小学机器人普及教育课程化实施的实践与思考

第1页共14页小学机器人普及教育课程化实施的实践与思考上海民办彭浦实验小学陈维昭摘要以学生为本、全面实施素质教育已经得到社会各界的普遍认同，但如何真正落实还有待于我们实践探索。机器人制作对于协调发展学生动手动脑能力，激发他们关心物象世界的兴趣，培养高级思维能力，萌发其初步的工程意识和系统观念，促进学生综合素质提高有着积极的作用。六年来的机器人基础知识普及教育课程化实施课程开发与教学实验显示，学生动手能力、思维能力、耐挫折力都有了明显的提高，“机器人基础”也成了最受学生欢迎的课程之一。不少学生从普及教育起步，经过自己的努力和教师的帮助，在各级各类机器人竞赛活动中获奖，还有一些在知识性记忆型课程学习中表现比较特殊的学生在这门课程的学习上也初步体现出自主学习、不懈探求的可喜变化。关键词机器人；信息技术；技术教育；机电一体化；创新教育；校本课程以学生为本、全面实施素质教育已经得到社会各界的普遍认同，但如何从学生长远发展的需要出发，真正落实素质教育理念，努力“使所有学生的个性特长得到发展，潜能得到激发，创新意识、创新精神和实践能力显著增强，终身学习意识和能力显著增强，为学生的终身发展奠定良好基础”1成了基层学校在教育改革和发展历程中必须面对与探索的现实问题。本校根据自身的特点，将原本仅在学生社团活动中开展的机器人制作活动面向全体学生，进行了机器人基础知识普及教育课程化实施的实验，并获得了成功，为落实素质教育理念开拓了一条新的途径。一、理念篇通过机器人制作活动，促进学生综合素质提高机器人是21世纪最前沿的技术之一。二十世纪八十年代，人们将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人。这是一个概括的、含义广泛的概念。这一概念的产生，为机器人技术的发展，也为信息技术的发展拓开了巨大的想象空间和新的创造天地，各种用途的机器人相继问世，大大地推进了机器人应用的广度和深度，对智能机器人的研究也成为信息科学的前沿领域2。与之相适应，一些发达国家十分看好智能机器人知识教育对年轻一代创新能力的培养作用，纷纷将其引入教育领域，既促进了教育机器人产业的形成，也推动了机器人制作活动在大中小学学生中的广泛开展。受国际机器人科普活动潮流的影响和冲击，近年来我国机器人制作活动和各级各类竞赛活动也此起彼伏，普教系统许多学校和校外教育机构将机器人制作作为一项有意义的学生技术教育与创新实践活动给予了相当的重视和支持。可以说，面向中、小学学生的智能机器人普及教育在我国已经开始形成一种趋势。第2页共14页（一）机器人制作活动是实践素质教育的有效途径机器人集电子、传感器、计算机软硬件、多媒体、网络、人工智能等多种信息技术为一体，其制作活动包含了许多软件、电子和机械结构方面的技术与工艺，以此作为中小学学生技术教育和信息技术学习的平台，对提高的他们信息素养、技术素养和想象力、动手实践能力、创新能力是非常有利的。1有利于协调发展学生的动手动脑能力，改善实践能力明显弱化的现象在日常的教育教学工作中，我们感到现在的学生比上一代来得聪明，他们从小感受了社会、经济、文化和科学技术的飞速发展，见多识广，知识丰富，思维活跃。但是，现在的学生大都是独生子女，饭来张口，衣来伸手严重地弱化了他们的动手能力，加上家长乃至整个社会都过于注重学生书本知识学习的成绩，应试的压力使他们不得不把大量的时间花在语、数、外等考试科目的学习上，无暇顾及学习周期比较长、效果显现比较慢的注重动手实践体验和探究的科技类兴趣活动，导致学生动手实践能力明显弱化，手脑能力不相适应几乎成了一种普遍现象。