（教育技术学专业论文）小学开展机器人教育的研究.pdf

摘要 机器人一种是集计算机、机械电子、物理学、数学等多学科为一体的综合技术。有 科学家预言信息时代之后人类将迎来机器人时代，目前美、英、日、韩等发达国家都非 常重视机器人技术的发展，不仅在高等学府开设了机器人专业，还纷纷在基础教育阶段 开展机器人教育。我国的机器人教育还处于起步阶段，多以竞赛为目的，以特长生的培 养为主，极少有学校将机器人纳入常规教学，我们认为任何一门教育只有面向了全体学 生才能发挥它的真正价值。 本研究以机器人课堂教学作为研究重点，以通用机器人为教学载体，将仿真机器人 与实体机器人两种教学形式相结合，以机器人的程序控制教学为研究重点，探索在常规 教学中开展机器人教学的教学模式、教学策略、教材开发及教学评价，摸索出一条能够 体现开放式个性化办学特色的智能机器人教学新路。这项研究填补了吉林省在此领域 研究的空白，对小学开展机器人教育有着重要的理论意义和实践价值。 文章的结构如下： 第一部分是引言，阐述研究的背景，研究的意义和价值；正文分为五章，第一章介 绍了研究对象的选择，提出研究的主要问题及方法，并对文章中的相关概念进行界定和 说明。第二章针对机器人教学的三种形式进行了阐述；第三章对机器人校本教材开发的 理念和特点做了详细论述；第四章对机器人课程的教学策略进行了论述；第五章是两个 机器人课的教学设计，从中体现理论在实践中的应用。 关键词：机器人教育；教学实践；校本教材；合作学习；探索学习；教学策略 a b s t r a c t t h er 0 b o ti sa i li n t e 酗t e dt e c h n 0 1 0 9 i c a lp r o d u c tc o 璐i s t 咄o fc o m p u t e r t e c h n 0 1 0 既 m e c h a i l i c a le l e c 打o n i c s ，p h y s i c s ，m a t l l e m a t i c sa i l dm a n yo t l l e rs u b j e c t s s c i e m i s t sh a v e p r e d i c t e dt l l a tt 1 1 er o b o te r aw i l lc o m ea f i e rt l l ei n f o 肌a t i o na g e ，a n da tp r c s e m ，m a n y d e v e l o p e dc o u n 埘e sl i k em eu 1 1 i t e ds t a t c s ，b r i t a i n ，j a p a l l ，a 1 1 ds o u t hk o r e ah a v ca t 窿i c h e d f e a li m p o n a l l c et ot h ed e v e l o p m e m0 fr o b o tt e c h n o l o g y ，n e yn o t0 1 1 l yh a v cr o b o t t & h n 0 1 0 9 ya sap r o f e s s i o n a lc o l l r s ei nt h ei n s t i t u t i o n so f 王l i g h e r l e 锄i i l b u t 1 e ya l s ok ei t a sac u r r e n tc o u r s ei nt h eb a s i ce d u c a t i o ns t a g c c l l i n a sr o b o te d u c a t i o ni s s t i l la ta 1 1e 盯l y s t a g e ，a sm o s to f 廿l et r a i n m gi st a r g e t e da tc o i l t c s t sa n dr e l y m gu p o ng i r e da n dt a l e m e d s t u d e n t s ：f c ws c h o o l sh a v et l l i ss u b j e c ti nt h e i rn o m “s c h e d u l e ，w eb e l i e v et h a t0 1 1 l yi fa 1 1 e d u c a t i o ni sa v a i l a b l et oa l lm es n l d e m sc a ni tp l a yi t sr e a lv a i u e t l l i sr e s e a r c hi sf o c u s e do n 钯h i n g 州廿lr o b o t si nc l 嬲s r o o m ，、v i t h 也ec o m m o nc a r r i e r r o b o t 船a 把a 出n gs u p p c n c o m b i n i n gt 1 1 et e a c l l i n go fm b o t i cs i m u l 鲥o n 谢廿1 曲er o b o t e m j 吼w i t he m p