構(gòu)建“中學(xué)機器人校本課程”的實踐研究

高山

摘要：機器人技術(shù)是一門綜合學(xué)科，它包含數(shù)學(xué)、物理、電子、編程、機械等各種技術(shù)。在中小學(xué)機器人教學(xué)中，鼓勵學(xué)生大膽想象，運用不同的方法和理念去解決生活中的實際問題，從而培養(yǎng)學(xué)生的計算思維和創(chuàng)新思維，提升其科學(xué)精神。文章詳細講述了學(xué)校機器人教育開展的課程框架模式、課程設(shè)置、課程實施，構(gòu)建了中小學(xué)機器人教育體系，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)校進行機器人科技教育提供了充分的理論和實踐基礎(chǔ)，對學(xué)校機器人教育普及和創(chuàng)新人才培養(yǎng)有一定的參考作用。

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

中圖分類號： G433 ? ? ? 文獻標志碼：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)新實踐和科學(xué)精神。科技的發(fā)展要從科技教育入手，要從娃娃學(xué)起，機器人教育可以讓學(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、編程能力和團隊合作能力。中小學(xué)機器人教育落地到中小學(xué)校課程當中還存在不少問題，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，對校內(nèi)機器人課程設(shè)置、課程內(nèi)容、課程評價等方面進行了深入的探索和研究。

一、中小學(xué)機器人教育的現(xiàn)狀和問題

機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)新與實踐能力、計算思維能力和協(xié)作能力?！镀胀ǜ咧型ㄓ眉夹g(shù)課程標準（2017年版）》指出，“機器人設(shè)計與制作”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)機器人課程標準。

目前，我國的中小學(xué)機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器人教育教學(xué)活動，目前主要有以下特點：①學(xué)生受眾面小。機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。機器人課程以競賽活動為主，沒有形成系統(tǒng)的、循序漸進的課程體系。③機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。具體到機器人課程中，教師可將學(xué)生使用機器人技術(shù)解決生活中問題的能力提升作為教學(xué)目標貫穿整個課程設(shè)計之中。

1.課程目標

機器人課程教學(xué)設(shè)計的目標為：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。②《普通高中信息技術(shù)課程標準（2017年版）》提出，培養(yǎng)學(xué)生計算思維。通過編寫程序解決機器人制作中的問題。③提升學(xué)生的科學(xué)精神。通過機器人課程讓所有學(xué)生都感受科技帶給生活、帶給自己的改變，以機器人課程推動拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)！

2.機器人課程實施設(shè)計框架

根據(jù)學(xué)校的科技教育教學(xué)特點，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。筆者認為，中小學(xué)校的機器人課程體系可以分為機器人普及性課程、機器人社團課程、機器人研究性學(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)機器人普及性課程，培養(yǎng)所有學(xué)生的創(chuàng)新與實踐能力，提升其科學(xué)素養(yǎng)。在課下，通過機器人研究性學(xué)習(xí)活動和機器人社團活動，培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新的學(xué)生開展進一步的機器人研究和制作，從而將機器人普及化教育推向創(chuàng)新人才培養(yǎng)的拔尖教育。

機器人普及課程的內(nèi)容可選擇學(xué)習(xí)樂高機器人或者開源硬件，學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的機器人單片機原理知識、機械結(jié)構(gòu)和程序設(shè)計;機器人社團的課程是學(xué)習(xí)機器人競賽課程，如VEX機器人競賽課程，學(xué)生通過制作競賽機器人，深入學(xué)習(xí)競賽機器人的制作技術(shù)并參加全國機器人競賽;機器人研究性學(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)下制作機器人，通過學(xué)生自主研究解決機器人制作問題的課程。

這三種課程是相互聯(lián)系、相互促進的。其中，機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;機器人社團課程是培養(yǎng)拔尖學(xué)生，并參與各種機器人競賽，是課程體系的發(fā)展和亮點;機器人研究性學(xué)習(xí)課程主要面向?qū)C器人有興趣的學(xué)生，是課程體系的有力補充。

三、機器人課程設(shè)置

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

1.落實普及課程，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)生的動手與實踐能力、程序設(shè)計與計算思維能力、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，因此機器人課程首先要實現(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)課時進行授課。在普及課程內(nèi)容方面，我們要根據(jù)學(xué)校機器人教育教學(xué)情況，采用適合本地區(qū)學(xué)情的教程。筆者認為，樂高機器人課程比較適合中小學(xué)校進行機器人教育教學(xué)工作：①樂高機器人的學(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機器人是樂高最新推出的智能機器人套裝，它使用積木進行搭建，簡單易學(xué)，能夠用它搭建出復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)。并且樂高機器人使用圖形化的編程方式，對于機器人初學(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)的實際情況編寫的樂高EV3機器人教學(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)出自己的機器人。并且告知學(xué)生機器人的制作不是一蹴而就的，需要不斷的優(yōu)化與實踐。因此，在教程中特別設(shè)立了“優(yōu)化與改進”一項，使得每一課中制作的機器人都是通過逐步改進才最終達到理想狀況的。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持的教學(xué)理念。

