小学机器人普及课程走近机器人的.doc

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（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）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)。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。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式，在不影响学校其它活动的前提下有效保证了课程的开设。“提高篇”则是社团活动的主要内容，我校每周五下午1.45至2.45是各种社团活动时间，参与社团活动的学生留在学校，而其他同学都已放学，如有需要还可以再延长时间，只要通知好家长即可。4）课程的设备提供与经费保证机器人课是一门新课程，新课程的开发建设必须要有相关的经费与设备支持。学校在这方面积极创设条件，为新课程的开发，实践、管理，给予充分的保障。同时我们曾获得宝山区教育局用于机器人实验室建设的30万专项拨款，所以我们拥有较为完备的机器人实验室以及相关器材。同时我们还积极申请各级别的机器人课题，争取课题开发费用，为教学器材的更新，提供了有力保障。五、研究的主要成果（一）构架了课程的大纲，确定了具体内容1.课程总纲（见表1）表1 课程总纲课程内容对象项目阶段目标机器人普及课程综合篇一年级全体美术课：机器人模样“画”起来知道什么是机器人，了解机器人的功能，以及机器人的外形特点，能发挥想象画出有创造力的机器人。二年级全体自然课：机器人为何“动”起来 了解机器人玩具为什会动，知道机器人的动力来源，了解机器人“关节”的作用。 三年级全体信息课：机器人程序“编”起来 会使用虚拟机器人软件搭建简单的机器人小车，并使用图形化的程序让小车在场地上更顺利的运行。机器人普及课程体验篇三年级全体机器人基础讲座 了解什么是机器人，知道机器人和人类的关系。了解目前机器人在工业、农业等领域的应用和发展。搭建体验课程 利用乐高套件进行机器人结构搭建的学习，知道杠杆、齿轮传动、滑轮传动等力学原理。能制作出结构件。机器人普及课程提高篇四、五年级特长生机器人创意俱乐部（社团）特色课程 系统学习机器人创意设计的一般方法。掌握一种机器人套件的使用，学会图形化的编程语言。能通过网络寻找资料，发现生活中的问题。能设计机器人创意图纸，并使用机器人套件制作简单的机器人创意作品。2.分模块具体内容机器人普及课程综合篇（见图2）图2 综合篇教材截图目录美术课 机器人模样“画”起来（一年级）第一课 机器人本领大第二课 机器人纸偶真有趣自然课 机器人玩具“动”起来（二年级）第一课 玩具机器人第二课 会动的机器人信息课 机器人软件“玩”起来（三年级）第一课 初次见面“萝卜圈”第二课 轨迹机器人搭建第三课 轨迹机器人编程第四课 轨迹机器人仿真这个篇章针对不同的课型特征，编写的侧重点是不同的。美术课中,在基本的美术课点、线、面构图技法的要求上，以绘制机器人为载体，引导学生想象机器人能帮我们人类做什么，那么学生完成的将是一份机器人创意画作品。之后，我们继续拓展这节课，将画作变成能动的纸偶，重点渗透关节的概念，为后期的学习做好铺垫。这部分主要是平面上认识机器人。而二年级的自然课中，结合动力来源这一教学内容，探究玩具机器人动的奥秘，了解玩具机器人的能量来源和内部结构，认识电池、电机等为机器人提供动力、控制运动的装置。对机器人的认识逐渐立体起来。信息课中，是介绍一种虚拟机器人软件。在这个软件中可以搭建三维的机器人，还可以用图形化的编程语言控制机器人运动。从抽象的美术和自然课中了解机器人，过渡到了具体的制作，不过还仅限于软件层次，学生看到的还是三维的动画。