h a s i so nt e a c l l i n gt 1 1 ec o m m l l e dr o b o t ，“e x p l o r e st l l em o d e ，s n m e 西e s ， m a t e r i a l sd e v e l o p r n e ma i l de v a l u a t i o no fr o b o tt b a c h i n gi ne v e r y d a yt e a c h i n 舀t r y i n gt of i n d an e ww a yt h a tc 趴r e n e c tm eo p e n i i l ga n dp e r s o n a l i t y - b a s e df e a m r eo f o l l rs c h 0 0 1 - t h i ss t u d y h a sf i l l e di i lt h eg a p si nt h j sa r e ao fr e s e a r c hi n 血ej i l i np r o v i n c e ，a n di th a sg r e a ti m p o n a n c e i nb o t l lat l l e o r e t i c a la l l dap m c t i c a l ，a yf o rr o b o te d u c a t i o ni np r i m a r ys c h o o l s t h ea n i c l ei ss n u c t u r e da st 0 1 l o w s ： n ef i r s tp 积i s l ei n 打0 d u c t i o 玛d e s c 曲i n gm eb a c k g r o l m da f l dv a l u eo ft h es t t l d y t h c t e x ti sd i v i d e di n t of i v ec h a p t e r s t h ef i r s tc h a p t e ri m r o d u c e st 1 1 eo b j e c t so fc h o i c ef o r 血e r e s e a r c l l 趾dd e 矗n e sa n di l l u s 订a t e st h er e l e v 趾tc o n c e p t si nt 1 1 ea n i c l e t h es e c o n dc h 印t e r e x p o u l l d s 也et h r e ef o r n l so fr 0 b o te d u c a t hc h a p t e ri i ig i v e sad e t a i l e de x p o s i t i o nf o r 血c c o n c e p ta n df c 咖r e so fd e v e l o p i n gs c h 0 0 1 - b a s e dt e a c h i n gm a t e r i a l so fr o b o te d u c a t i o n c h 印t e r i vd i s c u s s e st e a c h i n gs t r a t e g i e so fm er o b o tc o u r s e s c h 印t e rv s h o w st 、v ot e a c h i n g p l a n so f r 0 b o te d u c a t i o n ，砌c he m b o d i e sm ea p p l i c a t i o no f m e o r i e si np r a c t i c e k e yw o r d ；r 0 b o tt e a c h i n g ；t e a c h i n gp r a c t i c e ；s c h 0 0 1 - b a s e dm a t e r i a l s ；c o o p e r a t i v e l e a n l i n g ；d i s c o v e r yl e a m i n g ；t e a c h m gs t r a t e g i e s h 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得 的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了 明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：东 北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、 汇编本学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库 ( 中国学术期干u ( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技 术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：鲋矿产指导教师签名：学位论文作者签名：厶 锄9 彳勺、指导教师签名： 同 期：型型：! ! - 0 7 日期： 学位论文作 工作单位： 通讯地址： 电话：丝6 蟛 邮编：丛! 