小学机器人普及课程《走近机器人》的(doc)

1小学机器人普及课程走近机器人的开发与实践研究摘要:机器人项目是我校的特色科技项目，已有 9 年的历史。目前我们完成了由小组活动项目向面向全校的普及校本课程的转型，从根本上解决了 课程开展的 师资问题、 课时问题，并以课程为依据，开发了系列机器人校内活 动，形成了 “课程+活动 ”的机器人普及项目可操作模式。机器人普及课程主要分为三个篇章：综合篇， 针对不同年级 学生的年龄特点， 结合美术、自然、信息科技等学科的特点，通过课程整合、资源共享，广泛普及机器人的基础知识；体验篇，利用快乐活动日时间，体验机器人的结构搭建，了解相关动力机械原理；提高篇，通过社团活动开展系统的机器人创意设计课程，拔 优提高。在普及课程的基础上，开发出了系列机器人 创新活动，通 过 “校园科技节”等载体，搭建展示、交流、比赛的平台，在丰富的校园活动中展现学生的创意和作品，营造 “机器人”校园文化氛围。通过课程的实施，使各年级各 层面的学生都有收获和发展，在机器人项目方面实现了教育的公平化，并得到了社会各界的关注。关键字： 机器人; 普及; 校本课程一、问题的提出2（一）研究背景1.教育机器人产生背景机器人技术是在二战以后才发展起来的新技术。1958 年美国的 Consolidated 公司制作出了世界上第一台工业机器人，由此揭开了机器人发展的序幕。1967 年日本川崎重工公司从美国购买了机器人的生产许可证，日本从此开始了研究和制造机器人的热潮。随着机器人在工业上的广泛应用，如何加强工人对机器人的了解从而提高他们对机器人的控制也就成为一个显著的问题。机器人教育也就随之产生。2003 年 4 月 3 日到 7 日，日本横滨举行了2003 年机器人博览会。专门用于教学的教育机器人从此诞生了。国外教育机器人的研究开展较早。早在上世纪六十年代日本、美国、英国等西方发达国家已经相继在美国大学里开始了对机器人教育的研究，到了六十年代他们在中小学也开始了机器人教学，在此过程中也推出了各自的教育机器人基础开发平台。我国的机器人研究在七八十年代就已开展起来，在我国的“七五”计划， “863”计划中均有相关的内容。但针对中小学的机器人教学起步较晚，到上世纪九十年代后期才得到了初步的发展，目前发展仍不完善。2.教育机器人主要用于机器人竞赛机器人竞赛机器人教育对高科技社会的巨大影响已经引起了美国、欧洲、日本等发达国家和亚洲各国的高度重视，也得到了我国教育界的极大关注。国内外机器人赛事不断，引人注目。目前，全球每年有一百多项机器人竞赛，参加人员从小学生、中学生、大学生到研究者。国际比赛主要包括：。机器人足球竞赛 FIRA、 RoboCup；机器人灭火竞赛机器人综合竞赛：国际机器人奥林匹克竞赛、FLL 机器人世锦赛；其他比赛：机器人走迷宫比赛、人工智能学会移动机器人比赛、国际海洋机器人竞赛等等。国内比赛主要包括：全国青少年教育机器人竞赛、中国科协主办的中国青少年机器人竞赛、中央电教馆举办的中小学生电脑制作活动、教育部关心下一代工作委员会、中国发明协会举办的全国中小学信息技术创新与实践活动、英特尔青少年创新大赛等等，以及各省市举行的各类机器人竞赛。对于大部分开展机器人项目的学校来说，主要是针对这些形形色色的竞赛项目，通过开展课外兴趣小组或是竞赛辅导班以完成竞赛任务，参与的学生相对于学校的总人数只是极少数。3.机器人用于教学的现状教育机器人作为教学内容进入中小学，无论国内还是国外，目前都处于起步阶段。从各地情况来看，较多的学校只是以课外活动、各种兴趣班、培训班的形式开展机器人教学。