（课程与教学论专业论文）师范院校机器人课程开发与研究.pdf

摘要 随着科学技术的快速发展，机器人已经从科学家的实验室走进了学校的课 堂，机器人教育正成为国际教育界关注的热点。开展机器人教育，能够促进学生 的全面发展。我国许多中小学都在逐步开展各种形式的机器人教育，特别需要能 够胜任机器人教育的优秀教师。 在高等师范院校中开设机器人课程，能够为中小学机器人教育培养合格的师 资力量，促进我国机器人教育的发展，同时更能提高师范生的综合能力，推广先 进的教育理念，推动我国教育事业的进步。 本文主要研究如何在高等师范院校开设机器人课程。 首先，探讨课程开发的四个基本问题，即“目标”、“内容”、“组织”和“评 价”。在分析社会环境，研究学习者情况，听取学科专家的意见后，设定了课程 目标，并从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个方面阐述了该目标。 根据课程的教学目标，选定了机器人课程的教学内容，编写了高等师范院校机器 人课程校本教材，并设计了面向过程的多元评价模式来评价学生的学习效果。 第二，为了提高机器人课程的教学效果，开发了机器人教学辅助系统。该系 统包括教学平台、管理平台和教学论坛三个部分。通过它，能及时介绍关于机器 人的最新技术成果和教学理念，展示学生的优秀作品，总结归纳常见问题，动态 显示教学进程，发布通知等。同时，教师、学生和机器人爱好者还可以通过教学 论坛互相交流，共同探讨。 第三，在首都师范大学信息工程学院开设机器人课程，进行实证研究。在教 学过程中使用了“用寓言故事引发学生思考”、“理论联系实际，培养创新能力”、 “开展主题探究，培养信息素养”、“采用任务驱动，开展实验教学”、“通过合作 学习，培养团队意识”、“使用多种方法，发展多元智能”等六项教学措施，来促 进学生的全面发展。学期末，采用面向过程的“档案袋”评价法来评价学生的学 习效果；通过问题调查和访谈的方式来收集对于课程的评价。实践表明，我们在 高等师范院校开设的机器人课程是比较成功的。 关键词：机器人机器人教育机器人课程课程开发 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , r o b o t sh a ds t e p p e di n t o s c h o o lf r o mt h el i b r a r yo fs c i e n t i s t i nn o w a d a y s r o b o te d u c a t i o nh a sb e c o m et h e f o c u si nt h ew o r l de d u c a t i o n 矗e l d r o b o te d u c a t i o nc a nc u l t i v a t e s t u d e n t s e o m p r e h e m i v eq u a l i t y i no u rc o u n t r y , m a n ym i d d l ea n dp r i m a r ys c h o o l sh a v em a n y k i n d so f r o b o te d u c a t i o n s oi tn e e d sal o to f t e a c h e r st ot e a c hr o b o t i c sk n o w l e d g e i nn o r m a lu n i v e r s i t y , d e v e l o p i n gr o b o tc o u r s ec a nt r a i nt h ee l i g i b l et e a c h e r s f o rm i d d l ea n dp r i m a r ys c h o o l s i nt h i sw a y , w ec a ni m p r o v er o b o te d u c a t i o nl e v e l a t t h es a m et i m e , i tc a ni m p r o v es t u d e n t sc o m p r e h e n s i v eq u a l i t ya n dn l e i rt e a c h i n g s k i l l st oa c c e l e r a t eo u re d u c a t i o np r o g r e s s t h i st e x tm a i n l yi n t r o d u c e sh o wt oo p e nr o b o tc o u r s ei nn o r m a lu n i v e r s i t y f i r s t l y , w ed i s c l _ i s st h ef o u rq u e s t i o n si nt h ec u r r i c u l u md e v e l o p m e n t t h e ya r c t h ee o u i 跎p u r p o s e t h ec o u r s