机器人制作正是一项需要充分动手实践操作的学习活动。在机器人制作过程中，学生的动手能力、实验能力和制作能力会得到不同程度的训练。更重要的是，机器人制作不同于现在已列入小学基础型课程诸如劳动技术课那样的一般的手工劳作实践，而是一种需要一定的理论知识来支撑的技术操作与实践活动。比如机器人形体结构的制作就需要考虑整体结构的稳固与重心的配置、动力系统的输出效率与转换方式、行进机构的运动与操控等许多机械结构和力学方面的问题。机器人运动控制程序的编制与调试则要考虑如何通过具体的程序语言或图形化程序的模块编排与设置使传感器能准确采集所需的环境信息，并进行适当的处理，再控制机器人作出合适的反应，以完成特定的任务。因此，学生进行机器人制作就不是单纯的手工劳作和普通的实践操作，而是在进行一种需要将理论知识与实践制作结合起来，根据具体情况在实验和制作实践中加以灵活运用的学习活动，这就需要学生手脑并用，学生的动手动脑能力就有可能在这项活动中得到协调发展，从而改善实践能力明显弱化的现象，促进综合素质的提高。2有利于激发学生关心物象世界的兴趣，克服大量网络活动带来的弊端计算机及其网络技术的普及，给我们的工作、学习、生活，乃至娱乐都带来了巨大的便利。但是，网络同时也使许多人，包括一些学生迷恋上电脑游戏、网络社交，甚至陷于网络的虚幻世界而不能自拔，导致学业荒废，诱发心理障碍。因此，从小激发学生对物象世界的兴趣，而不是听任他们沉溺于网络，就很有必要了。机器人制作是一项基于实体的科技活动。在这项制作活动中，学生不仅仅是根据样品或示例作品进行简单的模仿，更要根据任务的具体情景和特定功能进行设计、制作和调试。这个从无到有的制作过程不是虚拟的，而且还要根据不同的现实场景进行调整和创造。比如，学生需要通过传感器和程序控制技术，让机器人能够感知外界环境的状况及其变化，第3页共14页并根据特定任务的要求作出适当的反应，或许还要通过对各种基本材料和结构件的灵活运用，在机器人活动方式和外型上模仿某些生物的特点或器物的形制。为了能够制作出比较理想的作品，学生就需要去观察、了解这些生物的习性特点、运动方式或这些器物的外貌形状、内部结构，就要去学习、探究常见的各种物理结构的特点，去思考和试验自己的设计方案。因此，机器人制作活动可以激发学生观察的兴趣、探究的欲望和亲手尝试的冲动，从而能够培养他们对物象世界的兴趣，培养和提高他们的观察能力和解构能力。通过这个制作过程，学生收获的不仅仅仅是作品，更是一种综合能力和良好的学习习惯，这对他们终身发展是非常有益的。3有利于提升学生的技术教育层次，促进学生工程意识和系统观念的萌发加强技术教育是当今世界各国教育改革的一个重要特点。但是，受种种因素的影响和限制，技术教育在小学阶段，目前还只是停留在简单工具的使用与一般动手能力的培养上。现代科学技术种类繁多，从小学生的知识基础、实践能力，以及学校相应的条件等方面考量，让孩子通过机器人制作来接触、了解与信息技术课程中有所不同的信息技术实际应用，理解实体世界信息采集、处理与运用的控制机理，全面完整地理解信息技术概念和信息的传递处理过程是颇有益处的。因为，随着信息技术、物联网技术、人工智能技术的快速发展，未来社会信息化和自动化的发展速度将会越来越快，让学生通过实践制作的方式从小接触、了解和学习一点信息技术在自动控制和机电一体化方面的运用，对提升学生的技术教育层次、开拓他们的知识面、激发他们的潜能和将来的发展都是非常有益的。而且，在机器人控制程序中，往往要操控机器人的多个传感器，并根据传感器获得的数据，通过判断、循环等程序控制结构的运用，使机器人按照任务的要求作出各不相同的反应。