通3常的做法，是由学校购买若干套机器人器材，由信息技术课程老师或综合实践课程教师进行指导，组织学生进行机器人组装、编程的实践活动，然后参加一些相关的机器人竞赛。目前，只有极少数的地区和学校将机器人教学纳入了正规课堂教学。2000 年，北京景山学校以科研课题的形式将机器人普及教育纳入到信息技术课程中，在国内率先开展了中小学机器人课程教学。2001 年，上海市西南位育中学、卢湾高级中学等学校开始以“校本课程”的形式进行机器人活动进课堂的探索和尝试。2005 年，哈尔滨市正式将机器人引入课堂教学，在哈尔滨师范附小、60 中、省实验中学等 41 所学校开设了“人工智能与机器人”课程，用必修课形式对中小学生进行机器人科学方面的教育。此外，香港在高中及高等教育新学制的改革中，也在高中“设计与应用科技”课程中增设了机器人制作的课程。我国教育部于 2003 年 4 月正式颁布普通高中技术课程（实验）标准 ，首次在“通用技术”科目中设立了“简易机器人制作”模块，它是基于计算机技术的学习平台、将机械传动与单片机的应用有机组合的一个选修课程模块。该模块为学生提供了运用当代先进技术和先进思想方法进行设计、制作，以解决实际问题的机会。与此同时，新的高中课程标准在“信息技术”科目中也设立了“人工智能初步”选修模块，迈出了我国高中阶段开展人工智能教育的第一步，这也意味着我国的人工智能教育在大众化、普及化层面上跃上了一个新的台阶。4.小学阶段开展机器人项目的现状相比初、高中，小学阶段开展机器人项目的学校更是少之又少，一方面是经费不足，由于用于开展项目的机器人套件普遍比较昂贵，大部分学校无力承受，即使能承受的所购买的设备也只能适用于社团或是兴趣班；另一方面是缺乏师资和课时，如要开展课程由谁来上，用什么课时上？这些问题都限制了机器人项目的普及化发展。于此相对，校外的一切机器人培训班却开的如火如荼。比如乐高活动中心，虽然一年需要近万元的高昂学费，却仍然吸引大量家庭条件优越的学生。那么，工薪阶层的孩子呢？难道他们就要丧失接受机器人教育的机会吗？（二）研究意义1.机器人活动的意义通过机器人活动学生能够正确认识机器人技术，掌握结构搭建、计算机编程和电子技术的基础知识，培养学生对技术的兴趣与亲近感，打破对机器人技术的神秘感。通过机器人技术，可以让学生接触到各个领域内的高新技术，培养未来技术精英。通过已有社团及竞赛活动证明，机器人项目不仅活动主题有趣，更重要的是其问题解决方案是开放性的，学生可以用不同的方法达到同一个目标，在机器人项目的活动过程中，学4生通过动手实践获取知识，亲身体验抽象的理论如何变成了触手可及的答案，享受成功的兴奋。在活动中，学生不仅可以学到有关机械、电子、计算机等技术知识，还可以培养多方面的能力和素养，如：与人沟通合作的能力，合理分配、利用时间的能力，对他人尊重、毅力与自信心等。2.开发机器人普及课程的意义我们倡导公平的教育，我们要让每一个孩子享受公平的教育资源，所以我提出了“小学机器人普及课程的开发和实践研究”这一课题，目的就是在小学阶段做到机器人项目的普及化，让每一位学生都能接触到、体验到、感受到这一新兴的科技项目，从而培养青少年的科学素养和创新能力。在全员普及的基础上，一些特别热爱机器人技术的孩子就会涌现出来，便于我们更好的挑选这些特长学生，进一步的给予专业的辅导。而不像以往，仅仅是通过其他老师的推荐，或者是片面的挑选学生，大部分学生连接触机器人的机会都没有，大量潜在的特长生被埋没。（三）研究条件有良好的物资保证。宝山教育局曾投资 30 万用于机器人实验室的初步建设，现已完成了实验室的初步建设。