中小学智能机器人常态化教学模式的初探.doc

“点、线、面”相结合，推动智能机器人教学常态化中小学智能机器人常态化教学模式的初探郑洁纯（汕头市东厦中学，广东 汕头 515041）摘 要：智能机器人教学可成为学生信息素养培养的一个优秀平台，这已成为教育届内外的一个共同观点。然而现阶段中小学的智能机器人教学活动大多数是仅围绕竞赛活动来进行的，参与的学生范围小，教学的普及性、知识的系统性都得不到保证。笔者认为，要使中小学机器人教学活动得以健康持续发展，就必须把智能机器人引入中小学的信息技术课堂教学中，实现中小学智能机器人教学常态化。这就需要构建一套行之有效的教学模式。笔者通过多年的教学实践研究，探索出一种符合本校实际情况的机器人教学模式以“点、线、面”相结合的主要教学模式，使全体学生都能参与到智能机器人的教学活动中，学生的信息素养也得到了不同程度的提高，逐步推动本校智能机器人教学步入一个常态化的轨道。本文将对“点、线、面”相结合的教学模式的实施操作等作出具体介绍。关键词：智能机器人；教学；常态化；教学模式 一、绪论智能机器人教学可成为学生信息素养培养的一个优秀平台，这已成为教育届内外的一个共同观点。现阶段智能机器人教学进入中小学的主要方式是竞赛，通过竞赛活动提高学生的创新能力及动手实践能力。因此，大多数学校的机器人教学活动只是单纯着眼于竞赛本身，参与的学生范围很小，教学的普及性得不到保证；而且机器人的教学内容都只是围绕竞赛项目而展开，注重单个项目的完成、片面地追求竞赛获奖，功利性很强，知识的系统性也得不到保证。智能机器人作为一个全新的教学平台，其在学科教学中的作用远远没有得到发挥。这种过分地追求比赛成绩的现状，造成学生的学习主动性、思维开放性、创造性都没能得到充分的体现，这也将产生新的教育不公平现象，阻碍机器人教育的健康发展。笔者认为，要使中小学机器人教学活动得以健康持续发展，就必须把智能机器人引入中小学的信息技术课堂教学中，构建一套行之有效的教学模式，实现中小学智能机器人教学常态化。本校作为“全国中小学机器人教学实验学校”、“广东省一级学校”、“广东省现代教育技术实验学校”，积极参与了广东省教育科研“十一五”规划课题中小学智能机器人教学常态化的机制与策略研究的研究，在校园里开展智能机器人教学常态化的教学实验，连续多年在学校的初中部开展智能机器人的常态化教学，已有千余名学生参与到智能机器人的教学活动中。围绕课题主题的研究，结合本校的实际情况，在教学实践中不断地摸索与总结，形成了“以课堂教学为面，以兴趣小组为线，以竞赛项目为点”的“点、线、面”相结合的主要教学模式，提高全体学生的信息素养，逐步推动本校智能机器人教学的常态化发展。二、智能机器人教学常态化通过现代汉语词典中的解释，可以理解到，“常态”是指：“正常的状态” ， “常态化”的含义就是：趋向正常的状态。2005年3月，首都师范大学陈树杰教授首次提出综合实践活动课程“常态化”的思路,概括起来就是：“普遍实施，教师易导，学生爱学，效果实在” 1。智能机器人教学常态化就应该是让课堂的教学实施有所依据，有可执行性，让广大的信息技术一线教师都能参与教学，从个别学生参与回归到让每个学生都能从中受益，让机器人教学活动回归它所具有的创新教育的本质。三、“点、线、面”相结合的教学模式的实施笔者在多年的相关实践经验总结的基础上，在本校的机器人教学活动中构建了“点、线、面”相结合的教学模式。该模式主要是以课堂常规教学活动为“面”，系统化地普及智能机器人的知识，提升全体学生的信息素养；以兴趣小组活动为“线”，满足较高学习层次学生的需求，拓展学生的知识的应用能力；以竞赛项目参与为“点”，让学生的心智经历质的锤炼，突破带动智能机器人常规教学。以点牵线，以线带面，既保证了面上全体学生机器人知识的普及，又保证了爱好机器人学生的创新与实践能力的提高，对学生进行分层教学，使全体学生的信息素养得到不同层次的提高，逐步推动本校智能机器人教学步入一个常态化的轨道。