在这种多因子控制程序的编制过程中，学生不但要考虑传感器采集和处理的数据的准确性，还要避免相互间的牵制与干扰。所以，对小学生来说，理解机器人对周边环境状况感知并作出反应的机制，并掌握常见传感器的不同感知特点及其运用方法，再通过编写对应的处理程序来控制机器人作出预期的反应，这是一个比较复杂的多系统处理问题，需要以系统的思想，从工程角度多方位予以权衡才能应对完成。因此，通过机器人制作活动，学生就有可能慢慢养成全方位、多角度思考问题、分析问题的习惯，从而促进其工程意识和系统观念的萌发。4有利于培养学生的高级思维能力，促进良好的情感态度价值观形成机器人制作活动总体上属于技能操作领域的学习训练，与相似的课程信息技术课的主要学习内容计算机基础知识及软件的操作运用相比，许多方面没有简单的规则、定律可以准确推算，需要在实验中通过不断改变模块结构和参数设置来加以试验和验证。为了克服现实环境和使用部件、设备的个体差异，使理论上成立的设计思路在实践中能行得通，达到设计的初衷更要经过反复细致的修改调试才能完成。而且，机器人制作的一个非常显著第4页共14页的特点是不像计算机软件操作那样具有很好的可重复性，在许多情况它下要受环境因素的干扰，这更是一件比拼耐心和细心的作业。在这个比较复杂的问题分析与解决过程中，学生需要的不仅仅是技术，还需要许多判断、推理、分析、演绎等逻辑思维能力的支撑，也需要模仿、想象、移植、组合等形象思维能力的帮助。因此，机器人制作活动对于学生高级思维能力的培养是显而易见的。在机器人的制作过程中，学生得到锻炼的还不只是技术的提高、能力的发展、思维的训练，更可以经历意志上的磨练。因为机器人制作常常具有预期结果的不确切性，面对两个同样的机器人，使用同样的控制程序，但出现不同的运行结果，要找出其中的原因，可能不是一次、两次，七次、八次试验就能如愿的，除了需要善于发现问题、敏于定位问题、精于分析问题的能力，还需要百折不饶的毅力、精益求精的态度。我们常常教育学生某项发明是经历了无数次失败才获得成功的，某某科学家经历无数次失败毫不气馁，终于有了某个重大发现。机器人制作中的调试就是这样一个类似的过程，它对于培养学生的耐挫折能力和一丝不苟的学习态度是非常有益的。5有利于每一个学生个性特长潜能的发挥，促进公平教育理念的落实机器人社团活动在本校开展多年，不少学生在各级各类竞赛中获奖，央视新闻也曾报道了本校学生的参赛活动3。但是，我们也清楚地认识到，竞赛获奖永远只能是少数学生，而学校大量资金、教学资源的投入仅仅用在这一小部分孩子身上，未必经济。如果我们将现有的机器人社团活动资源稍作调整和追加，就可以将机器人教育推广到学校的每一个学生。这完全符合学校实施素质教育，为每一个学生个性特长和潜能的发挥搭建平台，创设条件的理念，也更符合教育公平的准则。当然，对于大多数小学生来说，认识、了解机器人是容易的，要他们自己动手制作机器人还是有一定难度的。这个难度主要在于机器人是一种比较复杂的机电系统，涉及到许多机械、电子方面的知识与技术，不少方面超出了学生的既有知识基础和生活经验储备。但从机器人的系统结构和功能要素来看，其信息获取、加工、处理、运用等模块的功能与人类的感觉器官、大脑、四肢十分相似，并不是高深莫测和难以理解的，完全可以在类比中学习体验。因此，只要我们把握好技术学习的深度和范围，定位于普及层面的机器人基础知识教育还是能够为小学生所理解和掌握的。从本校多年的机器人学生社团活动经验来看，无论是机器人的结构搭建还是程序控制，对学生而言，它好像是一种娱乐。结构搭建类似于幼儿时代的搭积木，只不过这种乐高积木的式样更多，结构更巧妙，可以搭建模仿的对象范围更广泛，还可以自由发挥，创意想象。