型 东北师范大学硕士学位论文 引言 一、机器人教育现状与发展趋势 智能机器人是一门新兴的学科，追根溯源它是由数字化智能玩具发展而来的。 ( 一) 数字化智能玩具 科学技术的不断发展，使计算机、电子、通讯等领域内的先进技术在玩具设计中得 到应用。让玩具逐步智能化，甚至与p c 相连，同互联网“搭脉”，这在我国还处于萌 芽状态，但在欧美市场却风靡己久。美国玩具制造商协会主席彼德艾奥说：“电脑技 术与玩具的结合，己成为玩具制造创新与发展的方向”。1 。随着技术的进步，智能化互 动型玩具和教育电子产品逐步成为新一代玩具的潮流。将数字信息技术介入到传统的幼 教方式中去，利用有效的手段与工具对儿童进行数字化启蒙，关系到儿童未来的成长和 中国未来的竞争力。 数字化益智玩具就是将数字信息技术介入到玩具当中，以开发人的智力为主要目的 高科技玩具。新一代高科技益智类幼儿教育玩具根据儿章不同成长阶段的心理、行为和 智力发展特点，通过视、听、触等多感觉通道，运用寓教于乐的互动游戏，循循善诱地 激励诱导，帮助孩子系统地掌握拼音识字阅读、英语、数学、自然科学、音乐、百科等 基础知识，是网络化的、儿童智能互动的有声电子玩具。”。它能开发智力和潜能、培养 幼儿基本动手技能，还可以通过互联网实现教材的不断更新和升级，满足儿童随着成长 而不断增长的对知识的个性化需求。 ( 二) 智能机器人 智能机器人是一个多种高新技术的集成体，它融合了机械、电子、计算机硬件、软 件、数学、人工智能等许多学科的知识，涉及到当今许多前沿领域的技术”。它能使学 生在实践项目的过程中激发和强化他们的创造力、动手能力、协作能力、综合能力和进 取精神，具有很好的趣味性和挑战性，能有效激发学生的学习兴趣。 教育机器人是一种十分典型的数字化智能玩具，适用于各个年龄阶段的人群。并且 可以在不同角度、以多样的形式发挥其教育作用，达到寓教于乐的目的。 ( 三) 国外智能机器人教育的现状 国外的数字化智能玩具发展较快，种类也比较多，主要有会与人交谈的智能 玩具，科学拼装智能玩具，教人读书认字的玩具等等。不少公司也把注意力转移到具有 教育功能的数字化智能玩具智能机器人上。 智能机器人的应用，在国外一直是个研究的热点。目前美、英、日、韩等发 达国家都非常重视机器人技术的发展，通过开展机器人竞赛促进这项教育的开展，国外 1 东北师范大学硕士学位论文 的各种机器人竞赛，如美国三一学院的机器人灭火、韩国的f i r a 、同本的r o b o c u p 、f l l 挑战赛如火如荼。在开展机器人竞赛的同时，一些国家不仅在高等学府开设了机器人 专业，还纷纷在基础教育阶段开展机器人教育，如2 0 0 7 年3 月，韩国教育部宣布将机 器人课程纳入中小学的必修课程。 ( 四) 中国智能机器人教育的现状 我国的机器人教育还处于起步阶段，以竞赛为主，国内各个省市举行的机器人比赛 把教育机器人的应用推向了一个高潮。国内的教育机器人产商主要包括：上海广茂达， 南京紫光科教有限公司，北京通用依耐特，中鸣数码等等“。在这些公司的推动下，我 国的数字化智能玩具也已有了很大的发展，哈尔滨工业大学的机器人工程技术中心研制 出我国首台带面部表情机器人“百智星”是专门针对o 8 岁儿童智力肩蒙、性格塑造 的关键阶段开发的，并使用一个专门的百智星幼教网站作为后台支持的幼教工具。 除了机器人竞赛以外，国内的教育者也积极推动机器人进入中小学的常规课堂， 2 0 0 0 年北京景山学校将教育机器人的教育以科研课题的方式纳入到信息技术课程中，在 国内率先开展了中小学智能机器人课程教学。我国教育部于2 0 0 3 年4 月正式颁布普 通高中技术课程( 实验) ，首次在“信息技术”科目中设立“人工智能初步”选修模块， 从而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。2 0 0 5 年9 月份开始，哈尔滨在师范附小、 6 0 中、省实验中学等4 1 所学校开设了人工智能与机器人课程教学试点，以必修课形式 对小学、初中、高中等三个学段的学生进行机器人科学方面的教育。2 0 0 6 年，哈尔滨市 中小学将全面开设“机器人课程”。香港则在高中及高等教育新学制的改革中，首次在 高中设计与应用科技中，增设有关机器人制作的课程。2 0 0 5 年1 2 月中国教育学会 中小学信息技术教育专业委员会公布了“全国中小学机器人教学实验学校”7 6 个首批 机器人教学实验学校，涉及全国1 6 个省。在吉林省尚未有小学开展机器人的常规教学， 这方面的教育研究也相当缺乏，因此本课题将填补吉林省在机器人教育方面的空白。 ( 五) 机器人基础教育存在的困难 机器人已经成为呼声很高的创新教育平台，并且正在大踏步地走向基础教育。随着 各地中小学机器人教育的开展，各种问题和困难也应运而生，主要包括： 1 机器人竞赛商业化严重，教育发展方向偏移 在基础教育阶段，机器人教育更多的是以机器人竞赛的形式开展。