北京景山學校機器人普及性教學的發(fā)展脈絡(luò)

編者按：在科技發(fā)展日新月異的今天，信息技術(shù)教學已經(jīng)遠離了開、關(guān)機還需要反復講解的時代，三歲孩童熟練地擺弄著iPad已非奇事。自策劃了“Scratch來了”這一專題之后，編輯深刻感受到研究程序語言的老師的可愛，他們的執(zhí)著、他們的探索，使得程序教學不再那么枯燥，煥發(fā)出勃勃生機。因此，雜志特別策劃了這一專欄，將陸續(xù)刊發(fā)一些程序教學領(lǐng)域有代表性的教學實踐。也期待更多老師投身到程序教學中去，通過自身的踐行，推動程序教學的復興。

機器人教學基本上可以分為程序設(shè)計和結(jié)構(gòu)搭建兩部分，因此機器人是程序教學的一個有效的教學載體。所以，本文將以景山學校十余年的教學研究為切入點，從一個側(cè)面反映程序教學在機器人普及教學中的發(fā)展歷程。

2000年5月，學校率先派教師參加了智能機器人的培訓，隨后開始在學生中開展智能機器人的科技活動，我們就將機器人作為信息技術(shù)理想的教學工具來使用。由于信息技術(shù)包含感測和控制技術(shù)，但是傳統(tǒng)的計算機并不能涵蓋感測與控制技術(shù)的學習內(nèi)容，因此機器人的出現(xiàn)，有力地填補了這方面的空白。機器人可以是很好的程序教學的平臺，在景山學校，機器人的教學一直是以大班教學為主，課外活動為輔，圖1是2002年的機器人大班授課的場景。

總的來說，景山學校的機器人普及課程經(jīng)歷了普及實驗、課程探索、深化教學、模式創(chuàng)生四個階段，現(xiàn)在重新梳理這幾個階段，或許對今后政策的制定具有一定的借鑒意義。

● 普及實驗

2000年開始，沙有威老師開始在學校的計算機愛好者協(xié)會中創(chuàng)辦機器人協(xié)會，并且開展了一系列的機器人教學的普及實驗（見下頁表1）。

2003年10月，學校經(jīng)過三年的實驗完成了《在中小學校開展智能機器人的普及教育》的課題實驗，為實現(xiàn)“從北京景山學校畢業(yè)的學生都要接受過智能機器人教育”的實驗目標打下了堅實的基礎(chǔ)，經(jīng)過近三年的實踐和研究，在2003年結(jié)題時基本上完成了預期的研究目標，在有些問題的研究上還超出了預期的目標，取得了卓越的研究成果。

結(jié)題報告指出要以前瞻性理念看待信息技術(shù)教育的發(fā)展、要處理好信息技術(shù)教育與智能機器人課程的關(guān)系，今后應該將普及智能機器人的教育納入學校教育實驗，將智能機器人普及教育實踐作為主要的研究內(nèi)容，在學生科技活動、課程的教材、市區(qū)級的研究課等多個平臺推動機器人教育教學的發(fā)展。后文的參考文獻列出了這期間北京景山學校教師撰寫的智能機器人教育論文，闡述了彼時對中小學智能機器人教育的基本觀點和認識。在完成了第一階段教學實驗之后，2003年新學期一開始，我們的研究進入到了新的階段——教材探索。

● 課程探索

沿著以校本研究促進課程建設(shè)的思路，在完成《在中小學校開展智能機器人的普及教育》課題之后，我們開始了《信息技術(shù)教育中的智能機器人課程的研究與實驗》項目，試圖將信息技術(shù)中應用信息技術(shù)教學的課程模式和教材資源做細做實（見表2）。