但为后面两个篇章，具体搭建和制作机器人奠定了重要的基础。三个层次的课程让学生对机器人制作的认识从概括到具体，从宏观到具象，其设计符合学生认知体系的发展，能够较好的让学生过渡到后续篇章的学习。机器人普及课程体验篇（见图3）图3 体验篇教材截图目录一、讲座 走近机器人（三年级上）二、体验课程 结构搭建（三年级下）第一课 杠杆 钳子第二课 滑轮 迷你传送带第三课 轮轴 会转弯的小车第四课 齿轮 风扇体验课程的结构设计包括：联系、建构、拓展、延伸、拓展和竞赛六个部分。“联系”，就是将教学的内容和实际的生活联系起来，帮助学生更方便的认知概念。比如“杠杆”一课，在这个环节就是让学生了解在没有现代化工具的前提下（建造金字塔的时候），古人是怎么搬动大石头的，知道生活中运杠杆的例子，从而来认识和了解“杠杆”。“建构”，利用教学器材搭建结构，加深对概念的了解。在“杠杆”一课中就是搭建钳东西的钳子，知道如何利用杠杆原理把钳子设计的更加省力，引出“力离开支点越远就越省力，被夹的物体里支点越近就越省力，反之就费力”这一概念。“延伸”，深化建构的过程，增加搭建的难度，拓展概念。在“杠杆”一课中就是搭建一把伸缩钳子，引出“复合式杠杆”的概念。“拓展”，丰富学生的知识面，可以是了解一个概念的起源，或是对概念的不同运用。在“杠杆”一课中提出了阿基米德的名言：“假如给我一个支点，我就能把地球挪动！”；“滑轮”一课中，拓展了滑轮不同的传动方法。“竞赛”，由于体验课程是安排在快乐活动日里完成，更需要体现学生的活动性，所以在课程的最后部分设计了竞赛环节，让学生用前面完成的结构开展竞赛，既能激发学生的兴趣、活跃课堂氛围，又能加深对本课内容的理念和实际运用。如“杠杆”一课中设计了“钳子运球”的竞赛，钳子要能夹住小球不掉，又要能在规定的时间内运送更多的小球，钳子设计的合理性就尤为重要。机器人普及课程提高篇（见图4）图4 提高篇教材截图目录第一章 走近机器人世界第一课 认识机器人 第二课 你好，未来之星第二章 让机器人动起来第一课 让电机动起来 第二课 闸门第三课 音乐闸门 第四课 升旗啦第五课 霓虹灯 单元设计一第三章 机器人的感官第一课 节能路灯(光敏) 第二课 感光闹钟(光敏) 第三课 台灯(触控)） 第四课 智能红绿灯（光感）第五课 自动门（光感+触控） 第六课 芝麻开门（声控）单元设计二第四章 机器人综合设计第一课 木牛流马 第二课 光牵引机器人第三课 智能壁障小车 单元设计三提高课程的结构设计主要包括：讲一讲，找一找，做一做，编一编、想一想、评一评六个环节。“讲一讲”部分主要是引导学生关注生活中的一些现象，通过学生的讨论引出教学任务。比如“自控红绿灯”一课，在这个部分引导学生观察马路上的红黄绿灯是根据时间控制的，即使对方没有车辆，也会亮红灯把你拦下，能不能设计出根据车流量自动切换的红绿灯。“找一找”是让学生从套件中找出制作所需的材料，并介绍制作中起重点作用的材料。比如在红绿灯一课中，就用到了“光反射传感器”，在这个环节就重点介绍“光反射传感器”工作原理。“做一做”自然就是结构搭建的过程。因为有了前期的基础，这一部分只要出示重点结构就行了。关键还有“硬件连接示意图”，要让学生会看，并能看清导线和主板的连接方式。“编一编”开始程序设计的学习，因为是图形化的语言，学生接受起来还是比较方便的，主要讲清逻辑结构就行了。在教材编写的过程中并没有流水账式的出示编程的过程，还是根据学生的思维过程，步步引导，逐渐掌握。“想一想”属于课程的拓展，除了本课制作的内容，用同样的技术还可以设计出哪些机器人作品。同样是“红绿灯”一课，主要使用的是“光反射传感器”，那么“光反射传感器”除了在红绿灯中，还可以用在生活中的哪些地方？重点激发学生的发散性思维。“评一评”属于对课程的学生自我评价。