（一）理论依据在2008年国务院颁布的国家九年义务教育课程综合实践活动指导纲要中, 36年级信息技术教育部分的内容及目标的第6条为：学会设计和制作简易机器人，体验“采集信息处理信息控制动作”的基本过程；初中信息技术教育的内容及目标要求的第8条为：设计和制作机器人，以机器人为载体，体验并初步学会通过程序设计解决问题的基本过程。心理学家、教育家布卢姆主张“给学生足够的学习时间，同时使他们获得科学的学习方法，通过他们自己的刻苦努力，应该都可以掌握学习内容”，“不同的学生需要用不同的方法去教，不同的学生对不同的教学内容能持久地保持注意力”。根据这一理论的启示，把智能机器人作为信息技术学科的教学内容之一，溶入到信息技术课堂的教学中，将机器人的基本知识对全体学生进行普及，全面提升全体学生的信息素养；与此同时，开展兴趣小组活动，让那些爱好机器人的学生进一步参与机器人的教学活动，使学生的创新能力与综合实践能力的得到提高；并且在兴趣小组中挑选出综合能力强的学生参加竞赛活动，让学生的心智经历一个质的锤炼，达到分层教学的目的。（二）实施条件1.师资的准备为了确保智能机器人教学活动的顺利开展及有序推进，教师能正确地传递科学知识，信息技术教师要通过培训等学习方式，提高自身的相关知识层面，通过亲自实践操作，获取，累积相关经验，才能在教学活动中更好的引导学生。 2.教材的准备目前机器人教学并没有统一的教材，而且选用不同品牌的机器人，教学上的一些知识点细节也不同，所以教师最好能够根据学校的实际情况及教学经验的累积，准备好每次课的学生学案，开发校本教材，让课堂教学内容有所依据，减少教学活动的随意性。3.场地的准备组建机器人教学实验室。场地的建设主要看活动的需要，在常规课堂教学时，可以在教室内就地取材，让学生自己采用简易材料搭建活动需要的场地。而对于标准竞赛场地，只能由专业人员制作，这些场地的材料、制作工艺都比较标准。4.器材的准备要选择安全性高，结构紧凑，易于操作，耐用的机器人产品，最好是既能满足参加比赛需求，又能进行教学活动的。而且编程系统最好是图形化程序设计界面，这种编程软件简化程序的理解性，可读性也较高，适合中学生程序入门的学习。（三）开展形式1.“面”：以课堂教学活动为面，系统化地普及智能机器人的知识，提升全体学生的信息素养智能机器人的开发与应用全面涉及信息技术各项基本内容。从知识的承载上看，智能机器人包含了信息技术领域中的计算机技术、程序设计技术、传感技术、人工智能技术等多方面的内容；从信息处理过程上看，涉及信息的获取、存储、加工、传递、输出各个环节，可以让学生更全面更深入地接触、了解信息技术；从教学模式上看，更适合采用探究式、体验式、合作式、整合式等新型教学与学习方式2；从教学效果上看，它能使学生的信息技术能力得到充分的体现和提高，让学生的信息素养得到不同程度的、不同层面的培养。智能机器人教学，是进行信息技术教育的最佳载体，也是全面培养学生信息素养，提高其创新精神和综合实践能力的良好平台，所以，在具体的实施过各中，可以把智能机器人作为信息技术学科的教学内容之一，包含在信息技术的课程计划中，通过适当删减调整初一信息技术学科原有的教学内容，压缩信息技术课程课时，腾出一定量的课时，来完成智能机器人的课堂教学。课堂教学可以在初一年级全面铺开，主要是为学生普及机器人知识，通过教师的情景引导、任务驱动等教学方法，让学生体验机器人工作过程，通过动手组装简单的机器人，培养学生动手操作能力，学习简单的编程语言，培养学生的学习程序设计的兴趣。每周1个课时，每学期至少安排9-10个课时，整个初一学年就有18-20个课时。