ec o n t e n t , t h ee o u r o r g a n i z a t i o na n dt h ec o u r s e e v a l u a t i o n a f t e ra n a l y z i n g c i a le n v i r o n m e n ta n dt h ec o n d i t i o no fl e a r n e r 8 w os e t t h et e a c h i n gg o a la n dd e s c r i b et h eg o a lt h r o u g ht h r e es i d e s n et h r e es i d e sa r c k n o w l e d g ea n ds k i l l ，t h ep r o c e s sa n dm e t h o da n dt h ee m o t i o na n da t t i t u d e b a s e do n t h et e a c h i n gg o a l ，w ec h o o s ec o n t e n t so ft h ec o u r s ea n dc o m p i l et e x t b o o k s t h e nw e d e s i g nm o d e lo f m u l t i e v a l u a f i o n st oa p p r a i s es t u d e n t s s e c o n d l y , w ee s t a b l i s ht h er o b o te d u c a t i o na s s i s t a n ts y s t e mt oi m p r o v et h e t e a c h i n ge f f e c t t h i ss y s t e mi n c l u d e st e a c h i n gi n t e r f a c e m a n a g e m e n ts y s t e ma n d f o r u m ，u s i n gt h es y s t e m ，s t u d e n t sc a nk n o wt h en e wr e s u l to fr o b o tr e s e a r c hi nt i m e , e x p a n d i n gt h ek n o w l e d g eo fs t u d e n ta n de n c o u r a g i n gt 1 1 e i r i n t e r e s t a n di ti s c o n v e n i e n tt os t u d e n t s l e a m i n gb yt h 锄s e l v e s t h e f o r u mi n t e r f a c ei sa c o m m u n i c a t i o np l a c ef o rs t u d e n t sa n dt e a c h e r s 1 1 l i 】r d l y , w es e tu pr o b o tc o u r s ei nc a p i t a li i o i t l l a lu n i v e r s i t y , a n dd o e s d e m o n s t r a t i o nr e s e a r c h w ep o i n t0 u ts i xi n n o v a t i o n ss u c ha s ：b r i n g i n gu pi n n o v a t i o n a b i l i t y , b r i n g i n gu pi n f o r m a t i o na b i l i t ya n ds oo n a tt h ee n do fs e m e s t e r , w en s e p o r t f o l i o ”t oe v a l u a t et h el e a r n e r s l e a r n i n ge f f e c t , a n dc o l l e c tc u r r i c u l u ma p p r a i s e s t h ep r a c t i c ei n d i c a t e st h a ts e t t i n gu pt h er o b o tc o l l i d ei nn o r m a lu n i v e r s i t yi s s u c c e s s f u l k e yw o r d s ： r o b o t sr o b o te d u c a t i o nr o b o tc o u i s ec u r r i c u l u md e v e l o p m e n t 首都师范大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：吴违 日期：知谇争月西日 首都师范大学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学 位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出 版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名： 关浩 e t l t 咀：2 研年争月艿日 首都师范大学硕士学位论文师范院校机器人课程开发与研究 1 1 研究背景 第一章引言 专家从信息技术发展的角度，把2 0 世纪8 0 年代，称为p c 时代；把9 0 年代 飞速发展的i n t e r n e t ，称为i n t e r 时代，并预言，2 1 世纪将是p r ( 个人机器人) 时代! 