而程序控制有点类似于信息技术课里画组织结构图，只不过这种图不仅要理顺彼此间的逻辑关系，还要准确设置它的功能、参数。虽然有点难，但学生往往把它看成是在玩一个可以自己随心所欲地控制的高级玩具，因而不是望而生畏，而是乐此不疲。加上屏幕上的图形和数据能够外化成机器人现实的物理运动，不但降低了学习程序控制技术的难度，第5页共14页也给学生通过试验、修改、再试验、再修改，直至成功增加了比拼和挑战的乐趣，提高了他们动手参与的积极性。至于在小学里开设这一课程会不会增加学生的学习负担，我们认为这不是个简单的是非问题，关键要看我们所编制的课程方案，看其是将培养学生的兴趣放在首位，还是像一门学科课程那样以一致的学习要求来对待兴趣、基础、能力各不相同的学生个体，它需要在课程的设置理念、实施策略和目标要求上思考和把握。（二）机器人基础知识普及教育课程开发实施的基本思路根据以上认识，我们进行了机器人基础知识普及教育课程化实施校本课程的开发。在整个开发建设和随后的教学实验过程中，我们从以下几个方面把握课程普及教育的特点、实践型课程的特性和提高综合素养的培养目标，努力将课程研发的理念具体落实。1是机器人活动的普及课，不是竞赛活动的培训课机器人社团活动是本校的特色，培养更多的机器人爱好者，积极参与各种竞赛，通过竞赛检验学生课外活动的成绩和促进活动的开展，自然是我们工作的一个重点。但是，作为普及层面的机器人基础知识教育课程，特别是面向全体学生开设，没有必要，也不宜进行竞赛层次的学习培训活动，无论是在内容上还是在教学方式上。因此，在学习内容遴选上，我们没有选择诸如灭火、足球、走迷宫等经典竞赛项目，而是根据普及教育的实际情况，将机器人基础知识学习内容生活化地体现在课程内容上，程序控制课程中开发了保安巡夜、机器人碰碰车、飞蛾扑火、遛狗等项目，结构搭建课程开发了眼镜、不倒翁、抓斗等项目，既降低了学习难度，更以生活化的项目制作激发了学生的兴趣。在课程的教学实施过程中，我们不采用竞赛培训从规则演绎任务要求，一开始就导向最高性能的思路，而是将项目任务分成基本要求和拓展要求，根据学生的具体情况，在项目制作达到基本要求以后，积极鼓励自主发挥，让学生根据个人喜好或小组合议，继续完成拓展作业，并在评价标准上强调生活化原则以引导学生面向实际生活场景。2是动手实践的机器人活动课，不是机器人知识的介绍课在开发机器人课程之初，我们研究了一些学校开设的机器人课程，发现有些学校机器人课程相当正规，对机器人的历史，各种机器人的图片资料、工作原理，以及机器人在各行各业中的运用等方面知识的介绍都很到位，有些还专门在校园网上建设了专题网站，让学生自主学习网站上介绍的各种机器人知识，并开展小组合作学习和各种交流探究活动，制作机器人知识介绍的小报，撰写小论文。我们认为，机器人对现在极大部分小学生来说还是一个朦胧不清的概念，给予系统的讲解也许是必要的。但是，实物和动手操作可能比枯燥的知识讲解、图片欣赏更能激发学生的兴趣，能更好地帮助学生通过“这一个”去了解“这一类”，完成他们机器人知识的建构。因此，我们的校本机器人课程应该基本放弃单第6页共14页纯的机器人知识介绍，教学上也没有必要让学生围绕几幅图片去想象将来的机器人是怎样的，能够帮助人类干什么，不能把课上成机器人科普知识讲座。为了达到这一目标，我们首先在器材配备的数量上予以保证，三年级的结构搭建课程每四个学生使用一套乐高9632结构套件，另加部分9686的器材开展合作学习，保证每个学生能同时使用小组中的器材独自完成基本任务的搭建，程序控制课程中四年级上学期的仿真学习保证每人一台计算机，下学期的实体机器人操作保证二至三人一个小组，每组一台机器人和一台计算机。