根据国家九年义务教育课程综合实践活动指导纲要的要求，总体的教学目标如下：1、了解现代机器人的发展趋势，了解简易机器人的基本构造；了解机器人领域的发展前沿，分析我国在机器人领域存在的差距，树立责任感；2、学会根据生活和学习中的实际需要，设计、动手制作或组装简单的实物机器人，会将编制好的控制程序（使用流程图方式）导出到实物机器人，运行机器人并对机器人及其控制程序做出必要的调试和修改，或使用简单易学的程序语言（如LOGO）编制简单的程序控制机器人做出简单动作或解决简单问题；3、在制作和操纵简单机器人的基础上，探究机器人的机械装置、电子装置，了解计算机程序控制机器人做出各种动作的简单流程，体验机器人对信息技术多个门类的综合运用。根据教学目标及教学硬件的实际情况，具体教学内容安排可参见表1。表1 智能机器人课堂教学内容计划课时内容教学目标1进入智能机器人世界了解现代机器人的发展趋势；了解机器人领域的发展前沿，分析我国在机器人领域存在的差距，树立责任感2认识机器人的硬件组成了解简易机器人的基本构造；认识机器人的各类传感器和动作装置，了解它们的基本作用3认识机器人的控制模块认识机器人的控制模块；了解机器人的工作原理及基本工作过程4照明机器人的搭建认识发光模块；掌握机器人硬件的连接5编写照明机器人的程序认识编程系统，尝试编写简易程序；学会将程序加载到机器人上，并观察运行结果6搭建进退自如的机器人认识机器人的马达模块，掌握马达模块的使用方法；了解编程中的延时模块，无限循环结构的使用；能较熟练地搭建简单的机器人7-8综合活动1，制作舞蹈机器人综合运用发光模块、马达模块，自主搭建机器人；能适当的运用延时模块，无限循环结构编写程序让机器人完成舞蹈动作9会辨色的机器人认识灰度模块，了解其工作原理；了解条件选择模块的使用，掌握程序的选择结构10-11会认路的机器人了解机器人走轨迹的原理，并能知道应该选用灰度模块来完成任务；能根据任务需求搭建机器人；分析任务，并编写程序实现；会根据机器人的运行情况调试程序12-14会避障的机器人认识红外测障模块，了解其工作原理；能熟练地搭建机器人；能正确地运用程序的无限循环结构和条件选择结构进行算法设计，编程实现15-16制作往返跑的机器人认识触碰模块，能熟练地搭建机器人；掌握程序的有限循环结构17-20综合活动2，会走迷宫的机器人能根据任务需求分析任务，设计机器人的搭建方案，并选用适合的机器人传感器和动作装置搭建机器人；能根据任务设计合理的算法，编程实现，调试2.“线”：以兴趣小组活动为“线”，满足不同学习层次学生的需求，拓展学生的知识的应用能力在每周六上午开展第二课堂兴趣小组活动，成员主要由对爱好机器人学习的学生自主报名，以及教师在上课过程中发现的综合能力较强的学生组成，人数控制在30人左右。开展方式以综合活动任务为主，通过模拟竞赛进行。具体活动内容可以为：设计制作走迷宫的机器人，会灭火的机器人，会排障探险的机器人，机器人足球赛，机器人蓝球赛等。学生以2至4人为小组，合作完成综合活动任务。第二课堂的活动，学生是绝对的主体，无论是机器人的设计搭建、算法的确定、程序的编写、机器人的调试，都要以学生为主，教师只需辅以适当指导。在活动中，学生会不断地经历对任务的分析、对机器人结构的规划、搭建、设计算法编程、调试改装机器人等过程，从而提高自身的动手能力、思维能力、协作能力。经历探索、克服困难的过程，增强自信心。根据国家九年义务教育课程综合实践活动指导纲要的要求，总体教学目标如下：1 、通过使用和剖析一段机器人（仿真)程序，感知程序和程序设计语言；了解“确定算法-编程实现”这一计算机解决问题的一般过程；2、通过剖析机器人教学平台中的程序实例，理解程序的基本结构；3、学会使用一种机器人编程控制软件编制小编程，在仿真环境中运行或导出到实物机器人中运行程序，观察计算机运行程序的结果。根据运行结果对程序进行必要的修改和优化；4、参加机器人创意实践活动，学会规划、搭建实物机器人；初步了解复合结构的机器人搭建方法； 5、通过合作设计、搭建机器人及参加模拟比赛，学会分工协作，培养团队精神。3.“点”：以竞赛项目参与为点，让学生的心智经历质的锤炼，突破带动智能机器人常规教学首先，教师要针对具体的竞赛项目，对其规则进行具体的研究分析、制定备赛计划、及做好硬件准备。其次是在第二课堂活动中选拔出适合的参赛学生。