信息技术的数字化、网络化、智能化发展趋势表明，p c 可能被p r 取代， i n t e r n e t 也可能成为p r 大脑的一部分。机器人正在逐步走入我们的生活，我国 的许多学校都开展了各种形式的机器人教育。部分学生走出国门，参加多项国际 机器人大赛并取得了较好的成绩。机器人教育正在我国逐步发展起来。 1 1 1 开展机器人教育的必要性 科技的发展不断改变着我们生活的每个方面。信息技术、智能技术等高新技 术的突飞猛进，使机器人对于普通人来说不再神秘，不再遥不可及，我们时常会 感受到工业机器人的更新换代，太空机器人的成功登陆，服务机器人的人性化设 计，娱乐机器人的个性特色等等。机器人正在逐步走进我们的生活。有人预计机 器人将会改变我们的产业结构，社会需要懂得机器人知识，能够从事机器人相关 工作的人才。 教育要为社会服务，为人们的生活服务。当机器人等先进的技术已经走入我 们的生活，人们希望进一步了解机器人时，学校就应该开展这样的教育。科学技 术的发展使学校开展机器人教育成为了一种必然。 1 1 2 开展机器人教育的可能性 随着科学技术的发展，国内外的科技行业开发出了各种各样的教育机器人， 为学校开展机器人教育提供了可能性。 教育机器人是由生产厂商专门开发的以激发学生学习兴趣、培养学生综合 能力为目标的机器人成品、套装或散件。它除了机器人机体本身之外，还有相应 的控制软件和教学课本等。o 从外形上来说，教育机器人可以分为两类：一种是有基本形状的机器人，学 生可以在此基础上增加模块，进行改装。另一类是没有固定形状，只有一堆零部 。徐爱萍让机器人走进中小学机器人技术与应用，2 0 0 4 1 o 吴洁，何花浅诫教育机器人中国教育技术装各，2 0 0 6 7 3 首都师范大学硕士学位论文 师范院校机器人课程开发与研究 件的积木式机器人，学生可以根据自己的想象来自主搭建各种形状的机器人。两 类机器人的基本结构主要包括主板、各种传感器、运动装置以及发声器等功能模 块。 各种教育机器人的教学侧重点各不相同。有的以培养学生动手能力为主，如 积木式的机器人，学生首先要发挥想象力，自己动手把一大堆零件组装起来。有 的以培养学生程序设计能力为主，为用户提供多种语言编程的平台。如：支持训 练小学生思维的l o g o 语言或图形语言，支持适合中学生编程的o b a s i c 语言和适 合较高层次学习的类c 语言或汇编语言等。还有的教育机器人为相关专业的大学 生或研究生服务，为他们提供人工智能、机器控制、人机交互的研究平台许多 教育机器人同时配有仿真系统。仿真软件不仅可以仿真机器人，而且可以仿真机 器人的运行场地、周边环境和设施。学生可以自己配置虚拟机器人，自己在仿真 环境中为机器人搭建运行环境。 1 1 3 机器人教育已在国内外兴起 在国外，机器人已经走进了各种类型的学校中小学、大学、职业学校和 特教学校，并且受到全社会的普遍关注。在不同的学校里，机器人教育都有各自 不同的特征和教学形式。 近几年来，我国的机器人教育经历了从无到有的快速发展过程。全国的各类 学校都不同程度地开展了机器人教育，许多学校已经将机器人正式列入了教学计 划，并根据实际情况开发了各种形式的机器人课程。教育部在2 0 0 3 年颁布的全 日制普通高中信息技术课程标准中将。简易机器人制作”作为信息技术课程的 选修内容。9 2 0 0 6 年1 月，中国教育学会中小学信息技术教育专业委员会在珠海召开了 第二届全国中小学机器人教学研讨会。会议向全国首批1 1 个机器人教学实 验区和7 6 所机器人教学实验学校的代表颁发了铜牌。o 最新统计表明，机器人 教学实验学校将突破1 0 0 所，许多职业学校也希望加入机器人教学实验队伍。 这说明，我国青少年的机器人普及教育正在迎来一个快速发展的新时期。 1 1 4 机器人比赛促进机器人教育的发展 在上世纪9 0 年代中后期，全世界范围内相继掀起了机器人竞赛的热潮。其 中包括机器人足球竞赛( 韩国的f i r a 、日本的r o b o c u p ) 、美国三一学院的机器 啵术课程标准研制组普通高中技术课程标准解读湖i t ：湖北教育出版社2 0 0 4 。第二届全国中小学机器人教学研讨会报告h t t p ：m e w n r c o e c o 皿c n 2 0 0 6 2 4 首都师范大学硕士学位论文师范院校机器人课程开发与研究 人灭火比赛( t h ec o n n e c t i c u tr o b o tf i r ef i g h t i n gc h a l l e n g e ) 以及国际机 器人奥林匹克竞赛( i r o c ) 和f l l 世锦赛等综合赛事。