2008年，我們通過教學實驗完成了小學高年級、初中和高中的機器人普及教材的課程建設(shè)，兩本教材正式出版，其中清華大學出版社出版的初中三年級下冊教材，選用VJC仿真版作為教學軟件，以仿真機器人完成模擬的走迷宮、滅火任務(wù)為核心內(nèi)容，結(jié)合了當時機器人比賽的教學需求，這個講法，成為這一階段主要的機器人普及課程的授課模式，在全國信息技術(shù)教學比賽和各種公開課中都曾多次出現(xiàn)。接下來，我們圍繞著高中研究性學習和人工智能模塊，展開了對機器人教學的深入方式的研究，既然學生在小學和初中已經(jīng)接受了機器人的基礎(chǔ)知識的學習，到了高中，機器人的教學就應該是深化。從2007年7月到2012年2月，我們以高中人工智能模塊課程的建設(shè)為突破口，探索了機器人深化教學的多種模式。這種模式的核心是用機器人作為提升學生編程水平和培養(yǎng)算法思維的思路。

● 課程深化

從2007年開始，吳俊杰老師逐步接手機器人課程。吳老師是北京較早講授高中人工智能選修模塊的教師，加之其物理學的背景，更使其教學側(cè)重于機器人的原理和算法層次的講解，試圖藉由人工智能的教學來深化高中機器人教學。

在算法層面上，我們立足于地圖出版社的人工智能教材，將其中的搜索、遞歸、模式識別的算法和機器人課程結(jié)合起來，李卓老師的公開課《人工智能初步》和吳俊杰老師的公開課《蟻群算法在路徑規(guī)劃中的應用》在當時人工智能教學界都產(chǎn)生了較大的影響。

此外，將機器人作為科學實驗的儀器也是這個階段的一個亮點。自沙有威老師2000年接觸機器人教育之始，沙老師就注意到國外有機器人用于科學實驗的教學案例，如測定一個單擺的周期等實驗。從2009年開始，我們在六年級開設(shè)了數(shù)字科學課程，將機器人作為感測設(shè)備來研究科學問題。

最后，在教授機器人的過程中，我們已經(jīng)不滿足于使用某家機器人公司的產(chǎn)品，而開始與機器人公司合作開發(fā)適合于信息技術(shù)教學的機器人硬件。2008年7月，學校與北京博雅創(chuàng)世科技有限公司開發(fā)的VB帶線機器人獲得全國科技創(chuàng)新大賽輔導員發(fā)明項目一等獎，接下來我們陸續(xù)和教育部教學儀器研究所、上海未來伙伴機器人有限公司、美國國家儀器（NI）有限公司、樂高公司建立了硬件測試與研發(fā)的項目，讓研究型教師的創(chuàng)造性勞動深入到機器人產(chǎn)品的開發(fā)和教程制作的過程中來，借公司的力量推動學校的課程和教學理念。

這個階段結(jié)束于吳俊杰老師于2011年1月至2012年2月在《教學儀器與實驗》發(fā)表的樂動Scratch互動教學平臺應用于研究的系列文章，這些文章確定了智能機器人設(shè)備作為感測與控制技術(shù)實驗儀器的基本思路，確定了機器人普及教學課程深化的主要方向。

● 模式創(chuàng)生

從2012年3月開始，信息技術(shù)教研組開展了新一輪的機器人課程實驗，依托教研組的校本課題《基于工程藝術(shù)和研究的技術(shù)學習的理論和課程研究》，我們將機器人課程定位為程序課程的教學輔助裝置、感測與控制技術(shù)的教學儀器，創(chuàng)意藝術(shù)類課程的輔助工具，STEM綜合課程的有力載體，將機器人滲透到信息技術(shù)教學的各個方面，期望能夠形成覆蓋信息技術(shù)全學段的機器人作為一種教學儀器出現(xiàn)的課程體系。

1.機器人與程序教學

學校是國內(nèi)較早開展Scratch語言教學的學校，Scratch支持的wedo馬達和傳感器板都是比較好的程序教學的輔助裝置。

2.感測與控制技術(shù)

機器人是感測與控制技術(shù)的主要教學儀器，感測與控制技術(shù)的基本課程結(jié)構(gòu)，是通過感測技術(shù)掌握信息技術(shù)的基本概念和程序編寫的一般思路，通過多種應用情境來學習控制技術(shù)（見表3）。在感測與控制技術(shù)當中，機器人被當作重要的教學儀器。

