基于學(xué)校機(jī)器人課程教學(xué)下的編程校本課程開發(fā)研究

宋鵬飛

摘 要：當(dāng)代科學(xué)技術(shù)取得了巨大的發(fā)展，機(jī)器人與人工智能相結(jié)合，機(jī)器人已經(jīng)從工業(yè)的研究和應(yīng)用拓展到教育領(lǐng)域，開創(chuàng)了中小學(xué)綜合實(shí)踐課程與信息技術(shù)課程的創(chuàng)新教育平臺(tái)，推動(dòng)了信息技術(shù)教育的發(fā)展。就虛擬機(jī)器人的校本課程開發(fā)和其給中小學(xué)教育帶來(lái)的影響做出了詳細(xì)的論述，并對(duì)此提出了一些建議和措施。

關(guān)鍵詞：學(xué)校;機(jī)器人;校本課程開發(fā)

一、機(jī)器人的概念[1]

目前，按價(jià)格從低到高可以找到的機(jī)器人有虛擬機(jī)器人、低成本實(shí)體機(jī)器人、高端實(shí)體機(jī)器人三種。低成本實(shí)體機(jī)器人比高端實(shí)體機(jī)器人的價(jià)格要低得多，但其仍處于發(fā)展初期，各種軟硬件并不完善。所以要想在促進(jìn)機(jī)器人教育普及的同時(shí)降低學(xué)校的支出，學(xué)校最好是應(yīng)用虛擬機(jī)器人作為機(jī)器人的教育載體。虛擬機(jī)器人教學(xué)指的是在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)、搭建、制作機(jī)器人編程，并不需要機(jī)器人硬件，因此虛擬機(jī)器人的成本是相對(duì)較低的，有利于其推廣教育。

二、機(jī)器人課程教學(xué)和教育的主要形式[2]

第一，通過(guò)少科站、少年宮、學(xué)校等單位招攬機(jī)器人愛(ài)好者成立代表地區(qū)參加各類競(jìng)賽活動(dòng)的虛擬機(jī)器人小組。這個(gè)方法可以最為有效地在中小學(xué)教育中加入虛擬機(jī)器人教學(xué)。

第二，在綜合實(shí)踐活動(dòng)課中加入虛擬機(jī)器人技術(shù)學(xué)習(xí)。

第三，在中小學(xué)信息技術(shù)教育課程中加入虛擬機(jī)器人，目前這種形式還處于形成期，一切都在起步階段，例如課程的常規(guī)性開設(shè)與教材的編寫。

第四，虛擬機(jī)器人教育以研究性課程的形式進(jìn)入中小學(xué)，學(xué)生的創(chuàng)新能力在這種形式下會(huì)得到很好的鍛煉。

三、機(jī)器人課程教學(xué)對(duì)學(xué)校教育的影響

1.促進(jìn)教育方式的變革

機(jī)器人教育課堂的中心是學(xué)生，教師在其中是引導(dǎo)者的角色，要為學(xué)生提供學(xué)習(xí)資料與建議，學(xué)習(xí)知識(shí)時(shí)需要學(xué)生自身的努力來(lái)構(gòu)建知識(shí)體系，提升創(chuàng)新思維能力與動(dòng)手能力。

2.有效激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、動(dòng)機(jī)

教育所追求的目標(biāo)是“寓教于樂(lè)”，這也在一定程度上推動(dòng)了教育游戲成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)，所以對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)學(xué)習(xí)興趣至關(guān)重要[3]。通過(guò)機(jī)器人教育比賽使學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)機(jī)器人更加充滿興趣，學(xué)生在得到周圍環(huán)境的贊賞與認(rèn)可后也會(huì)更加具備學(xué)習(xí)的熱情與斗志。

3.擴(kuò)大知識(shí)面，轉(zhuǎn)換思維方式

培養(yǎng)大局意識(shí)與空間思維能力。學(xué)生在進(jìn)行機(jī)器人的學(xué)習(xí)時(shí)解決了各種搭建機(jī)器人遇到的實(shí)際問(wèn)題，由此學(xué)到了力學(xué)模擬、電路等方面的知識(shí)，在促進(jìn)計(jì)算機(jī)學(xué)科、物理學(xué)科等教學(xué)的同時(shí)還擴(kuò)展了學(xué)生的科學(xué)知識(shí);在為機(jī)器人編寫程序的過(guò)程中，學(xué)生學(xué)到了算法、計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言等顯性知識(shí)，也學(xué)到了系統(tǒng)思維、邏輯判斷思維這些科學(xué)而高效的思維方式，這是隱性知識(shí)。通過(guò)虛擬機(jī)器人來(lái)將夢(mèng)想完成的過(guò)程中一定會(huì)經(jīng)歷三個(gè)過(guò)程，即提出問(wèn)題、分析問(wèn)題與解決問(wèn)題[4]，同時(shí)學(xué)生會(huì)不斷地進(jìn)行自我反思，使自己觀察、思考問(wèn)題更加全面、更加有高度。搭建機(jī)器人能夠在訓(xùn)練學(xué)生空間思維能力的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力與大局觀。