o 在短短七、八年的时间 里，机器人竞赛的比赛规模不断扩大、比赛项目不断完善、影响力不断增强，在 机器人竞赛的同期，组委会都会举办各种机器人展览、开设相关论坛。各种论坛 旨在为参赛选手及专家提供一个交流经验、互相学习的平台，并推动机器人及其 相关技术的发展和应用。 随着国际机器人竞赛的迅速发展，我国也在青少年电子、信息技术不断普及 应用的基础上，逐步举办了一系列全国性的青少年机器人竞赛活动，比如：中国 青少年电脑机器人竞赛( 中国科协主办) 、全国中小学电脑制作活动( 教育部基 教司主办) 、全国中小学信息技术创新与实践活动( 教育部关工委主办) 等。国 内的机器人竞赛发起时间一般都在2 0 0 0 年左右，虽然比国际比赛稍微晚了几年， 但发展迅速，比赛项目多种多样，比赛规则与国际接轨，已经初具规模，影响力 逐年扩大。除了全国范围的大型比赛，有条件的省、市、区也都相应举办了不同 规模的机器人竞赛，这就能使更多的学生都有机会参与进来。机器人竞赛对机器 人教育的兴起起到了一定的推动作用，为学校的教学提供了一个展示、交流、学 习的平台，同时作为学校教学工作的一种延展，也将继续为教育机器人的普及和 发展起到不可替代的作用。 1 2 研究现状 1 2 1 国外研究现状 从2 0 世纪8 0 年代初开始，国外的中小学就已经开始进行机器人教育，许多 教育研究者、教师、机器人技术开发者纷纷关注教育机器人，积极探讨教师如何 利用机器人技术优化教学以及如何教学生学习机器人技术等问题。他们普遍认为 机器人技术就像5 0 年代的计算机技术一样，虽然在初期非常昂贵，但是随着经 济、技术的快速发展，会对社会生活的各个方面产生越来越深刻的影响，并会引 起教育领域的变革。机器人教育在国外兴起的原因主要有：科学技术的发展、教 育改革的实施、文化环境的影响和机器人竞赛的促进等。 国外的机器人教育以培养学生的科学素养为主要目标；注重教学内容和教学 方法的多样性，使教学活动充满趣味；参与对象多元化，不同性别、年龄、背景 的青少年甚至一些成年人都参加了各种形式的机器人教育。 o 孙嫒嫒，何花浅谈国际机器人竞赛上海教育科研2 0 0 5 2 5 首都师范大学硕士学位论文师范院校机器人课程开发与研究 1 2 1 1 机器人教育的实施领域 国外机器人教育的实施领域有：中小学、大学、职业学校和特教学校。不同 学校的机器人教育其侧重点各不相同。 ( 1 ) 职业教育领域 机器人与教育的结合最初主要是在职业教育领域。随着机器人技术在工业生 产中的大规模应用，工厂需要大量能够熟练操作机器人的技术工人，市场需求迫 使学校为培养符合要求的学生适当改革，机器人适时地进入职业学校，担当起教 学工具，为培养适应机器人时代的劳动力奠定了基础。 ( 2 ) 基础教育领域 在基础教育中，教育机器人给教师提供了一个在实践中教授科学和技术的良 好平台。同时，也是教师培养学生必备的工作能力，如项目管理、资源分配、信 息获取、系统理解、团队合作等科学素养的良好载体。教师可以利用机器人把孩 子眼中抽象的科学知识变得更容易理解，使他们更好地了解信息社会。机器人课 程按照以学生为中心的理念设计，其课堂变成了学生了解、应用、加强数学、科 学和技术知识的地方；教师变成了指导者，为学生的各种调研活动准备背景知识。 ( 3 ) 高等教育领域 在高等教育中，科学家利用机器人来整合其它相关学科进行教学，机器人为 培养宽口径、高素质、复合型的工程人才提供了一个良好的平台。在上个世纪 9 0 年代中后期，美国的国家科学教育基金会( t h en a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ) 大学教育分会就已经看到了机器人这一独特的教育价值，联合美国几所著名的大 学，如美国南伊利诺斯州大学( s i u e ) 、卡内基梅隆大学( o a j ) 等学校，开展了 关于在大学利用开设机器人课程整合相关学科，培养高素质工程人才的实践研 究，取得了明显的效果。 工科学生必须重视理论联系实际，培养自己的工程意识、工程思维、工程方 法，以达到具有分析、解决工程实际问题的能力。现在许多大学对学生进行专业 教育的同时，也使学生的知识和眼界相对封闭和狭窄，但是在社会实际工作中往 往需要学生能够把相关学科知识融会贯通的运用，这在工程领域尤为突出。而现 在的机器人课程为解决上述矛盾提供了一种新的思路。作为一种综合性的学习科 研活动，机器人课程打破了学科与学科之间的活动界线，加强了计算机科学、机 械制造、电子工程以及工业自动化等几个相关学科间的横向联系，让学生能够从 一个系统工程的角度，整体地理解自己所学的理论知识，拓宽专业知识面，开阔 视野。在机器人的整个开发过程中，从确定题目到分析策略、方案讨论，再到具 体设计、零部件加工制作，以及控制系统软硬件设计直至最终完成项目，不同学 院、不同专业、不同知识背景的学生充分讨论，相互学习，各种学科的研究方法 6 首都师范大学硕士学位论文 师范院校机器人课程开发与研究 和思路得到了有机的综合，同时也逐步形成了较为全面的项目开发理念，为今后 从事更高层次的研发工作积累了宝贵的实践经验。 ( 4 ) 特殊教育领域 在特殊学校中，科学家让机器人来帮助残疾人克服一定的困难，完成一些凭 借他们自己的力量不能或很难完成的工作和学习任务。 1 2 1 2 机器人教育的实施模式 按照机器人教育的实施形式不同，国外机器人教育主要包括学校模式、科技 活动模式、俱乐部模式等几种。 1 ) 学校教育是机器人教育的重要阵地之一，设计了必修课、选修课、活动 课程三种板块组成的课程结构。 2 ) 科技活动模式主要指组建机器人兴趣小组有的机器人小组以参加比赛 为主要活动内容，有的把学习机器人知识作为主要目标，并把机器人内 容纳入到定期举办的科技节、科技知识竞赛和科普阅读活动中去。 3 ) 机器人俱乐部是对机器人感兴趣的孩子们，通过网络或者其它方式，自 发组织建立起来的。俱乐部的成员一般都会为自己的俱乐部建立主页， 通过网络发布信息，探讨问题，也会定期聚集在一起，互相交流和学习。 同时，国外的机器人教育注重课内外、校内外的相互结合。例如，美国国家 科学基金会实施的机器人计划就非常强调青少年机器人活动与学校科学教育的 联系，该计划鼓励机器人项目机构聘请中小学教师参与项目工作，如担任项目顾 问小组的成员，参加项目开发与评估小组，开发机器人课程资源等。随着课程改 革的深入开展，机器人内容被一部分学校纳入到学校正式课程或者选修课程中。 另外，国外的机器人活动一直受到全社会的关注。在美、英等国家，散布在 学校和社区的众多科技馆、青少年科技活动中心都举办了机器人主题活动，为青 少年提供探究机器人奥秘的机会；电视台在政府的资助下也不断推出趣味横生的 机器人竞赛节目；高品位的机器人科幻类书刊琳琅满目，赢得众多青少年读者的 青睐：许多对机器人感兴趣的家长也积极参与孩子的机器人活动；大学、研究机 构、企业也经常为青少年安排机器人讲座、博览会、竞赛等活动。这些都促进了 机器人教育的快速发展。 1 2 2 国内研究现状 在国际大趋势的影响下，我国于本世纪初开始发展机器人教育事业。随着各 种条件的不断成熟，我国的机器人教育发展迅速。开设机器人课程的学校越来越 7 首都师范大学硕士学位论文师范院校机器人课程开发与研究 多，各种机器人竞赛日益增多，机器入产品也如雨后春笋般出现。机器人竞赛等 校外活动与机器人课程等校内活动齐头并进。许多中小学、工科类的高等院校都 开展了不同形式的机器人教育。 1 2 2 1 高校机器人教育 机器人走入高校主要通过以下几种方式： ( 1 ) 作为专门学科的教学内容。有的高校在与机器人相关的专业中，开设 专门的机器人课程。机器人的核心是智能技术，其外延则涵盖了机械、电子、通 讯、控制等多个学科和技术领域，是一个学科技术群。各个学校根据自己的实际 情况，侧重不同方面，开发了各具特色的机器人课程。一些工科类院校以机器人 作为多学科、交叉学科和前沿研究的平台。如利用能力风暴机器人研究版( as r ) 和野外研究版( as r f ) ，江苏大学机械学院、哈尔滨工业大学计算 机系等研究机器人学；复旦大学计算机系、发育智能试验室等研究人工智能；北 京航空航天大学宇航学院等研究智能控制及自动化。 ( 2 ) 作为创新课程的教学载体。有的高校在大学低年级为所有的工科学生 开设一门以机器人为载体，以培养学生综合能力和创新精神为目标的创新实践 课。通过该课程，可以使学生对工科的基础专业知识如：机械零件、机械设计、 电子、单片机、控制、编程等有直观的认知；可以建构学生可持续发展的竞争力， 这种竞争力建立在动手能力、创造力、协作能力、综合能力和进取精神等核心能 力上；还可以进一步激发学生学习工科知识的兴趣。如上海交通大学开设创新与 实践机器人导论专业课程；江苏大学、常州机电职业技术学院开设创新与实 践初级课程；哈尔滨工程大学开设创新与实践中级课程；上海交通大学与美国俄 亥俄州立大学共同开展创新与实践高级课程。 ( 3 ) 作为传统学科的研究平台。程序是机器人的灵魂。而程序设计也正是 许多理工科院校的重要教学内容之一。利用机器人，能使学生看到程序设计的应 用效果，产生自我成就感，从而激发学生的学习兴趣。机器人能够支持多种编程 语言，教师可以根据需要进行选择。机器入的流程图界面可以帮助学生整理思绪， 仿真环境能使学生及时验证自己的思路是否正确，从而提高编程效率。机械设计、 单片机等课程更加适合以机器人作为研究平台，开发各种项目。比如，可以用积 木型机器人搭建自动化工厂，模仿电梯、自动洗衣机等的工作过程。 ( 4 ) 作为毕业设计的内容。开发机器人项目具有一定的综合性，能让学生 综合应用大学里所学到的知识。同时，机器人项目具用较强的实用性和趣味性， 能激发学生学习的兴趣。国内已有学校把机器人作为学生毕业设计的题目。如： 天津工程师范学院以“小型机器人设计与制作”为课题，组织自控、机械、电子、 8 首都师范大学硕士学位论文师范院校机器人课程开发与研究 计算机等专业的大学生，从三年级开始参加毕业设计改革试点，由以上专业的教 师联合组成跨学科的指导教师小组，在制作多台不同结构和功能的教学用机器人 的基础上，按照低成本、模块化、系统集成的设计思想，研制了多种通用机器人 设计和制作的标准化模块及多种传感器模块。