在這一課程中，第一單元前4課針對編程零起點的學生補充了程序設(shè)計的基本知識，隨后的內(nèi)容采用信息技術(shù)實驗的思路，分三個單元將感測技術(shù)、一個單元將控制技術(shù)及機器人作為教學儀器使用，我們還為此專門研發(fā)了帶馬達的Scratch傳感器板——樂動板，用于普及教學，考慮到部分地區(qū)使用硬件教學的成本問題和學生回家完成作業(yè)的問題，我們還開發(fā)了樂動板的仿真環(huán)境（如圖2），相關(guān)課程將會在教育創(chuàng)客上開源。目前，計算機已經(jīng)進入了普及階段，不但學校中有機房，大部分學生家中也有計算機，在這種情況下，如何推動機器人課程的深入開展，學校做了大量的工作，這種工作將會以“數(shù)字景山網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟”等多種形式向全國輻射。

回顧學校機器人課程開展的歷程，我們發(fā)現(xiàn)，作為“三個面向”的發(fā)源地，中國最早開設(shè)計算機課程的學校——北京景山學校信息技術(shù)教研組的全體教師從一線教學出發(fā)，從機器人的普及課程的教材、課程、教法等多個角度做了十余年踏踏實實的工作。前人栽樹、后人乘涼，作為中國最早的一批在中學講授機器人的老師，沙有威老師于2012年又開始了自駕游義務(wù)推廣機器人的支教行動，可謂老驥伏櫪，志在千里。而作為信息技術(shù)類課程的橋頭堡，機器人課程的研究還需要深入，需從感測與控制技術(shù)的角度將機器人課程體系化，進而提升信息技術(shù)學科的學科地位。

參考文獻：

[1]讓智能機器人教育走進中小學校[EB/OL].[2001-04-05].http：//blog.sina.com.cn/s/blog_3efe52770100b0vw.html .

[2]在北京景山學校開展智能機器人普及教育實驗的建議[EB/OL].[2001-04-07].http：//blog.sina.com.cn/s/blog_3efe52770100b18t.html .

[3]智能機器人課程與程序設(shè)計教學[EB/OL].[2002-03-17].http：//blog.sina.com.cn/s/blog_3efe52770100b18x.

[4]中小學信息技術(shù)教育的新載體——智能機器人[EB/OL].[2002-06-25].http：//blog.sina.com.cn/s/blog_3efe52770100b18z.html

[5]中小學信息技術(shù)教育與智能機器人課程[EB/OL].[2003-10-11].http：//blog.sina.com.cn/s/blog_3efe52770100b194.html .

[6]北京景山學校開展智能機器人普及教育試驗的建議[EB/OL].[2001-04].http：//www.bjjsschool.net/xxyd/JQR/lunwen/05lunwen.html.

[7]初中機器人教學系統(tǒng)設(shè)計綱要[EB/OL].[2003-02].http：//blog.sina.com.cn/s/blog_3efe52770100b19v.html.

[8]初中機器人學習園地[EB/OL].[2003-02-05].http：//www.bjjsschool.net/xxyd/JQR/CHZHJC/chzhjc-index.html.

[9]機器人研究性學習的教學系統(tǒng)設(shè)計綱要[EB/OL].[2003-09].http：//blog.sina.com.cn/s/blog_3efe52770100b19v.html.

[10]邊學邊做智能機器人學習園地[EB/OL].[2003-09].http：//www.bjjsschool.net/xxyd/JQR/XMJJ/bxbz-index.html.

[11]在中小學校開展智能機器人的普及教育[EB/OL].[2003-10].http：//www.bjjsschool.net/xxyd/JQR/lunwen/10lunwen.html .

[12]數(shù)字景山網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟[EB/OL].http：//wm.szjs.org/

[13]教育創(chuàng)客[EB/OL].http：//www.edumaker.org