同时，这部分的内容也会直接指向课程中的难点和易错点，学生根据评价表格，可以在学习过程中自己修复错误。如“红绿灯”一课中，学生最容易将传感器和主板的连接位置搞错，将这一内容作为评价指标，学生也就不易犯错了。（见表2）表2 评价表在第二至第四章每个章节最后都有一个单元设计，引导学生根据每个单元的主要内容，结合生活体验自主设计一个机器人创意作品。这既是对单元知识点的巩固，也是对学生创造力的培养，这本教材编写的目的不是简单的模仿，而是通过模仿，启发创新。具体内容见附件：走近机器人机器人特色课程校本教材。（二）形成了课程+活动的可操作模式，营造了校园文化1.课程的落实利用综合学科渗透基础普及课程我们首先就打破了传统对机器人项目的理解，将机器人课程和美术、自然、信息等综合课程整合，开发出了面向于一、二年、三年级学生的基于整合的机器人综合课程（机器人普及课程综合篇）。课程的执行者将是综合学科的教师，开设课程的时间也就是综合学科授课的时间，将机器人的相关知识与综合学科本身的学科知识相整合，让学生初步了解机器人，包括机器人的外形、作用、运动方式以及简单的编程等等。在综合篇中这三个级别的内容并不是孤立的，而是通过美术课对机器人外形的认识，到自然课对机器人动力来源的认识，直至信息课对机器人软件的认识，由浅至深的过渡的。有了这一层次的铺垫，后期的体验课，乃至提高课的开展，才能更加顺利和贯通。基于快乐活动日开展体验课程我们不能让学生停留于综合课程整合过程中对于机器人技术浅表性的认识，我们需要让学生系统的了解机器人技术。立足于“快乐活动日”，面向三年级全体学生开设机器人专业知识讲座和体验课程（机器人普及课程体验篇），让学生真正的、系统的了解机器人技术。其中讲座安排在每学年的第一学期，在阶梯教室同时面向三年级全体学生开设。主要内容是通过观看视频，教室讲解和师生互动的形式，让学生了解现有的机器人技术，包括机器人在工业、农业、医疗、生活和军事等方面的运用，体会人类发明机器人的目的。再介绍我们学校的机器人特色，包括机器人俱乐部的活动，学生制作的机器人作品等等。让学生直观的认识机器人，并且产生巨大的热情投入到后续开展的各种机器人活动中。这部分课程由专职教师担任，各班班主任协同开展。而体验课程则是采取滚动上课的形式，每班1小时的体验时间，每周的快乐活动日可以上两个班级的课程。一个年级8个班级在四周内完成一次滚动，每班每学期可以上三到四次体验课程。体验课程也是由机器人专职教师担任，滚动上课的形式有效解决了课时问题。而体验课的内容以模块搭建为主，重点了解动力机械原理，学生能在一个小时内通过小组合作完成一个小作品的制作。每次上课的内容各有重点，又有其相关性：比如，第一次课程主题是杠杆，第二次课程的主题是滑轮的认识，而滑轮又是一种变形的杠杆，通过课程的编排，则可以让学生更好的理解这一部分的机械知识。第三课的轮轴和第四课的齿轮，不仅对于机械原理的认识上保持了延续性，搭建过程中的难度也逐渐提升。这四个体验内容不仅是让学生认识了四种基础的动力机械原理，也掌握了机器人模块搭建的初步方法。至此，三年级的全体学生，对于我们的机器人普及课程有了很好的认识和了解，也涌现出来特别爱好或者是有特长是学生，可以选拔出参加机器人社团，系统学习提高课程的学生了。立足社团活动完成拔优提高课程在前两个层面中，一定会涌现出不少机器人技术的特长学生或是特别喜爱机器人项目的学生，这些学生一定是质量比较高的少数人。我们将这些学生集中在一起，开设机器人创意俱乐部，以社团的形式开展提高课程（机器人普及课程提高篇）。这里的课程专业性较强，也比较系统和完整，主要以我们的目前数量较多的“未来之星机器人”套件为教学载体，以机器人创意设计为主线，系统的讲解机器人的开发、设计、编程、调试等环节，让学生知道创造发明的一般过程和方法。