实验室包括乐高套件 10 套、未来之星套件 40 套，除了机器人基本配件还包括机器人搭建台 6 个、计算机 14 台、展示柜 2 个、储藏柜多个。有良好的师资保证。拥有专职的机器人项目负责教师，已从事机器人项目 9 年，在以前的机器人活动中更是带队获得了多个市级以上竞赛奖项，拥有机器人项目开展的丰富经验。拥有科技教师 6 人，能有效的协同推动机器人项目的普及化。同时在多年学校各类活动的开展过程中，所有的综合学科教师已经形成了一个共同体，能够高效的将各类学科整合在一起。有良好的环境保障。实验小学是一所科技特色学校，多年来学校一直非常支持科技特色活动的开展，校内各项科技活动都开展的非常有声有色，学校形成了良好的科技活动的氛围，这非常有利于机器人这一新项目的普及开展。有良好的理论引领。学校立项了在公平的校园成长环境下 关注每一个学生发展的实践研究的龙头课题，正是在这一课题的引领下，我们提出了机器人项目普及化的理念，力争让一个原本只有少数人参与的项目，逐渐演变成学校参与的集体化项目，体现了教育公平化的原则。（四）核心概念智能机器人5到目前为止，在世界范围内还没有一个统一的智能机器人定义。大多数专家认为智能机器人至少要具备以下三个要素：一是感觉要素，用来认识周围环境状态；二是运动要素，对外界做出反应性动作；三是思考要素，根据感觉要素所得到的信息，思考出采用什么样的动作。这些智力活动实质上是一个信息处理过程，而计算机则是完成这个处理过程的主要手段。智能机器人课程是指通过小组学习，运用积木、传感器、马达、齿轮等组件设计制作机器人，并为机器人编写程序，让它完成制定动作的课程。在课程中学生围绕项目开展研究、策划、设计、组装和测试，激发学生充分发挥想象力、创造力，培养学生的开放性思维。 机器人普及课程立足于智能机器人课程，本着让所有学生都能参与其中的概念，扩大机器人的外延，将机器人创意画，机器人纸模制作，虚拟机器人和实体机器人活动相结合，根据各年级学生的接受能力和年龄特征，以及课程特点分层次的开展机器人教学，包括综合课程、体验课程、提高课程三个层次，达到学生百分百的参与率。二、研究目的总目标通过整个机器人校本课程的开发和普及实施，让每一位学生都可以接触机器人项目，培养学生对机器人技术的兴趣与亲近感，打破对机器人的神秘感。掌握机器人技术的初步知识，培养爱科学、学技术的热情。培养学生科学、有序的研究型学习方法，激励学生的想象力和创造力，提高他们解决问题的能力，促进学生之间的团队协作精神。让学生在公平的教育资源下，享受公平的教育机会。课程目标知识与技能1. 通过机器人课程中综合篇的学习，了解什么是机器人，机器人的外形，知道机器人是为人类服务的，能够绘制出想象中的机器人。初步了解机器人简单的运动原理和动力来源，了解虚拟机器人软件中搭建和编程的简单方法。2. 通过机器人课程中体验篇的学习，进一步了解机器人技术，知道人类目前在各个领域中机器人技术的应用。掌握杠杆、齿轮等动力机械原理，以及机器人模块搭建的一般方法。3. 通过机器人课程中提高篇的学习，较为系统的掌握机器人技术的初步知识，学会一种机6器人拼装套件的使用，以及图形化的编程语言，并且掌握设计机器人创意作品的一般方法。过程与方法1. 通过绘画、机器人纸模制作、虚拟机器人的运用，体验不同形式的机器人活动项目，初步认识机器人，了解机器人项目。2. 通过观察生活、发现问题，主动思考机器人技术能为人类的生活带来何种便利，能发挥想象设计有趣也有意义的机器人。3. 通过小组协作、探究，在教师的引导下利用机器人套件完成机器人创意设计作品，并在机器人作品的制作过程中学习和掌握模块搭建、传感器使用、编程等机器人技术。