同时，在课程方案上我们强化了机器人课程的时尚性和操作性，把它定位于一种普及性的实践操作课程，不追求课程的系统与全面，而是充分利用小学生好动好奇的特点，以培养学生的兴趣为主，把主要的教学时间留给学生去摸、去玩机器人，让他们亲身感受到机器人的有趣和神奇，使他们乐意去关注机器人，去探索它的奥秘，有兴趣思考怎样才能更好地制作和操控机器人。3是机器人活动的探究课，不是机器人制作的技术课在课程开发初期，我们还研究了一些学生机器人课程的教材。有些教材的教学思路被技术所左右，甚至只见技术讲解，少有思维含量，有点类似于看图学操作的计算机软件操作说明图书。回顾计算机教育初期的程序教学，往往一般教师教语法，好的教师重思路。现在信息技术普及教育的内容基本上都是所见即所得的，强调算法思想可能已无用武之地。但在机器人教学中，算法思想可以，也应该成为我们关注和强调的重点，只有这样，才能体现面向全体学生的机器人普及教育课程的价值。因为从某种角度来说，算法就是数学的解题思路，就是工作的条理性，就是思维的逻辑性，借助具体的技术学习，引导学生有意识地关注算法和思路，才能使这门课真正起到提高学生综合素质的作用。因此，我们在课程开发时努力将技术隐藏在项目制作活动中，不唯技术是瞻，在课程形式上以制作项目结构课程学习内容，在教学过程中以逻辑过程分析引领技术实现细节，努力培养学生发现问题、定位问题、分析问题、解决问题的能力。同样，在搭建课程中，我们也不是简单地让学生仿照图纸或图片搭建，而是将教学活动的中心放在基本任务搭建以后的活动与修改提高中，让学生在活动中发现问题，从而引导学生深入思考、试验比较，直至最后能够较好地完成拓展任务。二、实践篇机器人基础知识普及教育课程化实施六年录基于以上认识，我们从2006年开始面向全体学生进行了课程化的机器人基础知识普及教育实验。实验从机器人控制程序编制与调试课程的实施开始，次年又进行了机器人结构搭建课程的教学实验。截至2012年暑假，两个子课程各进行了六年和五年的教学实验，取得了预期的效果。（一）基于控制程序编制的机器人基础知识普及课程第7页共14页控制程序编制课程以面向实际生活的场景或物件的模拟制作为基本学习内容，以项目制作为主要的学习模式，以广茂达VJC15仿真版、VJC16开发版软件和ASMII型能力风暴教育机器人为学具（2011学年度的实体机器人教学升级为广茂达VJC20开发版软件和ASMIII型能力风暴机器人），以每人一台计算机（第一学期）和二至三人一组（第二学期），每组一台计算机、一台机器人为基本的教学组织模式开展教学活动。该课程每周一课时，和劳动技术课连排，以隔周两课时连上的方式排课。程序编制课程的学习分成两个阶段，每学期一个阶段。第一阶段主要在教学机房的计算机上用仿真版软件集中学习程序编制软件的操作技术、基本的机器人控制程序编制和简单的程序调试技术，第二阶段再借助实体机器人在周边安装有计算机的信息厅学习现实环境下的机器人操作控制与调试技术。整个课程不以技术内容结构课程学习顺序，而是以项目为纲，技术为目的方式组织学习内容、编制制作项目。机器人控制课程每学期的学习内容均分为两个模块，基本技术学习模块和项目制作活动模块。前者每学期2至3次，主要学习最最基础的软件操作技术技能、实体机器人部件结构知识及其检测方法、程序的下载和机器人的操作方法，后者都是从现实生活中常见的物件、学生能够理解的生活场景中概括设计的项目制作活动，要求学生根据项目制作的要求编制机器人控制程序，并完成基本调试。之所以强调从现实生活常见的物件和学生能够理解的生活场景中概括制作项目，是为了让学生逐步养成一种能自己根据实际环境概括作品要求和优化作品性能的意识，以此培养他们面向实际生活的习惯。