目前，机器人竞 赛鱼龙混杂，数量繁多，绝大部分是由某些机器人制造商独立或联合举办，教育行政部 门的监管力度不够，在竞赛规则、裁判确定、奖励办法等方面存在较大差异和倾向性， 常常是哪个商家主办，竞赛规则就会有意倾向主办方，而且这些商家为了不断销售自己 的最新产品，每年都按照新产品来改变规则，不仅使参赛选手的机型受到很大限制，也 使教育成本加大。在这种功利化思想的影响下，很多商家在学校参赛过程中，直接派技 术人员“帮助”学生比赛，与其说是帮助，不如说是代劳，比赛实际上成了机器人商家 2 东北师范大学硕士学位论文 之间的比赛，学生和老师在这个过程中根本得不到真正的锻炼和提高，这对机器人教育 的实施与普及是极其不利的。 2 资金严重缺乏，配套组件及设施不够 机器人的价格普遍比较昂贵，一般单机价格都在数千至上万不等，各种主机模块、 传感器及其他配件也价格不菲，这对于课堂的普及增加了难度。 3 教育研究欠缺，教学活动随意性强 目前将机器人课程引入常规教学的实践还非常少，相关教育研究非常缺乏。尤其对 中小学教师而言它是一种全新的事物，课程内容、教学方法、教学评价等都很欠缺。虽 然，有些教育较发达的地区作为地方课程或校本课程来开设，但教学内容与活动随意性 都较强。 ( 六) 机器人教育的发展趋势 课外活动小组毕竟是小部分人的活动，虽然这对于特长教育有着不可否认的作用。 但是，课外活动的系统性、普及性和公平性都得不到保证。对于机器人教育这个新鲜事 物，课外活动小组的引导作用是非常重要的，但是如果不向学科课程发展，其教育理论、 教育方法的成熟是缓慢的。所以，随着下一步新课程的实施，机器人教育走进课堂成为 一种必然的发展方向。向课堂教育发展，需要包括教材建设、教法研讨等几个步骤，是 一个持续发展、革新的过程。 二、在小学开展智能机器人教育的意义与价值 ( 一) 小学开展机器人教学，开发机器人文化的教育功能和发掘机器人的教育价 值。 有利于推进教育创新，促进教育改革和教育现代化；有利于创造型、研究型、专 家型教师队伍的形成；对于激发小学生爱科学、学科学、用科学的浓厚兴趣，培养他们 的创新意识和实践能力，提高学生的综合素质，具有重要的现实意义和理论价值“”。 ( 二) 开展机器人教学更能体现学校个性化的办学特色，实现新课程教育理念。 笔者在进行研究的过程中以东北师大附小为研究样本，我校的师生信息技术能力 已走在了全省前列，开展机器人教学，以服务学科学习为目的，集情境、任务、游戏三 位一体。立足于学校的实际，以学校的教育理念为宗旨，通过研究和探索，摸索出一套 将机器人教学普及到常规教学的方法。 ( 三) 程序语言的教学，促进学生思维品质的形成。 程序设计过程要求学生一丝不苟、思维缜密，这就有利于强化学生的思维训练、拓 展学生的思维空间、优化学生的思维品质。1 。 东北师范大学硕士学位论文 ( 四) 开展机器人教学有利于教师的专业发展。 机器人是全新的信息技术教学领域，在开展机器人教学过程中，教师不仅是教学的 实施者，也是教学的设计者、教材的编制者。这些都要求教师在教学的过程中不断地去 探索规律、提高自身的理论素养。不仅要有扎实的基本功，专业的学科知识，精湛的教 学艺术，还要有融会贯通的综合能力”1 。 总之，任何一门教育只有面向了全体学生才能发挥它的真j 下价值，因此机器人走进 常规教学的课堂是大势所趋。 东北师范大学硕士学位论文 第一章研究设计方案 一、研究问题的阐述 ( 一) 国家对于小学阶段开展机器人教育的要求和建议 中小学信息技术教育专业委员会机器人学组，在2 0 0 4 年制定的中小学智能机器 人课程指导意见( 试行) 里明确规定了中小学智能机器人课程的任务、特色和建议目 标。 1 中小学智能机器人课程的主要任务 培养学生对智能机器人的兴趣，让学生了解和掌握以智能机器人为载体的通用技术 与信息技术的基本知识和技能，了解技术的发展及其应用对人类生活和科学的深刻影 响。通过智能机器人课程培养学生良好的信息素养、创新精神和实践能力。教育学生正 确认识和理解技术与文化、伦理和社会等问题，树立正确的技术观。 2 中小学智能机器人课程的主要特点 智能机器人在中小学既不是一门学科也不是一门独立开设的课程。随着科学技术的 发展和课程改革的深入，智能机器人的教学内容将渗透到越来越多的中小学校的多门课 程和课外科技活动中，成为这些课程或活动的重要组成部分。中小学智能机器人课程的 主要特点是： ( 1 ) 创新性 智能机器人的研发与应用，虽然已有一段较长的历史，但其快速发展与较大范围的 普及则是近几年的事情；智能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；不能简单地把现有的工业机器人或玩具机器人引入中小学，研发 制作具有良好适用性的中小学教学用机器人本身即具有创新性：中小学智能机器人教学 的主要目标之一是培养学生的创新精神，其教学设计、教学模式、教学方法和教学评价 也必须具备创新性；开展各种展示和竞赛活动是普及智能机器人的重要途径之一，智 能机器人竞赛项目的内容、规则以及评分办法等的创意设计都极富创造性和挑战性。 ( 2 ) 综合性 智能机器人集材料、机械制造、能源转换、生物仿真、信息技术之大成，是综合性 很强的现代技术。以智能机器人为载体的教学，能够而且必须着眼于培养学生的综合能 力。 ( 3 ) 开放性 教学用智能机器人应具备开放性。目前，有些试图进入中小学的机器人，片面追求 外型美观，壳体固定，学生不容易打开。厂家的意图是学生只要“使用”就可以了， 不必深入了解机器人的构造与工作原理。这显然有悖于我们开设本课程的初衷。技术 东北师范大学硕士学位论文 课程标准简易机器人制作单元要求学生自己制作简易机器人。一些厂家f 在研发教学 用机器人散件( 套件) ，供学生自己动手组装机器人。成品教学用机器人一般也应该为学 生拆卸、重组和改装提供方便。同时，中小学智能机器人课程也应具备开放性。它应该 突破传统课堂教学的封闭性，打破课内课外、校内校外的界限，要充分利用社会的多种 教学资源，从而作到以较少的投入实现本课程的教学目标。 ( 4 ) 发展性 机器人技术发展迅猛，机器人的应用领域也在迅速扩大。同时，随着本课程教学实 验和相关研讨的深入开展，智能机器人课程建设一定会有长足的进步。因此，必须对 本课程的发展性有足够的认识。要处理好课程内容相对稳定与健康发展之间的关系，要 注意避免因某种已经进入学校的机器人产品的固定功能而导致本课程僵化的现象出现。 ( 5 ) 实践性 智能机器人在中小学属于技术类课程，实践性是其本质特征之一。本课程的教 材编写、教学设计以及评价方法都应突出实践性，强调培养学生的动手能力“。 ( 6 ) 探究性 智能机器人课程为实施探究性教学提供了载体和条件。 3 对于小学阶段的机器人教学建议提出 ( 1 ) 了解智能机器人的应用，培养学习使用机器人的兴趣。 ( 2 ) 了解智能机器人是怎样感知光信号和声音信号的。 ( 3 ) 学习l o g o 语言( 或某种适宜本学段学生使用的语言) ，会编写简单程序指挥机 器人做预定的动作。 ( 4 ) 在学习和使用智能机器人时学会与他人合作，遵守游戏规则。 ( 5 ) 有条件的学生可以学习简易机器人的组装与维修的知识与技能。 ( 二) 本课题研究的机器人教育目标 根据中小学智能机器人课程指导意见( 试行) 的目标建议，我们根据东北师大 附小的实际情况和教学特色，制定了适合我校教学特点的机器人教育目标。 1 知识与技能目标 初步了解机器人产生的背景，机器人的研究和应用现状、种类及未来的发展方向： 了解机器人的构造、工作原理和各种机器人传感器；初步了解机器人对生活和生产带来 的变化和影响；了解什么是程序，在老师、校本教材和同学的帮助下，能够运用模拟机 器人仿真，编写程序控制机器人完成简单的任务；通过程序的编写和调试控制实体机器 人解决简单的问题，如机器人行走、避障、唱歌、灭火、走迷宫等。 2 过程与方法目标 通过实际操作，体会机器人是怎样工作的，在动手操作中培养观察能力，培养综合 运用知识技能的能力，体会到模块化的思想，感受通信技术和传感技术的应用。 3 情感态度价值观目标 培养学生进一步了解和研究机器人的兴趣，在合作学习中促进学生合作意识的形 6 东北师范大学硕士学位论文 成，逐步养成做事条理性强、思路清晰的良好品性。 ( 三) 课题研究方向 本课题开展的研究，是根据信息技术学科发展的要求和东北师大附小的“开放式，个 性化”办学理念，立足于培养学生的逻辑与创新思维，以常规课堂教学为主要载体的实 践教学。我们采用模拟机器人与实体机器人相结合，以机器人的程序控制教学为研究重 点，探索机器人教学的教材开发、教学模式和教学策略，努力摸索出一条的智能机器人 教学新路。 二、研究方法 机器人教学实践研究将采取思辨研究和行动研究相结合的方法。关注机器人教学理 论的发展与变化和国际国内机器人教学活动的最新进展。借鉴各地开展机器人教学的成 功经验，进行总结研究。从而明确我校机器人教学实践探索的基本原则和模式。本着严 谨的科研态度，先期以兴趣小组的教学实践作为行动研究的主要对象，通过教学反思， 总结经验，然后再将其引入实验班的常规教学，逐渐确立机器人教学的模式、方法和评 价体系。通过集体研讨，对教学实践中出现的问题和疑惑及时进行总结反思，保障实践 探索向着预期目标发展。 东北师范大学硕士学位论文 第二章机器人课堂教学载体的对比与选择 作为课堂教学的载体，机器人产品对选择对于开展机器人教学至关重要。机器人课 堂教学应以何种载体进行爿能够更好的发挥机器人课程的优势，全面提高学生的创造力 和综合素质，成为我们要研究的首要问题。经过大量的调查研究，我们认为机器人课堂 教学大致可使用两种载体：实用机器人和机器人仿真系统。 一、实体机器人教学 ( 一) 优点 1 提高学生兴趣 首先，实体机器人的外形吸引学生。它们有的像小汽车，有的像飞碟，有的 像人，还有的外形可以任意改变，这一点能迅速吸引学生的目光，集中他们的注意力， 并且展开丰富的想象，将机器人与现实生活中的事物联系在一起，产生了解机器人的欲 望。 其次，实体机器人使程序的效果立竿见影。利用机器人进行程序设计教学 时，很快就能让机器人运动起来，不仅能拉近了学生与机器人的距离，也能迅速揭开机 器人在学生眼中神秘的面纱，更激发了学生的兴趣，他们会主动的设计下一步让机器人 的行动计划。 2 有效的培养学生的协作能力 培养协作能力、团队精神是平时我们寻常教学中无法达到的。但如果你光顾一下我 们的机器人协作团队，在这里，无论是老师还是学生，我们都为一个目标努力拼搏，我 们为了一份共同的爱好走在了一起。每个人都将对方视为自己的伙伴。