4. 根据主题，通过小组讨论、网络资料的查询，能合作完成机器人创意设计的方案，并根据自己设计的方案，搭建自己的机器人创意设计小发明。5. 通过展示和交流，介绍自己设计或是制作的作品，乐于思考，善于交流，能汲取他人的长处。情感态度价值观：1. 敢于想象、善于想象，能大胆设计出具有自己个性特色的机器人作品，使自己更富有想象力和创造力，从而发展创新精神和实践能力。2. 提高人际交往能力，能与同伴和谐相处，优势互补，共同开发作品，养成良好的心理品质。3. 在广泛的学习和实践基础上，发展科技创新能力，养成爱科学、学技术的热情，形成良好的科学素养。三、研究程序： 研究对象：上海市宝山区实验小学全体学生研究方法： 1、本课题采用专家指导与学校教师实践结合研究的方式进行。2、课题研究主要采用行动研究的方法，再综合运用文献研究法、调查、经验总结等方法、实验研究法、案例研究法等。研究步骤：第一阶段 （2011.3-2011.9）7完成机器人实验室的初步建设，机器人教学与其它学科不同，需要一个比较宽阔的活动场地，相应的机器人基本设备，同时还需要计算机的供应。我校采取的方法是在计算机房对面教室开辟为机器人实验室，计算机可以直接使用机房中的设备，机器人基本设备以乐高9797 和价格低廉的未来之星的为主，两间教室之间的走廊、过道都可以作为活动场地。第二阶段 （2011.9-2012.9）分层次完成机器人课程的试点，包括综合课程、体验课程和提高课程三个方面，完成校本教材的编写和实验，总结教学中的经验，撰写相关案例，形成初步的教学方法。校本教材的编写注意到了以下几点：1.使学生了解智能机器人这个信息技术前沿领域的发展和应用状况，了解智能机器人的概念和工作方式，破除中小学生对智能机器人的神秘感，为进一步学习智能机器人技术的有关知识打下基础。2. 通过为机器人搭建结构和编写程序学到科学而高效的思维方式，提高规划能力，提高学生的分析问题和解决问题的能力。 3.三个篇章之间的梯度与衔接，内容的设计要结合生活与实践、由浅入深，形式要活泼有趣，体现互助协作的重要性。第三阶段 （2012.9-2013.6）机器人课程向全校普及，进一步完善校本教材，总结经验与案例，形成了学校可操作的机器人校本课程以及开展普及活动的一般模式。第四阶段 (2013.6-2013.12)开展了系列的机器人校园竞赛和一系列活动，让学生在竞赛的过程中互相交流和展示，逐渐形成特有的机器人校园文化。同时依托学校网站开辟了机器人专栏，专栏设置了机器人知识普及专区、以及“乐高”“未来之星” “类人”机器人的教学专区，学生可以在这些专区里学习和了解相应的机器人项目。同时网站可以展示学生的创意作品、精彩的竞赛照片，以及交流学习和竞赛过程中的感受。四、研究的主要内容（一）课程的开发机器人普及课程面临最严峻的问题的就是器材、师资和课时的问题。机器人设备也比较昂贵，一直以来机器人活动只能是少数人的活动；专业的师资力量也比较有限，专职的机器人教师无法应对普及课程所带来的工作强度；学生每天的课时有限，用什么时间来开展机器8人课程？要让机器人课程真正的普及到每一个学生，就必须先解决这些问题。而要解决这些问题，就要从课程的内容设计着手。我们设计了基于综合课程整合的“综合篇” ；利用快乐活动日时间完成的“体验篇” ，围绕社团活动的“提高篇”三个层次，形成了机器人普及课程的三个梯度(见图 1)。