根据设计任务需要，学生也可进行 特定的模块设计。回此方法，降低了制作成本和跨专业学习机器人的难度，提高 了学习效率，取得了较好的效果。学生在教师的指导下进行系统模块配置、模块 设计以及机器人结构设计安装、制作、调试和模块软件编程等环节的学习设计 制作出小型机器人要进行比赛，并完成研制报告和毕业设计论文。此项教育改革 把毕业设计和第二课堂相结合，利用学生的课余时间延长毕业设计时间，提高了 毕业设计课题的综合性，培养了学生的设计能力、创新能力、动手能力和跨专业 的综合应用能力，为机器人教育的发展和机器人应用人才的培养提供新的途径， 为高等教育，特别是工程教育的教育改革开辟新路。 1 2 2 2 中小学机器人教育 在中小学引入机器人，并不是要将大学的相关专业课程简单地“下放”到中 小学来，单独设立机器人课程，而是根据基础教育的教育目标和学生的认知特点， 选取适当的教学内容，使我们的青少年学习一点机器人的基础知识和基本技能， 以培养他们的创新精神和综合实践能力 机器人可以通过以下几种方式，走进中小学课堂。 ( 1 ) 与信息技术教育相融合。机器人技术涉及传感器、计算机软件、硬件、 人机交互、人工智能等多门学科，几乎涵盖了信息技术的各个方面。机器人能够 极大地丰富信息技术教育的教学内容。教师可以向学生介绍机器人的发展和应用 状况，使学生理解机器人的概念和工作原理。各种外露的传感器能够强烈地激发 学生的好奇心，教师可以趁机讲授各种传感器的原理和作用。这些都可以为学生 进一步学习相关知识打下基础。 ( 2 ) 与传统课程相整合。将教育机器人用于传统课程的教学中，可以开发 学生早期智力，激发教师和学生的学习兴趣。比如，平面几何图形是中小学数学 的重要部分。用l o g o 语言编写程序，可以让机器人走出各种轨迹，并在仿真环 境中画出相应图形，从而直观形象地让学生理解各种图形。 物理是一门试验学科，教师可以利用教育机器人来做物理试验。比如，可以 利用机器人代替传统的小车来验证匀速直线运动的速度、位移和时间的关系；可 以将机器人改装，让机器人以一定速度原地旋转，从而学习匀速圆周运动的相关 知识。还可以用机器人来讲授基本的电学知识等。 1 】李春华等发展机器人教育，培养综合综合型创新人才的研究与实践天津工程师范学院学报2 0 0 5 1 2 9 首都师范大学硕士学位论文 师范院校机器人课程开发与研究 ( 3 ) 与课外活动相结合。机器人还可以作为学生课外活动的好朋友。教师 可以组织有兴趣的同学组成机器人小组，利用课余时间开展各种机器人活动，参 加各类机器人比赛，使他们在玩的过程中学到先进的机器人知识，提高综合能力， 培养团队精神。 我国中小学机器人教育正在蓬勃发展。开展机器人教育比较成功的学校有： 北京景山中学、湖北省孝感市第一高级中学、西安高级中学、上海市静安区第一 中心小学等。 1 3 研究目的 本课题的研究目的在于运用成熟的课程开发模式和先进的教育理念，结合师 范生的自身特点，开发机器人课程。 通过该课程，提高学生的知识水平，锻炼动手能力，增强创新意识，培养团 队精神和协作能力，促进学生的全面发展，为提高学生的综合能力寻找有效途径； 扩大我国机器人教育的研究领域，为中小学开展机器人教学培养合格的师资力 量，推动我国机器人教育事业的发展；同时让学生体验优秀的教学方法，更新教 育理念，促进教育改革，推动我国教育事业的进步。 另外，希望通过本研究为其它院校开设机器人课程和在职教师开展机器人培 训提供值得借鉴的经验。 1 4 研究内容 本课题研究的主要内容有以下三个方面； ( 1 ) 师范院校开设机器人课程应该如何制定教学目标、选择哪些知识作为 课程内容、如何组织教学内容，采用何种评价方式。 ( 2 ) 设计并开发网络环境下的“机器人教学辅助系统”。 ( 3 ) 在首都师范大学信息工程学院开设机器人课程，进行实证研究，同时 进一步探讨如何在实践中开展机器人教学。 1 5 研究方法 研究方法的选择与使用对于研究本身起着至关重要的作用，依据本研究的实 际，本课题在研究方法的选择上主要采用文献研究、问卷调查和访谈法等。 ( 1 ) 文献研究： 1 0 首都师范大学硬士学位论文师范院校机器人课程开发与研究 通过“手检”( 手工式文献检索) 和“机检”( 计算机化文献检索) 方式，查阅 大量专著、报刊、教育文档和网上资料，认真研究、分析和整理有关课程开发和 机器人教育等方面的相关文献，对本研究课题的前沿动态有清晰的了解，为本课 题研究奠定必要的理论基础。 ( 2 ) 问卷调查 以机器人课程的潜在教学对象首都师范大学理工科学生为调查对象，了 解他们的知识水平和学习需求等；以参加机器人培训的一线教师为调查对象，就 机器人教学需要，师范院校机器人课程的教学目标，教学内容等问题征求他们的 意见。以选修机器人课程的学生为调查对象，了解他们的学习成果和学习体会。 ( 3 ) 访谈法 采用个别访谈与小组访谈、正式访谈与非正式访谈、对专家、教师的访谈与 对学生访谈“三结合”的方法，对机器人教育的趋势和师范院校机器人课程的教 学目标、教学内容、教学方法、评价方式等问题进行访谈。 