依据竞赛目标，对学生进行有针对性的强度训练。学生在经历训练到比赛的过程中，除了综合能力得到提高，心智、毅力也得到磨练。以综合技能项目为例，根据比赛的要求，学生要在150分钟内，在比赛现场自行拼装机器人、编制机器人运行程序、调试和操作机器人。而且竞赛场地的路线、任务内容及数量都是在赛前才公布。这就要求选拔的参赛队员，不但编程能力要扎实外，还要倾向于有较强动手组装能力及临场应变能力。训练计划也可以分成如下几个环节：机器人的组装，各个拼装板块引导线走法训练；单项任务完成策略训练，包括不同情况下算法的确定、程序的编写及调试； 90分钟内机器人的组装，单个场地随机路线全部任务限定调试次数的训练；150分钟内机器人组装，三个场地随机路线随机任务量训练；速度、强度提升训练。在训练的过程中，要及时鼓励学生根据训练的实际情况，自己的想法，去有效地改装机器人经过比赛，学生们不仅完成自己的比赛机器人，也提升了对科技和利用科技来积极影响周围世界的认识。（四）教学评价智能机器人教学并不能单一的关注学生对任务的完成结果，或以竞赛结果作为评价，更要关注学生知识与技能、学习的过程与方法、情感态度价值观的发展状况。在教学活动进行中，采用形成性评价的过程评价方式，及时地对学生作出评价，这样才能够及时地反映学生学习中的情况，促使学生对学习的过程进行积极地反思和总结，而不是最终给学生下一个结论。而且，值得注意的是，在智能机器人的学习中，学生学习的重心不只是学会知识，还要学会学习、掌握方法和培养能力。因此，教师不仅要对学生的基础知识进行评价，更重要的是要对学生的综合能力等因素进行评价。评价还应着重关注在整个教学活动中，学生参与的态度、发现问题解决问题的能力和创造性，关注学生学习的过程和方法，与他人交流与合作的能力。同时要强调评价的激励性，要能鼓励学生积极探索，勇于创新。以会避障的机器人一课为例，课堂教学的评价量化表可设计如表2：表2 机器人课堂教学评介量化例表 会避障的机器人 学习成果评价表小组编号： 小组成员： 项目 等 级自评小组互评教师点评ABC红外测障模块掌握该传感器的工作原理，能熟练地根据任务需要选择安装了解该传感器的工作原理，需要帮助才能根据任务需要确定是否安装知道该传感器的工作原理，但不清楚在什么情况下可选用机器人的设计搭建能根据任务需求，设计合理的机器人结构、确定传感器的选用，并能熟练搭建出机器人能根据任务需求，选择器件设计机器人，但具体如何合理搭建需要帮助不清楚应该选择哪些器件来搭建机器人，需要参考其他同学算法确定能够根据任务要求做出正确的任务分析，并确定算法经过帮助能根据任务要求做出任务分析；或需要帮助参考，才能确定算法需要帮助才能根据任务做出分析，需要参考其他同学的算法程序设计能够正确的选择程序结构，运用程序语句编写程序能够正确的选择程序结构设计程序，在编写程序时有些语句格式忘记了不清楚应该用什么程序结构来编写，需要帮助或参考他人程序观察调试能够根据机器人的运行情况观察出哪些环节需要改进，并能通过修改程序或改装机器人调试成功能够观察到机器人的运行出了哪些问题，能在帮助下较准确地分析出原因，需要帮助才能调试成功能够观察机器人的运行出了哪些问题，但在帮助下，还是无法分析原因，不知如何调试情感方面能主动地参与到整个课堂活动中；能与他人和谐合作；对机器人产生浓厚兴趣能较主动参与课堂活动，但对机器人兴趣不高；能与他人合作觉得很难或是没兴趣，不是很乐意参与课堂活动创造性能根据任务需要，结合自己的想法，设计出有个性的机器人，并能完成任务需要参考教师的示例或其他同学的作品，得到启发，设计出机器人，并能完成任务模仿教师的示例完成任务五、感想及反思1、在教学探索和实践中，笔者体会到，要让机器人教学步入常态化除了要有较好的教学模式外，更要有学校强而有力的支持保障，提供软硬件上的支持。2、现阶段没有通用的机器人教材，所以教师要认真累积每次的教学材料，总结教学中出现的问题，根据选用的机器人产品及设