图 1 机器人普及课程三梯度1）综合篇在很多课程的教学内容中都会有机器人的影子，比如一年级美术课中学生的科幻画，和机器人联系在一起，就可以成为一份机器人设计作品；而二年级自然课中有对于玩具动力机械研究的内容，实际上玩具的机械原理和机器人技术中的机械原理是一致的；三年级的信息课更是和机器人技术密不可分，我们现在把机器人课程作为信息课的分支和拓展来看待。基于这些考虑，我们抓住了学科中的教学点，挖掘了综合课程的部分内容，重新编写和整合，形成了机器人普及课程“综合篇”的内容。并且根据原学科相关内容，分别安排在一二三年级完成。2）体验篇如果说“综合篇”让学生在意识形态上了解了机器人，那么“体验篇”就开始让学生真正接触到机器人技术了。但是由于教学场地、设备和学生年龄特点的限制，比较系统、专业的机器人课程无法落实，所以体验课只涉及机器人制作中的一小部分机器人结构的搭建，重点了解基本的动力机械的原理。让学生知道如何拼搭机器人的结构件，知道杠杆、滑轮、轮轴、齿轮这些在机器人制作过程中经常会用到的动力机械原理，为后期的系统学习奠定基础。3）提高篇提高篇则是专业的机器人创意设计制作内容方面的学习，有了前面两个篇章的基础，学生就能够比较轻松的接受专业知识了。课程主要内容是围绕一种机器人套件，系统的了解机器人的拼搭、编程，以及机器人创意设计的一般方法。综合篇综合课程浸润体验篇快乐活动日普及提高篇社团活动拔优一二三年级三年级四五年级9教材的编写考虑到实际性和生活性，每一课的内容都是和生活息息相关的，都是通过引导学生去发现生活中一些现象，了解其内部的原理或者开发出更有效的设备。比如，智能路灯一课，就是引导学生制作感应外界光线的明暗自动开关的路灯，从而达到节能的目的。通过提高篇的完整学习，学生逐渐养成观察生活，发现生活，改进生活的习惯，并能自主的设计制作机器人小作品来改进现状。（二）课程管理与保障1）机器人普及课程教研组建设为了更好地开展机器人课程的教学研究工作，学校成立了专门的教研组。这个教研组包括了学校的信息科技教师、自然教师、美术教师、大队辅导员以及综合学科分管领导，组长就是机器人专职教师金云琼。在组长的带领下，组员围绕机器人课程在各个学科中的渗透，有目的、有组织的开展教研活动。使机器人课程在学科的渗透过程中能有效的体现其的特色，使“机器人普及课程综合篇”的内容有效的落实在各个综合学科之中。同时配合大队部的工作，组织和策划在学校的科技节、艺术节、六一节等各大活动中设立机器人项目，使机器人项目由课内延伸到课外，多方位的让学生收获学习机器人课程所带来的乐趣和价值。2）师资队伍的建设机器人普及课程的特点决定了其不仅仅是机器人专职教师的任务，需要我们所有相关综合学科的教师，乃至全体教师，都要有一定知识储备。对于专职教师通过外出进行项目培训提高其技能，与兄弟学科开展交流拓展其眼界，聘请专家指导提升其理念；对于综合学科教师，通过教研组的活动探讨在学科中渗透机器人项目以及使用校本教材“机器人普及课程综合篇”策略和方法；对于全体教师，通过参与或协助学校开展的各项有关机器人的活动，增加其对机器人项目的了解，并将这种认识在日常与学生的交往过程中逐渐渗透给身边的学生。这样，我们所有的教师事实上都是机器人课程的教师。3）课时保障既然是校本课程就要落实到课堂之中，如何解决课时问题就是重中之重，在课程设计时就已将课时的问题考虑在内。我们的校本课程主要分成三个板块：机器人普及课程综合篇、机器人普及课程体验篇、机器人普及课程提高篇。其中“综合篇”由于是和综合学科的整合课程，它所利用的就是综合学科本身的课时。 “体验篇”安排在学校的快乐活动日之中，由于我校的快乐活动日的活动比较丰富，所以每学期初就由校长室定下课程计划，并结合集体讲座和滚动开课的形