1 1 首都师范大学硕士学位论文 师范院校机器人课程开发与研究 第二章师范院校机器人课程的意义及其理论基础 2 1 师范院校开设机器人课程的意义 2 1 1 为开展机器人教学培养师资力量 机器人技术是一个国家科技发展水平和国民经济现代化、信息化的重要标 志。据了解美国、日本等一些发达国家已经看好机器人教育对未来高科技社会的 作用和影响，他们在中小学信息技术教育中都不同程度地对学生进行机器人教 育。为了与国际接轨，为了迎接即将到来的机器人时代，我们必须大力发展机器 人教育。目前，我国许多中小学都先后开展了机器人教育。随着机器人技术的进 一步发展，机器人将会走进越来越多的学校，越来越多的学生将与机器人成为伙 伴。面对中小学机器人教育的快速发展，如果师范院校不及时采取措施，不在信 息技术教育专业的师范生中开展机器人教育，那么必将会出现机器人教师严重缺 乏的情况。 机器人作为高科技的产物，涉及工业设计、机械、电子、传感器、计算机软 件、硬件、人机交互、人工智能等多门学科。它的出现极大地丰富了中小学信息 技术教育的教学内容，给信息技术教育带来了新的活力。但同时对信息技术教师 也提出了更高的要求。要开展机器人教育，要求教师掌握机器人所涉及学科的相 关内容，但实际情况是很多教师并不具备这些知识，因此，不能很好地开展机器 人教学活动。虽然有的机器人厂家提供了一些短期培训，但也只涉及到部分比较 容易的内容，只能治标不能治本。 另外，机器人的教学要求教师具有新的教学理念，采用新的教学方法，这样 才能充分地发挥机器人的教育价值，才能有效地促进学生的全面发展。而有些教 师对这些新的教学理念并不了解，不能合理地采用新的教学方法来组织教学，有 的甚至只采用传统的讲授法，使生动有趣的机器人课堂变得十分乏味，大大降低 了课程的教学效果。要从根本上解决这些问题，需要师范院校采取措施，在信息 技术教育专业的师范生中开展机器人教育，向社会输送能成功开展机器人教学的 信息技术教师。 2 1 2 促进学生的全面发展 在师范院校中开设机器人课程，能够提高未来教师的综合能力，促进其全面 首都师范大学硕士学位论文师范院校机器人课程开发与研究 发展，从而有利于未来我国教师综合水平的提高。 ( 1 ) 从知识获得的角度讲 目前中小学的信息技术老师大多是计算机专业的师范类毕业生，他们在学校 所学的知识往往只限于计算机类的专业课程，对信息技术所包含的机械、电子、 传感器等其它知识知之甚少。随着科技的进步，生活中会用到越来越多的人工智 能、传感器等知识，这些内容在教学中所占的比重也会逐步增大，这种知识上的 欠缺往往会给以后的教学工作带来诸多不便。 通过开设机器人课程，能够扩大学生的知识面，提高他们的专业知识水平。 使他们掌握机器人所涉及的机械、电子、传感器、计算机软件硬件和人工智能等 学科的相关内容。目前的研究表明接受过机器人教育的学生，当问到门为什么会 自动打开，灯为什么会自动亮等问题时，都能够科学地给予回答。 ( 2 ) 从能力培养的角度讲 信息时代要求教师具备较高的信息素养，有一定的实践能力和创新精神。而 目前师范院校的教学大多只重视基本知识和基本技能的传授，而对学生信息素 养、创新精神和实践能力的培养并不到位。很多学生只知道具体的知识，不知道 如何去用这些书本上的内容；遇到新的问题常常束手无策，不知道该如何解决。 在机器人课程中，通过学习为机器人编写程序，可以提高学生分析问题和解 决问题的能力；通过学习扩展、组装机器人，可以增强学生的创新意识，锻炼动 手能力；通过以小组合作的形式完成机器人项目，可以培养学生们的协作能力和 团队精神。 ( 3 ) 从情感教育的角度讲 在机器人试验的过程中，能够使学生体验成功，感受失败，锻炼挫折承受能 力。机器人的调试不是一次就能成功的，学生在这个过程中需要承受挫折、挑战 自我，小组之间的成员需要相互鼓励，共同克服困难，最终取得胜利。这些情感 体验，对于长期处于被保护状态的独身子女来说是非常难得的。 2 1 3 更新教学理念，促进教育改革 机器人课程是- - l q 新兴的课程，它具有创新性、综合性、开放性、发展性、 实践性和探究性等六大特征。国在教学过程中，教师需要在建构主义、多元智能 等理论的指导下，运用多种教学方法，讲授经过整合的内容，并采用灵活的评价 方式来评价学生。通过这门课程，学生可以切实体会到先进的教育理念和教学方 法对学生发展的影响，并从中学到如何在日常教学中运用新的教学方法。这对他 。中小学信息技术教育专业委员会中小学机器人课程指导意见( 试行) h t t p ：m v w n r c c e c o m 2 0 9 1 3 首都师范大学硕士学位论文师范院校机器人课程开发与研究 们以后的教学工作大有裨益。 通过以上的分析可以看出，机器人教师的教学水平将极大地影响着我国机器 人教育事业的发展。我国机器人教育的蓬勃发展客观上要求我们师范院校为其培 养能胜任机器人教学工作的优秀教师。在高等师范院开设具有师范特色的机器人 课程具有重要意义。 2 2 师范院校开发机器人课程的理论基础 在师范院校开发机器人课程，其理论基础主要有以下几方面： 2 2 1 泰勒经典课程开发理论 在课程研究历史上，最有名的开发模式是泰勒的目标模式。