4.培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力

機(jī)器人教育通常是以小組的形式進(jìn)行，機(jī)器人的學(xué)習(xí)和競(jìng)賽也是一個(gè)小組共同學(xué)習(xí)的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中學(xué)習(xí)者要多進(jìn)行科學(xué)有效的溝通，團(tuán)結(jié)協(xié)作，包容他人的缺點(diǎn)與不同之處。相對(duì)于普通的教育方式而言，在這種實(shí)踐鍛煉活動(dòng)中學(xué)習(xí)者能夠更好地提升自己的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

5.培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

在當(dāng)今社會(huì)中唯有創(chuàng)新，方能進(jìn)步，虛擬機(jī)器人技術(shù)恰恰具備創(chuàng)新性強(qiáng)、科技含量高的特點(diǎn)。在開發(fā)虛擬機(jī)器人校本課程，學(xué)生可以依照個(gè)人想法盡情地拼裝心中所想的機(jī)器人模型，教師對(duì)學(xué)生按照個(gè)人的想法去拼裝機(jī)器人的過(guò)程要注意對(duì)學(xué)生多加鼓勵(lì)，思考與眾不同的方法，培養(yǎng)他們的探索意識(shí)，對(duì)學(xué)生具備創(chuàng)意的想法和做法給予大力支持，培養(yǎng)鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新精神與創(chuàng)新能力，提升他們的綜合能力。

四、組織學(xué)生學(xué)習(xí)校本課程的建議和措施

1.培養(yǎng)學(xué)生的主體性[5]

在對(duì)編程進(jìn)行調(diào)試的過(guò)程當(dāng)中，必須保證每位學(xué)生都參與到活動(dòng)當(dāng)中，要重視學(xué)生的參與性，讓學(xué)生在活動(dòng)中進(jìn)行自我發(fā)現(xiàn)、自我探究，培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)性。與此同時(shí)，老師要注重學(xué)生體驗(yàn)、實(shí)踐和感悟的過(guò)程，重視學(xué)生的個(gè)性、探索能力、實(shí)踐能力、研究能力的培養(yǎng)。

2.發(fā)揮教師的主導(dǎo)性

相關(guān)老師在進(jìn)行機(jī)器人教學(xué)的過(guò)程當(dāng)中，因?yàn)楸旧碚n程具有很高的靈活性，并且操作過(guò)程比較困難，所以老師在課程當(dāng)中必須起到主導(dǎo)作用。將復(fù)雜的問(wèn)題通俗易懂化，將理論方面的指導(dǎo)變成相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)，最后通過(guò)引導(dǎo)的方式讓學(xué)生自己進(jìn)行實(shí)踐，并將實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行展示。在教學(xué)的過(guò)程當(dāng)中，要求老師要做好充分的課前準(zhǔn)備。

3.培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神，注重小組合作

學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)器人的課程當(dāng)中，因?yàn)槊總€(gè)學(xué)生的編程能力以及動(dòng)手能力都是不同的，所以老師在教學(xué)的過(guò)程當(dāng)中除了要兼顧學(xué)習(xí)好的學(xué)生之外，還要充分幫助學(xué)習(xí)有困難的學(xué)生，讓他們更深入地進(jìn)行學(xué)習(xí)。一般來(lái)說(shuō)，老師需要將學(xué)生分成若干個(gè)小組，通過(guò)組建固定的學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究。

4.使用靈活多樣的教學(xué)方法

老師在教學(xué)的過(guò)程當(dāng)中，需要根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容，采用不同的教學(xué)方法，一般包括項(xiàng)目引導(dǎo)、直觀展示、小組討論以及靈活選取講義等方法，通過(guò)這種方式來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

5.完善課堂評(píng)價(jià)方式，讓學(xué)生體驗(yàn)成功的樂(lè)趣

老師在進(jìn)行教學(xué)的過(guò)程當(dāng)中，對(duì)每一位學(xué)生都要采取同樣的態(tài)度，多方位地重視學(xué)生的學(xué)習(xí)，減少對(duì)結(jié)果的重視。與此同時(shí)，當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)出現(xiàn)進(jìn)步或者實(shí)踐成功的時(shí)候，老師都必須給予一定的表?yè)P(yáng)和鼓勵(lì)，通過(guò)這種方式來(lái)讓學(xué)生充分感受到成功的快樂(lè)。這種快樂(lè)的心情會(huì)激發(fā)他們學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，讓他們更主動(dòng)地去學(xué)習(xí)。

6.借力IRobotQ3D，打造校本課程

自從IRobotQ3D軟件被開發(fā)出來(lái)之后，逐漸實(shí)現(xiàn)了校本課程的愿望。對(duì)于IRobotQ3D軟件來(lái)說(shuō)，除了可以提供豐富真實(shí)的場(chǎng)景之外，還可以提供更多的機(jī)器人圖鑒，很大程度上可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互動(dòng)模式。對(duì)于一個(gè)老師來(lái)講，通過(guò)該軟件不僅可以讓學(xué)生更真實(shí)地感受到機(jī)器人的組件，還可以通過(guò)設(shè)置場(chǎng)景來(lái)讓學(xué)生進(jìn)行練習(xí)、比賽等，通過(guò)實(shí)踐的方式，學(xué)生有了更廣闊的創(chuàng)造空間以及發(fā)揮空間。與此同時(shí)，對(duì)于虛擬機(jī)器人的課程開發(fā)來(lái)說(shuō)，一定意義上還可以延伸到學(xué)生的生活當(dāng)中，不管學(xué)生在什么地方，只要可以上網(wǎng)，就能夠?qū)崿F(xiàn)課程練習(xí)。