大家心往一处想、 力往一处使，都是为了给机器人一个更好的发展空间。 3 为学生创新能力的培养提供了良好的平台 实体智能机器人集成了数学、物理、化学、生物、机械、电子、材料、能源、计算 机硬件、软件、人工智能等众多领域的科学与技术知识，没有一种技术平台比智能机器 人更综合。尤为重要的是智能机器人是一个开放性开发平台，学生可以充分发挥想象力 去开发各种智能装置，在开发的过程中，培养各种能力，激发出浓烈兴趣。智能机器人 是综合的技术集成体，各种先进技术可以不断集成进去。因此，用智能机器人平台来培 养创新人才有着非常好的发展前景。3 。 ( 二) 缺点 1 受环境误差影响严重 东北师范大学硕士学位论文 实体机器人的教学培养学牛的综合能力，机器人做好了，程序编好了，但不管哪里 出了一点小问题( 比如传感器的位置偏差，外界环境光线的席位变化) 都会导致机器人 不能按照设想的任务执行。这是就需要学生慢慢排查，凭经验判断。对于课堂教学中的 学生( 即初学者) 来说是一件很困难的事。我们现在都采取大班教学方式，一个教师面 对若干学生的问题，往往难以应对。 2 价格昂贵 课堂教学中使用实体机器人，需要学校为之投入大量的资金，购满一定数量的机器 人以供上课使用，这对于中小学来说是一笔不小的开销。 3 破损率高，维修工作困难 因为我们施教的对象是全体学生，总有个别同学会粗手粗脚，如果电机或电子器件 的接线焊接不牢，容易松落，那必将影响教学的顺利进行，如有些机器人的驱动机械机 构是塑料做的齿轮很容易坏，有些机器人电机或传感器的接线不能很好的固定，学生在 上课的时候不小心稍拉一下就脱焊。如果学生编写好的程序下载到一台机械结构有问题 的机器人上调整，肯定不能够准确地理解程序的功能。 二、仿真机器人教学 ( 一) 优点 1 仿真软件教学符合学生认知规律，从简单到复杂、从局部到整体。 现代教育心理学研究指出，学生的学习过程，不仅是一个接受知识的过程，而且也 是一个发现问题、分析问题、解决问题的过程。 实践过程中发现，因为智能机器人教学涉及软件、硬件的知识较多，所以初步接触 的学生对于故障很难判断出是程序有问题还是机器人机械方面有问题。在学生对智能机 器人机械结构方面理解不够深刻的情况下，仿真软件就体现出它的优越性。学生浓厚的 兴趣是学习机器人的源动力，为了让学生保持浓厚的兴趣，对于初学者，教师可以先抛 开机器人硬件方面的知识，降低难度，减少学生负担，只要求学生在仿真软件中完成一 些比较简单的活动，在设有环境误差下，引导学生先学好程序设计。这样一步一个脚印， 从简单到复杂，从局部到整体，不知不觉中学生学到东西了，自然他就能保持兴趣来学。 2 仿真软件没有环境误差的影响，学生更能深刻理解程序设计。 对于初学程序设计的中小学生来说兴趣是学习的动力，仿真软件没有环境误差的影 响，更有利于学生理解程序的结构。 智能机器人仿真软件教学，能够从易到难、循序渐进，引导学生掌握程序结构。学 生也能够体会出智能机器人要能完成动作，受到硬件和程序两方面的影响。 目前在学校教育中使用的智能机器人虽说比较简单，但已经集合了计算机、声、光、电 等多种技术，可以让学生全面接触传感器、计算机软硬件、人工智能、自动控制等高新 东北师范大学硕士学位论文 科技知识，激发学生的兴趣，培养学生的综合思考与动手能力、团队合作精神、创造能 力和进取精神。1 。 3 优化教与学的效果。 优化教与学效果是指以较少的教育投入( 包括人力、物力、财力、时间等) 取得较 大的教育效果( 主要指学生的知识获得、技能形成、情感培养等) 。仿真软件不受时间、 空间的影响，避免了因学生的误操作而造成的机械结构的损坏对学生程序调适的影响。 我们可以采取先让学生在仿真环境中，把程序调试好，准确理解程序的功能。这样可以 避免学生和老师少走弯路，提高教学效果。实践过程中，也确实存在有些学生因为不理 解他所写程序的功能，而乱弄机器人机械机构的情况。 ( 二) 缺点 1 协作能力的培养不足 机器人仿真系统能做到人手一机，每人都能得到锻炼的机会，但对团结协作的培养 就无法在教学中完成和很好的渗透。 2 学生硬件等方面的动手实践能力培养弱 仿真系统不受外界环境和机械结构的影响，如果程序编写正确就不会出现不能按照 任务完成的情况，但如此一来，对学生对机械结构和环境的分析调试的环节就不能完整 地实施，学生的这些方面也得不到很好的培养。 三、实体与仿真结合的多元化教学方式 针对上述两种课堂教学载体的优点和缺点，我们选择了北京通用依耐特公司出口的 通用七型机器人。 这种机器人具有以下几个特点： ( 一) 结构严密 通用七型机器人的外形设计如同小汽车，学生们非常喜爱，而且这种机器人 的结构严密，无需要组装、搭建，不易损坏，容易管理，特别适合于常规课堂教学使用。 ( 二) 具备仿真系统 通用机器人具有仿真系统，仿真系统里的小海龟特别贴近儿章爱玩的心理， 小海龟拉近了孩子们与机器人的距离。仿真系统能够让学生马上验证自己的程序，看到 程序的运行结果，增强了学生的学习兴趣和自信心。它也特别适合常规则课堂的教学。“。 ( 三) 编程语言简单 通用七型机器人采用的编程语言是l o g o 语言，这是一种最适合于小学生学习的计 算机语言。