在機器人教學(xué)中，教師應(yīng)將教程與機器人平臺緊密地聯(lián)系起來，使用機器人平臺完成每節(jié)課的教學(xué)目標，機器人教程有以下幾方面的特征：以機器人作為授課平臺，以項目式學(xué)習(xí)進行課堂教學(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，機器人教育主要讓學(xué)生掌握機械結(jié)構(gòu)的知識，理解單片機和傳感器的原理及使用，能夠自主編寫程序控制機器人完成各種任務(wù)。因此，機器人普及課程應(yīng)從機械結(jié)構(gòu)、單片機與傳感器以及程序設(shè)計三方面內(nèi)容進行整體設(shè)計，如表1所示，由淺入深，以基于項目式的教學(xué)方法循環(huán)漸進地開展教學(xué)。

在教學(xué)方式上，每節(jié)課基于一個項目主題，通過項目的制作學(xué)習(xí)機器人相關(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中制作的樂高機器人作品“馬”，學(xué)生通過馬的制作學(xué)習(xí)直流電機的原理以及齒輪傳動的結(jié)構(gòu)。

項目式學(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，學(xué)生在機器人制作的過程中發(fā)現(xiàn)問題、探究問題，實踐檢驗，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)新與實踐的能力。

實踐證明，樂高課程適合中小學(xué)生或者機器人初學(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器人。

2.鼓勵學(xué)生自主探究，開展研究性學(xué)習(xí)課程

機器人研究性學(xué)習(xí)課程是機器人課程體系的有利補充，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)作的形式進行學(xué)習(xí)、探究，最后解決問題。通常機器人研究性學(xué)習(xí)課程通過三個步驟去實現(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)生生活中遇到的實際問題出發(fā)，確定主題，并通過制作機器人去解決問題。以“藍牙車鎖”為例，問題的由來是因為一名學(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牙車鎖，可以通過藍牙控制車鎖發(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)研究時間和研究計劃開始展開機器人的制作。學(xué)生通過機器人搭建、機器人編程，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，使用圖形化語言進行藍牙程序的編寫，經(jīng)過調(diào)試完成藍牙車鎖的制作。圖5、6展示的是學(xué)生制作完成的藍牙自行車鎖。

機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器人的制作，才可以提高課題作品的制作效率，縮短機器人制作的時間，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

機器人研究性學(xué)習(xí)是以解決問題為出發(fā)點，制作能解決生活中實際問題的機器人，以“藍牙車鎖”為例，研究成果是藍牙車鎖的實物模型和研究論文，主要包括研究背景、研究摘要、研究內(nèi)容、創(chuàng)新點、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，開展機器人社團課程

機器人社團課程主要利用學(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進行管理。機器人社團活動的學(xué)生主要從機器人普及課程中選拔。在普及課程中，學(xué)生能夠初步了解機器人的各種知識，掌握與機器人制作相關(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”，在社團中重點培養(yǎng)這些有特長的學(xué)生，學(xué)生在社團活動中可以充分發(fā)揮自己的想象力，完成各種創(chuàng)意機器人的設(shè)計和制作。其開展形式包括機器人競賽活動、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，機器人課程教學(xué)需要制定詳細的量化標準，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)作品評價標準給出學(xué)生該課程的成績。表3是機器人課程的評價量規(guī)。

學(xué)生項目完成的成績=機械結(jié)構(gòu)（20%）+程序編寫（20%）+功能實現(xiàn)（20%）+實用（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)校開展機器人課程要實現(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。

引入機器人教育必將給中小學(xué)?？萍冀逃尤胄碌目萍肌巴寥馈保蔀榕囵B(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和信息素養(yǎng)的優(yōu)秀平臺。將機器人教育教學(xué)活動作為重要的科技教育元素注入到學(xué)校文化當中，豐富學(xué)校的科技教育活動，從而實現(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)機器人課程知識，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新與實踐的能力，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：

[1]一帆.《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》總體框架正式發(fā)布[J].教育測量與評價，2016（9）：33-34.

（編輯：魯利瑞）