同时精讲机器人模块的搭建技巧和编程语言，让学生掌握一定的基本技能。在社团活动我们还会根据各级别的机器人竞赛，结合课程开展赛前的辅导，让这些特长学生在竞赛中积累经验，不断成长，为我们国家的科技事业储备力量。通过三个篇章的课程，既解决了时间的问题，又解决了师资的问题，达到了学生100%的参与率，真正做到了机器人课程的普及。同时在普及的基础上，更好的实现了提优，大大增加了各级各类比赛参与率与获奖面，也为学生将来发展成专业人才奠定了良好的基础。但更值得注意的是，学生在课程的学习过程中增长了见识，训练了动手能力、思维能力、创新能力，促进了学生之间、学生和教师之间的沟通，有效增长了沟通的能力。2.活动的开发除了常规的机器人普及课程，我们还根据课程的内容，针对各个年龄层，设计了大量学生活动（见表3）。我们利用学校的一年一度的科技节、少先队活动等载体，定期开展“走近机器人 让智慧闪光”机器人系列校园竞赛活动。这些活动并不是单纯的竞赛，而是为学生搭建了展示、交流、比赛的平台。学生们可以尽情地发挥着自己的想象力，用自己的智慧绘制出了心目中的机器人。值得提出的是，所有竞赛项目的内容、评价标准都由学生自己制定的，竞赛的评委也是由学生自己担当，参赛学生要服从评委，觉得不合理的地方可以提出申诉，充分体现了以学生为主体的活动理念，从而营造了实验小学机器人校园文化特色。表3 活动细目表项目活动名称活动对象活动情况简述机器人设计我也行机器人创意画竞赛一、二年级学生尽可能的发挥想象，不仅赋予了机器人各种有特色的外形，更是给予了它们五花八门的本领，有了它们的帮助，人类的生活一定更美好。机器人模型竞赛二、三年级学生利用废弃的纸盒、饮料罐、牙膏盒、泡沫塑料、图钉等做了各种机器人模型。“服装设计机器人”能根据你的喜好为你搭配服装，自己也穿着一身漂亮的纱裙；“电视机器人”大大的肚子就是个电视机，能自动控制你看电视的时间它们不仅有漂亮的外表，有的还真能动起来呢。机器人创意方案竞赛四、五年级学生通过观察发现生活中的问题，设想能否搭建一个机器人解决这些问题，并撰写了一份份设计方案，包括创意来源、实现概念和简图三个方面。优秀的方案将备选机器人创意设计竞赛，运用实体机器人套件制作出来。机器人编程我也行虚拟机器人绘画竞赛三年级有三项难易不等的任务：五角星、奥运五环、铅笔。学生寻找出图像中规律，恰当运用循环语言能较快的完成任务。根据画面的准确度和完成的速度排出名次。虚拟机器人迷宫竞赛三年级在规定时间内参赛选手独立自主在计算机上模拟完成机器人的搭建、编程及调试，然后在计算机上模拟实现仿真机器人自主走迷宫，由起始区到终止区（出口）的全部过程。机器人制作我也行机器人歌唱竞赛机器人俱乐部在规定的时间内，运用“未来之星”机器人套件，以2人小组为单位，制作一个会“唱歌”的机器人。学生通过合理的模块设置，让机器人的音调更准确、歌曲更动听；发挥想象，学生们还给了机器人歌唱家不同的外形。值得注意的是学生之间的互助大大提高了作品的质量。机器人赛跑竞赛机器人俱乐部在规定的时间内，运用“LEGO”机器人套件，以2-3人小组为单位制作一个机器人小车，并且通过编程、调试使这个机器人小车能走正方形。编程原理虽然简单，但是要走一个标准的正方形并不容易，耐心的调试必不可少，考验了学生的耐心和毅力。同时，我们也发现机器人课程或是活动具有很强的延伸性。我们针对课程和活动中涌现出的特长生和优秀的创意进行进一步的培养和发展，为他们搭建更完善的学习平台、提供展示特长的机会，重点培养机器人项目的创新人才。不仅在本项目上可以延伸到虚拟机器人设计和机器人创意设计等市级竞赛项目，还可以延伸到科幻画创作和模型制作等其它学科的范畴。通过课程+活动的形式，学校形成了良好的开展机器人项目的氛围，体现了学生的自主性发展，营造了实验小学的校园文化特色。