众所周知，计算机语言编程需要编程者有一定的数学基础，像q b a s i c 、c 、 v b 等语言不仅语句繁冗，而且需要具备高等数学的基础，小学生很难掌握。l o g o 语言 - 1 0 - 查! ! 堕堇查兰堡主兰焦鲨窒一 语句简单易记，只要具备了小学数学的基础就完全能够掌握，特别适合小学生学习，l o g o 语言在上世纪八、九十年代也是小学计算机教材的重要内容。1 。 ( 四) 性价比高 与那些价格昂贵的机器人相比( 一般比赛用机器人价格都在六千元以上) ，通用七 型机器人一千元左右的价格，对于我国机器人教育的普及是非常适宜的，尽管它也存在 着制作精度不高、传感器不够灵敏等缺点，但是也能够完成诸如机器人行走、避障、灭 火、走迷宫、唱歌等功能，完全能够满足学生课堂学习的需要“。 我们还制定了一套行之有效的智能机器人课堂教学方案。即将教学过程安装时间段 分为两部分。以一个学期的课程为例，最初先由教师及机器人课外小组成员等有基础的 学生用实体机器人进行可行性演示，让全体同学对智能机器人有个大致的了解，进而对 其产生浓厚的兴趣；然后用半个学期的时间进行仿真软件的学习，这样能使毫无基础的 同学能很快地上手，学会如何控制机器人的各种活动，看到预期的效果。最后的半个学 期，根据学生对仿真软件的掌握情况将学生氛围若干个小组，每个小组共用一两个实体 机器人，共同研究可行性方案，此时学生对机器人已不再陌生，程序基础也打好了，再 加上环境因素和机械实体结构的各方面因素，即能锻炼学生动手能力、分析问题解决问 题的能力，又能让学生学会团结协作。同时，也免去的购买课堂所需人手一个机器人的 资金。经过不断的实践研究，我们认为这种二者结合的多元化教学方式是可行的也是必 要的。 东北师范大学硕士学位论文 第三章机器人校本教材的开发 一、开发机器人校本教材的意义 任何一门课程的开设首先要有适用的教材，根据我国信息技术学科教材中机器人相 关教材的现状，我们开发了适用于东北师大附小教学特色的机器人校本教材。 ( 一) 机器人教材的现状分析 1 机器人的文本教材与机器人教育属性之间存在的不适应 在小学阶段，机器人课程属于信息技术课程的一个组成部分，信息技术教育作为综 合实践活动领域的内容之一。它具有自主性、探索性、综合性、体验性、实践性、开放 性、生成性等特点，而目前机器人教育主要是通过信息技术学科课程这一基本途径来实 现的，教材是课程实施的主要载体，而传统教材的文本属性所带来的资源有限性、更新 延迟性、内容的生硬刻板等问题与机器人教育的交互性、即时性、生成性之间存在严重 的不适应“。 2 虽有多版本教材，但不能满足学生需求和体现学科特色 目前，国家没有统一的信息技术教材，各省、市都采用自行编写的地方教材，吉林 省现行的信息技术教材有省编的小学信息技术、市编的信息技术基础和东北师 大编写的信息技术等多种版本。这些教材中都含有机器人的教育内容，但是在使用 的过程中暴露出了一些问题，主要表现在： ( 1 ) 强调普及性，无法兼顾各学校之间的差异。 由于地区和学校之间的经济条件差异很大，相当数量的学校没有条件开设机器人 课，有条件的学校使用的机器人产品种类也各不相同，因此这些教材一方面在机器人课 时的分配上相当有限，一般在四、五课时左右。另一方面，考虑到机器人的种类繁多， 在教材中只对机器人进行初步的介绍，而没有针对某种机器人进行有针对性的讲解，因 此它只能作为机器人的科普读物，从中无法真正了解机器人的原理和使用方法。“。 ( 2 ) 教材内容不能及时更新，滞后于时代的发展，并普遍雷同缺乏创新。 机器人教材的内容无法跟上机器人发展的速度，使教材失去了应有的时效性。 ( 3 ) 缺乏对学生机器人知识与技能的迁移能力的培养。 ( 4 ) 缺乏整合的思想，缺乏与各学科知识的横向联系，脱离学生的生活实际。 基础教育课程改革纲要( 试行) 中明确提出：“改变课程管理过于集中的状况， 实行国家、地方、学校三级课程管理，增强课程对地方、学校及学生的适应性。”同时 规定信息技术课程是综合实践活动的一个重要领域。综合实践活动是由国家、地方和学 校根据实际情况共同开发的课程领域，所以国家只着眼于对此课程宏观的指导，而不做 强行的、具体的规定。因此，各地区、各学校可根据本地区、本学校的实际情况确定具 东北师范大学硕士学位论文 体的、适合当地或本校需要的内容，这就为机器人校本教材的开发提供了政策基础。 3 机器人教材的发展趋势 我们认为机器人教材发展的趋势是： ( 1 ) 具有科学性，培养学生的科学启蒙思想。 ( 2 ) 渗透人文精神，突出信息伦理道德的培养。 ( 3 ) 体现信息技术与课程整合的思想。 ( 4 ) 体现人本主义的学习观和终身学习观。 ( 5 ) 关注学生的个性差异，因材施教。 ( 6 ) 多媒体化，教材应包括书本教材、光盘资料以及学习网站三部分。 基于以上原因，我们把开发机器人电予版校本教材作为一个重要的研究内容，通过实践 探索，努力开发出一套具有趣味性、开放性的机器人电子版校本教材。 ( 二) 开发机器人校本教材的意义 1 通过改变教材的呈现方式，进一步完善机器人课程的知识体系，对机器人教育课 程与教材建设具有重要的借鉴价值。 2 校本教材的开发有助于更好地实现学校“开放式个性化”的教育理念。 作为国内第一所开放式学校，我校优越的硬件条件，为我们开发全新理念的校本教 材提供了良好的环境。