泰勒的目标模式 在课程开发理论中的地位之所以是不可替代的，那是因为泰勒在他的目标模式中 提出了任何课程开发理论都必须面对的四个问题：回 学校应该达到哪些教育目标? ( 课程目标) 提供哪些教育经验才能实现这些目标? ( 课程内容的选择) 怎样才能有效地组织这些教育经验? ( 课程内容的组织) 我们怎样才能确定这些目标正在得到实现? ( 课程评价) 将这四个问题串起来，就构成了目标模式的模式图( 见图2 - - 1 ) l确定课程目标 丫 i选择课程内容 l课程内容的组织 l课程评价 图2 - i 目标模式 机器人课程的开发也必须解决目标模式中的四个基本问题。本研究在前期进 行宏观设计时，着重研究了这四个基本问题。 。( 美) 泰勒( t y l e r ，r a l p h ) 著施良方译课程与教学的基本原理人民教育出版社 1 4 首都师范大学硕士学位论文师范院校机署人课程开发与研究 2 2 2 建构主义理论 建构主义认为，学习者在学习的过程中有能力利用已有的经验使自己的认知 结构发生重组和改变，学习不是一个被动接受信息的过程，而是在原有知识基础 上主动建构新知识的过程。同时，学习具有情景性，在闯题情境中学习更有利于 学习者获得认知、掌握技能、发展能力。回 建构主义学习理论给我们的启示是：在机器人学习的过程中，要善于调动和 充分利用学生已有的知识经验，把这些经验也作为学生的学习资源，使学生不再 对机器人技术感到陌生和恐惧：要积极创设问题情景，展示与现实中专家解决问 题相似的探索过程，以此来启发学生的思维，激发学生的求知欲，使学生在解决 问题的过程中较容易地获得机器人技术知识与技能，发展交流与评价能力。 2 2 3 多元智能理论 著名认知心理学家、哈佛大学教授加登纳( h o w a r dg a r d n e r1 9 4 3 一) 于上世 纪6 0 年代提出了多元智能理论。加登纳认为，智能是人类在解决问题与创造产 品过程中表现出来的为一种或数种文化环境所能珍惜的能力。因此，在这里，智 能和能力有类似的内涵，多元智能亦可称为多元能力。 多元智能理论认为人类智能主要由7 种相对独立的智能构成，并在大脑神经 系统中有相当的定位。o 这七种智能分别是： ( 1 ) 语言智能 ( 2 ) 音乐智能 ( 3 ) 逻辑数学智能 ( 4 ) 图形智能 ( 5 ) 身体协调智能 ( 6 ) 人际交往智能 ( 7 ) 自我认识智能 多元智能理论揭示了为什么人们某些才能出众但另一些才能不行。例如，有 的人具有卓越的文学才能，却不喜欢数学；有些人擅长运动，但不善于语言表达： 有些人是杰出的艺术家，但自我认识能力不够等等。 在课程的开发过程中，我们特别注意培养学生多方面的能力，鼓励学生用多 元理论的观点去认识自身，同时发现别人，特别是自己学生的优缺点。 多元智能理论对教育的革命性意义在于，每个人的智能结构不一样，不能用 。何克抗建构主义一一革新传统教学的理论基础学科教育，1 9 9 8 3 。加德纳多元智能理论北京：教育科技出版社2 0 0 0 1 5 首都师范大学硕士学位论文师范院校机器人课程开发与研究 单一的指标衡量其优劣。以整体智能的形式简单评价人的智能是不科学的教育行 为，往往会扼杀人的才能。 机器人课程的评价就不能以“掌握了多少知识”作为衡量所有学生的唯一标 准。除了对学生的学业成绩进行评价之外，还应对学生参与学习的积极性，学习 态度进行评价，以使所有学生都能在评价过程中看到自己的进步，进而增强学生 的人生自信。 2 2 4 合作学习理论 合作学习以现代社会心理学、教育社会学、认知心理学、现代教育技术学等 理论为基础，以研究与利用课堂教学中的人际关系为基点，以目标设计为先导， 以师生、生生、师师合作为基本动力，以小组活动为基本教学形式，以团体成绩 为评价标准，以标准参照评价为基本手段，以大面积提高学生的学业成绩、改善 班级内的学习气氛、形成良好的心理品质和社会技能为教育目标，是一种具有创 意与实效的教育理论与策略体系。 机器人课程涉及多方面知识，依靠学生单独完成学习任务往往比较困难，通 过小组合作学习的方式进行学习能够降低学习难度。学生在合作学习过程中，互 相交流，能提高学生的语言表达能力；共同完成任务，能够培养学生的协作能力 和团队精神。另外，教育机器人的价格毕竟比较高，很难做到给每个学生都配置 一台机器人，客观上要求使用合作学习的方式开展教学。因此，合作学习理论是 机器人课程的重要理论基础。 2 。2 5 创新教育理论 阎立钦认为：“创新教育不仅仅是教育方法的改革或教育内容的增减，而是教 育功能上的重新定位，是带有全面性、结构性的教育革新和教育发展的价值追 求。”o 朱永新撰文指出：“创新教育也就是根据创新原理，以培养学生具有一定的 创新意识、创新思维、创新能力以及创新个性为主要目标的教育理论和方法。”o 张志勇也指出：“创新教育是与接受教育相对而言的，以继承为基础、发展为目的， 以培养创新性人才为价值取向的新型教育。”o 进入2 1 世纪后，时代对人的素质提出了更高的要求，面向未来，我们的教 育必须着眼于促进人的创新能力的发展，在宽松、开放、安全的学习环境中，以 。王坦合作学习的理念与实施北京：中国人事出版社。2 0 0 2 口阎立钦实施创新教育，培养创新人才教育研究，1 9 9 9 年第7 期 。朱永新，杨树兵创新教育论纲教育研究1 9 9 9 年第8 期 蛾志勇关于实施创新教育的几个问题教育研究2 0