(qū)分,運演已達到可以通過命題和假設來進行的高級階段。此時，開設機器人教育課程合乎學生認知發(fā)展水平。

機器人課程教學對象不特別針對智力超常生，愛好特長生，沒有學校學習成績限制。學習成績會影響課程內(nèi)容學習速度，不會影響學習的發(fā)生和最終結(jié)果。

四、教學目標和內(nèi)容

1.小學階段（四年級開設）教學目標

（1）了解機器人的應用，學習簡易機器人的組裝，培養(yǎng)學習使用機器人的興趣。

（2）了解機器人的基本工作原理，學習各種機械傳動裝置、常見傳感器和通訊方式的基礎知識和使用技能。

（3）掌握機器人運動相關數(shù)學知識。如：角度分類與測量，基本幾何圖形的性質(zhì)等。拓展形象思維和直覺思維訓練。

（4）初步掌握學習圖形化編程語言。如：會編寫具有變量、函數(shù)、循環(huán)和判斷語句的簡單程序指揮機器人做預定的動作。培養(yǎng)邏輯思維能力。

（5）在學習和使用智能機器人時學會與他人合作，遵守游戲規(guī)則。

（6）在教師的指導下，自行開發(fā)簡單機器人程序。培養(yǎng)創(chuàng)新意識。

2.小學階段教學內(nèi)容

小學階段機器人教學內(nèi)容納入信息技術或綜合實踐課，可使用 20～40學時；使用 LEGO＿MINDSTORM＿NXT教學機器人并利用MINDSTORM＿NXT圖形化編程語言實現(xiàn)以下教學內(nèi)容。機器人小車搭建查看其使用說明。具體內(nèi)容如表1。

表1 小學階段機器人教學內(nèi)容

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3.中學階段（初中）教學目標

（1）了解智能機器人的發(fā)展變化及其對工作和社會的影響。

（2）掌握機械傳動裝置、常見傳感器和通訊方式的協(xié)同工作的方法；初步了解機器人多機協(xié)同工作的工作原理。

（3）能夠綜合運用與機器人完成任務相關的物理學知識。如：力，速度，距離，摩擦力，慣性，杠桿等。加強邏輯思維培養(yǎng)。

（4）初步掌握代碼語言（java或c語言）基本原理和過程，會編寫簡單語言程序指揮機器人做預定的動作。

（5）在合作學習的基礎上，能夠獨立查閱相關資料結(jié)合任務完成研究性學習，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。

4.中學階段教學內(nèi)容

中學階段機器人教學內(nèi)容納入信息技術或綜合實踐課，可使用 20～40學時；使用 LEGO＿MINDSTORM＿NXT教學機器人，并以LeJOS NXJ編程語言為主完成教學內(nèi)容。機器人小車搭建查看其使用說明。具體內(nèi)容如表2。

表2 中學階段機器人教學內(nèi)容

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以上二個階段共二十個模塊層級遞進，綜合考慮學生的心智發(fā)展和其它學科學習狀況，在教學知識體系和操作方法上設計前后有序。教學題目由教師演示，并由學生模仿完成；教學作業(yè)與同主題教學目標知識認識水平相當。在教師幫助提示下，盡可能經(jīng)學生自主研究完成；備用教案使用目的是根據(jù)學生學習速度調(diào)整學習內(nèi)容,并且開闊機器人對應模塊技術運用眼界?？紤]學習的器材供應量和學生學習的速度亦可適當延長課時。

五、下一步工作

目前，中小學機器人教育的開展,在一定程度上是由教育機器人企業(yè)在推動。雖然企業(yè)為此做出的貢獻應當予以肯定,但隨著機器人教育的逐漸深入與普及,目前亟需教育行政部門、教學研究機構給予充分的關注、協(xié)調(diào)與引導，并加強校本課程建設和自身師資力量的培養(yǎng)[5]。本次研究力求明晰課程目標，完善教學內(nèi)容，其評價方式也在探討中。行經(jīng)實踐的檢驗后教材的編寫、教學設計的探索也將接踵而來。機器人教學對學生學業(yè)水平的提高正在進一步的分析論證。同時，師范院校機器人教學的課程培養(yǎng)方案也在籌劃和實驗中。

[1]肖前.馬克思主義哲學原理[M].北京:中國人民大學出版社,2004.

[2]蔡自興.機器人學[M].北京:清華大學出版社,2000.

[3]王曉蕪.智能機器人教育探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)新模式[N].中國教育報,2010－06－18,(3).

[4]J.Piaget.The Principles of Genetic Epistemology[M].London:Rout ledge＆Kegan Paul Ltd,1972.

[5]張劍平,王益.機器人教育的現(xiàn)狀、問題與推進策略[J].中國電化教育,2006,(12):65－68.