比如，“机器人碰碰车”是一个根据常见的公园游乐活动提炼的项目。在教学活动中，先要求学生根据自己游玩碰碰车的经验，概括出这一游乐活动基本操作的逻辑顺序和规则，然后利用机器人的碰撞检测模块和以前学过的控制模块完成机器人碰碰车控制程序的设计，然后边试验，边分析，通过问题定位、分析找到可能的原因，修改程序流程、模块结构和参数设置，继续试验和验证，直至排除错误达到项目基本要求。又如“飞蛾扑火”项目，先要求学生根据成语、生活经验和既有知识解释这一现象，概括出飞蛾扑火的逻辑过程，再据此形成流程框图，在引出亮度检测概念，新授了该模块的使用方法以后，要求学生根据逻辑框图使用以前学习过的流程控制模块完成机器飞蛾控制程序基本结构的编排，再在不断试验调试中根据具体问题调整模块的参数，初步完成作品的制作。再如“遛狗”项目，要求学生先叙述一下自己养宠物狗或者看到小区邻居遛狗的大致情景，在学生得出宠物狗通常能跟着主人行走的结论以后，引导学生思考如何灵活运用已学过传感器来实现这一功能，最后让学生拿着一张A4纸引导机器人行走，同时逐步调整程序模块的参数设置，使机器人的跟踪更有效、转向更灵敏。在各个制作项目中，除了基本任务以外，通常还准备了一到两个拓展任务。拓展任务是在基本任务的基础上对作品提出更高更接近实际生活场景的要求。比如，机器人碰碰车第8页共14页的拓展任务是让碰碰车的反应更灵敏和活动区域更大，千岛湖之旅的拓展任务是要求自动游船到了小岛边能自动播放音乐、显示文字，表示游船正在进行旅游景点介绍，飞蛾扑火的拓展任务是让飞蛾能找到任意位置的蜡烛，而且扑火后能立即停止运动，以表示“光荣殉职”。由于这些项目都来自于学生的生活经验和能够理解的知识，所以学生特别有兴趣尝试和实践，竭力攻关。也因为它们来自于学生的生活体验，所以教学中教师不必对项目要求做过多阐述，只强调作品评价中一个不变的标准谁的作品更符合生活，谁的评价就更优秀，你可以自由发挥，只要能自圆其说，以激发学生精益求精和积极创意的精神。为了检验学习效果，总结经验，每学期都安排了期末的学习评价和考核活动。考核成绩全部采用等第制表示，方式主要是学生演示，教师评价打分，部分班级的某些考核还试行了师生共同评价打分。因为学生的学习兴趣越来越浓厚，2010年以后的考核还试行过学生在考核题目范围内自主选择应试题目，第一学期末的仿真版教学还允许学生回家继续课堂未竟的考核，凭编制的程序文件、程序和仿真运行的屏幕硬拷贝图片评分（因为有些学生对自己编制的程序运行效果不满意，课堂时间无法满足他反复调试获得高分的愿望）。考核一次通过率在8095之间，各班各次稍有上下，未通过的在课余安排补考，极个别适当降低要求后通过。另外，在2009学年度的部分班级还初步尝试了画流程图的平时作业，希望籍此帮助学生学会梳理自己的思路，提高阐述和表达程序编制思路的能力。这些作业同时也作为平时成绩，与期末考核成绩共同构成学生的学期总评成绩。（二）基于结构搭建的机器人基础知识普及课程三年级的机器人结构搭建课程于2007学年度开始首轮教学实验。该课程以激发学生兴趣、培养动手能力和实践意识为课程宗旨，以乐高结构套件为学具，以基本结构与简单机械知识为学习内容，以小组合作和任务驱动为基本的教学组织模式，以实践、体验为中心组织学习活动。结构搭建课程的教学活动基本安排在学校的劳动技术专用教室内进行，学生四人一组使用一套乐高结构套件合作学习。由于作为校本探究课程开发，故实验初期与探究活动课共用教学时间，隔周上课，每次一课时。从2009学年度开始，机器人搭建课和探究活动课由同一名教师任教，课时分配为机器人搭建课占用三分二的课时数，每学期12节左右，探究活动课使用剩余的三分之一课时数。