（见图5）具体内容见附件：走近机器人机器人项目普及化活动方案走近机器人 让智慧闪光机器人项目实践活动总结报告校本课程普及综合篇（浸润）体验篇（普及）提高篇（拔优）学生活动激趣少先队活动和校园“科技节”等载体机器人设计我也行机器人编程我也行机器人制作我也行创新人才培养一年级美术课 机器人模样“画”起来二年级自然课 机器人玩具“动”起来三年级信息课 机器人软件“玩”起来三年级体验课程机器人创意俱乐部（社团）机器人创意画竞赛机器人模型竞赛机器人创意方案竞赛虚拟机器人迷宫竞赛虚拟机器人绘画竞赛机器人歌唱竞赛机器人赛跑竞赛科幻画创作各类模型制作虚拟机器人竞赛机器人创意设计（二）总结了课程实施的原则教师之间的联盟学生之间的互助基础课程的生动提高课程的有效（三）探索了课程教学的手段与方法（五）探索了课程评价的方法（五）尝试了新型的教研组活动制度学生的感受 刘清扬等的文章九，研究的成效，使用教材后的效果（实践活动报告）八、存在的问题以及今后的设想加上课时问题，如何做到项目的普及？谁来普及？用什么课时来普及？必须先解决这两个问题。我们的整合、特色课程的开发、社团活动的提优全方位的普及机器人的相关知识，依托校园科技节开展系列专题竞赛宣传机器人项目、调动学习兴趣，从而让每个小朋友都有机会接触机器人、制作机器人。在活动中学生不仅可以认识机器人，学到有关机械、电子、计算机等技术知识，还可以培养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、毅力与自信心等多方面的能力和素养。课程+活动操作模式流程图图5 课程+活动操作模式流程图（三）总结了课程实施的原则，提升了实施效率1.建设教师之间的联盟从校本课程的综合篇开始，就决定了机器人课程不是一门独立的课程，而是渗透在各个学科之中的课程。这也就意味着，从事机器人学科的教师必须和其它学科的教师，特别是综合学科的教师不断沟通，并形成联盟。定期的教研活动可以促进这种联盟的发展，情感的投入更可以提高联盟活动的有效性。我校综合学科的教师不仅是同事关系，更是盟友关系。不论是机器人课程，还是美术或是自然方面的活动，我们总是在一起探讨，彼此的沟通已经形成了一种默契。这种默契可以让机器人课程更好的渗透在综合学科之中，因为大家都会是十分主动的将机器人理念融入自己的课堂，并且不断总结自己的教学经验，不断完善课程的设计。良好的教师联盟不仅仅作用于机器人课程，其实对于所有学科的发展都是非常有帮助的，所以建设有效的教师联盟一直是我们机器人课程实施的重要原则。2.挖掘课程与生活的联系 开发智能机器人的主要目的是帮助人类完成尚不能完成的任务或是优化人类的生活，在机器人教学中也要注意渗透机器人设计的实用性。固然我们可以设计火星探险机器人，深海采矿机器人，但这些毕竟离小学生的现实太远，我更愿意鼓励他们从自己的生活出发，观察自己周围的世界，发现现存的问题，再设法去解决问题。这点在课程的设计中已经考虑到了，不论是综合篇、体验篇，还是提高篇，教材的设计都是紧紧围绕生活的，那么在课程的实施中更要注重于生活的联系，一定要把教材中的生活性体现出来。我具体的做法是在教材的指导下先让学生观察，发现生活中的问题，设想如何运用已有技术去解决这些问题。比如，提高篇中“智能路灯”一课，先让学生观察马路上的路灯，发现那些路灯在早晨天已经亮的情况下还开着，引导学生思考能不能利用机器人技术设计一款智能路灯，通过感应光线的强弱来自动开关，从而达到节电的目的。通过介绍“光敏”传感器的运用方法和原理，学生发现利用“光敏”可以轻松实现这一设想。在课的后期还可以让学生去发现，实际上生活中已经有哪些地方用到了“光敏”，去思考我们还可以在什么地方运用上“光敏”。在长期的课程实践中，还可以培养学生定期写观察日志的习惯，观察生活中出现的问题，并尝试思考解决的方法。