我们开发的电子版教材将彻底打开校园的围墙实现信息的开放， 让电子版教材更具实用性。 3 有助于学生全面而个性化地发展。 电子版校本教材的设计要充分体现学生和教师的双主体地位，学生在和谐的学习氛 围中轻松愉悦地完成学习任务。教材的内容具有挑战性，能激发学生的学习兴趣和求知 欲望，能引导学生积极思考，主动参与，教材内容注重文化内涵体现科学性、人文性和 社会性。关注了教学内容的实践性，使教材的内容密切联系实际，培养学生的创新精神 和实践能力。校本教材要以内容为载体，注重培养学生的信息意识，有较高的适应新事 物的能力，为学生的终身发展奠定基础。 4 教材的开发促进教师专业发展。 电子版校本教材的开发使教师从教材的实施者，转变为教材的设计者、开发者。这 就要求教师要有扎实的基本功，专业的学科知识，精湛的教学艺术，还要有融会贯通的 综合能力，在实践探索的过程中不断地去探索规律，提高自身的理论素养”1 。 5 教材的开发有利于促进学科间的合作与交流。 教材的开发要遵循学科间有机整合的原则，不能为教而教，而应在学习任务的驱动下， 通过教学环节来体现、渗透各科知识，培养学生的综合素质，体现信息学科的工具性特 点。 二、机器人电子版校本教材的特点 机器人的电子版校本教材是我校机器人校本课程开发中最核心的部分，是根据信息 一1 3 东北师范大学硕士学位论文 技术学科发展的要求和我校的“开放式个性化”办学理念，为满足学生的实际发展需 要，以本学科教师为主体，进行的适合学校特点和条件的教材开发。从教材的开发理念、 目标体系、知识框架以及教材的组织形式等多个方面进行深入的实践探索，开发了一套 机器人电子版校本教材。这套教材的开发是依据教育部颁布的中小学信息技术课程指 导纲要，根据我校学生的实际情况和需要进行创新处理建构的，它既不是对地方教材 的补充，也不是对已有教材的校本化处理，而是在“开放式个性化”的教育理念和新 课程理念的指导下，重新开发的一整套机器人校本教材。本电子版教材最大的特点是更 新及时而方便，所以能够保证教材内容的实时更新，为学生提供最新的知识内容。 东北师范大学硕士学位论文 第四章机器人教学的策略 一、机器人教学的导入策略 俗话说：万事开头难，良好的开端是成功的一半。教学导入对于基础教育尤为重要。 这是因为以素质教育为目的的小学基础教育面对的教育对象是自治力较弱、注意力不易 集中的儿童，所以教学导入显得十分重要，一个好的教学导入仿佛充满了磁性，能够把 学生分散的思维聚拢起来；像是一部动画片，能够让孩子们兴趣盎然，为之着迷；如同 航标，能够使学生明确自己的努力方向。可见教学导入是教学的一个重要环节，我们必 须根据机器人课程的特点和学生的心智发展水平，运用巧妙的导入方法导入新课，使学 生爱学乐学，以达到良好的教学效果。 ( 一) 教学导入的作用 教学导入是指教师在课的开始阶段，为集中学生的注意力，激发学习兴趣，引发 学习动机，引导学生进入学习状态而进行的教学行为。一个好的教学导入有着十分重要 的作用。 1 集中注意力 所谓的“注意”是指个体使自己的意识集中于无数刺激中的某一对象时，同时抑制 其它刺激的出现。学生们的注意力是否集中于教学内容是一节课成功与否的关键。在一 节课开始前，学生可能还沉浸于课间活动的兴奋中，这时，一个良好地教学导入可以使 学生的兴奋中心及时实现转移，使学生的注意力指向教师、指向学习内容，从而全向心 的投入到学习中去。 2 激发兴趣 我们经常说兴趣是最好的老师，巧妙的教学导入能有效激起学生的参与意识，使学 生怀着期待和迫切的心情，渴望马上进行新知识的学习、探索。 3 明确学习目标 让学生明确这节课学什么、怎么学、为什么学，从而能够使学生在接下来的学习过 程中更好地调控自己的学习行为。 4 建立知识的联系 通过导入教学阶段的“以旧引新”，可以将新、旧知识联系起来，从而扫除学生在 后续新知识学习阶段将要遇到的思维障碍，使学生在不知不觉中步入到新知识的学习、 探索中去。 ( 二) 课堂教学导入的设计原则 教学导入设计时要注意以下基本原则： 东北师范大学硕士学位论文 1 针对性原则 是指教学导入必须针对教学内容、教学目标及学生实际情况来进行针对性的设计。 2 趣味性原则 充满情趣的导入，能变平淡为热烈、变枯燥为生动，妙趣横生、引人入胜，为学生 创设轻松愉快的学习情境。 3 启发性原则 如设置悬念、创设情境、巧妙设疑等方法以激发学生的思维，使学生保持高昂的情 绪。 4 多样性原则 灵活多变的采用各种方法，做到巧妙、新颖，不要千篇一律。固定单一的导入方法 会使学生感到枯燥，不能有效地激发学生的学习兴趣。要实现多样性原则，教师可以选 择灵活多变的角度导入，如可以欣赏作品导入、从教师故意所犯的操作错误导入；同时， 教师还可以采用多种媒体辅助进行导入，如录像导入、动画导入、歌曲导入等。多种导 入方法不断变换，给学生以新鲜感，增强课堂教学的吸引力。 5 简洁性原则 导入只是一节课的“引子”，不能过分占用大量的时间，以致影响了整节课的学习。 中小学生的有效注意力集中时间大致在5 分至2 5 分钟。一般来说，导入时间控制在3 分钟以内。所以，教师要精心设计教学导入语，做到简短易懂，讲述精彩有效。 ( 三) 教学导入的方法 创造力首先来自于思维的能力，而思维的能力来自于学习。在小学阶段的计算机语 言与智能机器