五、機(jī)器人編程校本課程開發(fā)實(shí)例

1.中小學(xué)機(jī)器人課程的研發(fā)

（1）中小學(xué)學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)

本篇文章針對(duì)沈陽(yáng)大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)學(xué)校的在校學(xué)生以及校外學(xué)生特點(diǎn)進(jìn)行了研究，為編輯適合學(xué)生自身特點(diǎn)的機(jī)器人教材提供了依據(jù)。與此同時(shí)，還調(diào)研了中學(xué)生的文化課程，并且將英語(yǔ)、數(shù)學(xué)、物理等學(xué)科知識(shí)加入到了教程當(dāng)中，通過(guò)這種方式讓相關(guān)教材變得更通俗易懂，學(xué)生更能理解接受。并且，我們采用自編的教程，為沈陽(yáng)大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)學(xué)校的在校學(xué)生創(chuàng)辦了機(jī)器人的教本課程，再結(jié)合相應(yīng)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)實(shí)踐的結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。我們通過(guò)評(píng)價(jià)和總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)課程存在的問(wèn)題提出了相應(yīng)的解決策略，希望為以后的教學(xué)活動(dòng)可以提供參考。

本篇文章通過(guò)了大量的研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隨著科技的快速發(fā)展，機(jī)器人教育在很大程度上可以開發(fā)孩子的智力，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。我們以沈陽(yáng)大學(xué)附屬實(shí)踐基地作為依據(jù)，研發(fā)了中小學(xué)機(jī)器人的校本課程，一定程度上可以促進(jìn)其他相關(guān)信息技術(shù)課程的發(fā)展，從而更好地和國(guó)際接軌。對(duì)于沈陽(yáng)大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)學(xué)校來(lái)說(shuō)，本身就是一個(gè)很好的實(shí)踐平臺(tái)，擁有齊全的硬件設(shè)施和軟件設(shè)施，并且擁有進(jìn)行授課的機(jī)器人教室，4套樂(lè)高機(jī)器人以及4臺(tái)電腦。為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供了良好的環(huán)境。

（2）中小學(xué)機(jī)器人課程的研發(fā)內(nèi)容

我們對(duì)機(jī)器人的教學(xué)課程以及教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行了大量的研究，收獲了大量的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)以及研究成果，并且我們正在嘗試將其他學(xué)科的知識(shí)融入機(jī)器人教學(xué)當(dāng)中，并且提出了學(xué)科機(jī)器人的理念，編寫了《學(xué)科機(jī)器人教程》。相關(guān)老師在教學(xué)的過(guò)程中，通過(guò)融合數(shù)學(xué)、物理、英語(yǔ)等課程，很大程度上可以幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)。例如，采用機(jī)器人教學(xué)的方式來(lái)為學(xué)生展示力、速度、功率以及能量之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，并且機(jī)器人教學(xué)可以讓學(xué)生更加了解輸入輸出端的設(shè)備、編程以及控制，除此之外，還可以讓學(xué)生有充分思考空間和實(shí)踐空間。對(duì)于機(jī)器人課堂來(lái)說(shuō)，主要受到西方教育的啟發(fā)，加大了對(duì)學(xué)生動(dòng)手操作機(jī)會(huì)的重視。在課堂當(dāng)中，老師起到的是指導(dǎo)作用，學(xué)生才是課堂的主體，通過(guò)教師的有效引導(dǎo)，可以培養(yǎng)學(xué)生探索知識(shí)的能力。因此，我們將沈陽(yáng)大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)學(xué)校作為基地，開設(shè)了機(jī)器人的校本課程，同時(shí)在機(jī)器人教育課程當(dāng)中融合了物理、數(shù)學(xué)以及英語(yǔ)等課程的知識(shí)，很大程度上提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)。

除以上所述之外，我們也經(jīng)生活中的一些常識(shí)、現(xiàn)象加入到了機(jī)器人的教學(xué)過(guò)程當(dāng)中，例如蝌蚪是通過(guò)什么樣的方式變成青蛙的;植物是通過(guò)什么方式授粉的等，并且，我們也將物理當(dāng)中抽象的概念加入到了機(jī)器人的教學(xué)當(dāng)中，例如什么是速度;什么又是力等等，通過(guò)這種方式充分刺激學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主的學(xué)習(xí)，提高動(dòng)手操作的能力，從而幫助學(xué)生提高自身的素質(zhì)。

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注：本文系蘭州市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2018年度規(guī)劃課題《基于學(xué)校機(jī)器人課程教學(xué)下的編程校本課程開發(fā)研究》（課題立項(xiàng)號(hào)：LZ[2018]GH670）的研究成果。