比如下水道管道堵住了，由于管道弯弯曲曲的通起来很麻烦，如果设计一个管道工机器人，能钻到下水道中，把堵塞物处理掉就行了；学校的大草坪一直要定期割草，工人叔叔每次割草都很辛苦，如果能设计一个自动割草机器人那该多好其实学生的很多想法都是非常有意义的，只要略加修改或发挥就是一个很好的机器人创意设计。我校每次参加机器人创新大赛的作品基本上都是来源于学生日常的观察。比如，市机器人设计一等奖作品“琴童小帮手”就是来源于学生的生活体验，因为自己拉小提琴总要妈妈帮忙翻页觉得很麻烦，所以就提出设计自动翻页机器人的想法，运用课程中的知识，这个作品很容易的从平面的设计，变成具体的机器人制作。应该说，在整个机器人课程的学习中，学生们获得的不仅仅是机器人装配、编程、制作的能力，更重要的是培养了他们观察世界的能力，发现问题的能力，创造想象的能力，以及鼓励他们敢于挑战现状，张扬个性。3.促进学生之间的协作，体现主体性不论是器材的限制，还是促进学生交流的原因，我们都提倡在课程中采取小组协作式的学习方法。协作既是学习的手段，也是学习的目的，通过协作学习和研究，学生可以取长补短，取得高质量的成果，与此同时在共同参与的过程中，学生还会逐渐掌握彼此尊重、理解以及容忍的态度，表达、倾听与说服他人的方式方法。在未来，如果学生真的有机会从事机器人方面的工作，会发现机器人的创意设计本身就属于团队活动，需要凝结集体的智慧完成的工作。所以我们在课程的教学中就要注意学生协作能力的培养，但这种协作能力不是简单的靠几个学生合用一套设备来完成的，否则真的会发生哄抢现象。所以协作意识的培养不能光靠口头上说“你们互相帮助一下”，有时也需要一些策略。比如在“提高篇”的教学中，特意安排能力互补的学生组成小组。他们有的动手能力强善于制作，有的动脑能力强善于构思、编程，彼此各有特长，也各有缺陷。由于大家都有好胜心，遇到弱项都不愿输给别人，学习他人长处的热情就会异常高涨；在遇到自己长处时，由于想到也学过别人的长处，便也就乐于帮助他人了。还要经常让学生切实感受的协作的乐趣，知道人多力量大的优势。在装配模块时，让大家分别负责不同的部分，再整体拼装起来，那节省的时间可就多了；在调试机器人时，一个负责硬件测试，一个负责程序数据，相辅相成，调试成功的概率也就大大增加，这时对学生最大的奖励和激励莫过于成功的喜悦了。这种各展所长的协作，也恰好更好地体现了学生的主体性。此外，我们还在课程和活动中体现了小志愿者的概念。课程所涉及的活动都由学生自己来设计，包括活动的方案、步骤和评价表。主要体现在立足于科技节和少先队活动的机器人系列校园竞赛活动中。比如在2012年的科技节中，我们首先向全体学生颁布“机器人活动征集令”，收集各种体现机器人项目特色的小活动。然后组织社团成员挑选出可实施的项目，并招募活动的志愿者。志愿者不仅要为每一项活动设计宣传海报，还要负责在活动的当天组织和指导参与的学生开展活动，并且根据自己设计的评价表，为参与的学生打打分。在“不倒翁”这个机器人搭建项目中，就由我们的小志愿者指导参与的学生完成搭建，并且讲解其中的机械和力学的原理，根据参与学生的最终作品，用事先设计好的评价表打分，评选出这个项目的获胜者。小志愿者的概念让学生们主动承担起科学志愿者的职责，将自己的获得与伙伴、小同学分享，分享知识、分享智慧、分享快乐，主人翁的意识不断增强，科学素养也得到了提升。（四）探索了课程评价的方法，促进了学生发展不同于主学科的评价可以用试卷和分数来体现，机器人课程的评价更注重学习的过程性。在教材设计时，就针对不同的篇目，分别设计了不同的评价量规。根据评价的目的和方式，可以将评价方式为以下几类：1、“任务达标型”评价是否能按要求完成任务，以及完成任务的质量作为评价的标准。比如体验篇“轮轴会转弯的小车”中的成绩记录表（见表4），就是通过判断小车能够成功的转弯，以及在多次转弯中结构不会散架，来判断学生的搭建是否