与机器人控制程序编制课程相类似，机器人搭建课程的学习内容也分为两个模块，结构搭建基础知识学习模块和项目搭建与实验模块。前者主要任务是帮助学生了解各种乐高结构件的名称，学会如何快速选取和整理这些结构件，了解其功用和搭建要点，学习如何看懂图纸并根据图纸进行搭建，初步体验搭建操作的方法与乐趣。后者是课程学习的主要第9页共14页内容，从小组协作，自由发挥制作一辆简易小车开始，让学生先做一个可以“玩”的东西，在玩的过程中比较优劣，发现问题，再通过一系列相对独立的搭建活动让学生了解各种基本结构的特点，知道一些基础的力学知识。比如“眼镜”强调的是牢固、舒适与美观，“不倒翁”探求的是重心与稳定的关系，“天平”要求的是灵敏，“陀螺”体验的是运动与平衡的关系，“雨刮器”关注的是动力运动形式的转换，“抓斗”突出的是支点与力臂的知识等等。最后，课程的学习再次回到小车的搭建上，要求学生调动以往的搭建经验和掌握的知识，在常见动力传动装置的认识与了解的基础上，完成一辆带有一定创意的轮式动力小车。虽然搭建课程制作的大部分项目都是一个个独立的作品，但在课程内容的设计编排上尽量让一系列作品在制作难度和隐含的知识上大体形成一定的梯度，使后学作品的部分技术技巧或结构知识建立在前学作品的关键技术或知识之上，努力使学生的实践活动不仅仅是一种制作体验，也形成一种课程化结构的知识学习和能力训练。在搭建课程的教学过程中，教师不仅仅是让学生搭，更让学生玩，在玩的过程中发现问题，揭示问题，并共同讨论，掌握知识，解决问题。比如，在“眼镜”这一课中，学生被委以眼镜开发工程师的头衔，要求他们开发一款概念眼镜。当大部分学生完成制作以后，就让他们带上自己的作品，走到讲台前来个展示，走两步，跳三跳，再摆个POST。这样一来，一些学生的眼镜散了架，也有学生不停的扶眼镜，因为他戴得非常不舒服，还仿佛要掉下来。于是，结构搭建课就不仅仅是制作了，美观、牢固、舒适作为眼镜这一作品的评价标准就自然而然地成了学生修改自己作品时动手动脑，反复思考、试验的驱动力，工程意识也就在制作活动中慢慢地留在了心里。再如“抓斗”一课的教学，教师首先出示几幅反映“抓斗大王”包起帆工作研究的照片，以及抓斗示意图，简单介绍之后让学生也来个比拼，看看谁能做个“小大王”。当学生完成制作，PK出几个最佳作品以后，教师开始和学生共同讨论为什么这几个作品能够成为“大王”，引导学生认识支点、力臂、摩擦力等一些基础概念，并在实验、比较中思考得出结论。这样，学生修改自己的作品就不是盲目的试，而是有意识地按照物理学的理论知识来选择和使用结构件，并权衡不同器材组合的优缺点，最终完成作品的修改。在这个制作、试验、学习、修改的过程中，学生始终兴趣盎然，学习就在玩耍中悄然进行。当然，安排这些内容只是为了促使小学生去主动了解和建构一些最最基础的物理常识。机器人搭建课程内容的最终指向是带有动力传动装置的轮式车辆的制作。从风帆车、橡筋车、反冲车开始，学生在各种动力车的制作过程中运用以前制作眼镜、天平、抓斗等作品时掌握的知识，尝试怎样才能把自己的轮式小车做得牢固、灵巧和动力强劲持久，从中体验实践、探究和成功的喜悦。搭建课程在学期结束一般不安排专门的考核活动，学期成绩主要根据学生在各次学习活动中的表现（参与度、合作精神、在小组中的作用）和作品综合评价（完成与否、稳固第10页共14页性、作品性能、创意、美观）采用等第制进行评定。（三）课程建设的主要经验与成果六年来，机器人基础逐步从试验性教学发展为正式课程排入课表，成为学校的一门特色课程，许多学生通过普及教育激发了学习兴趣，报名参加各级各类机器人竞赛并获奖，学校也承接了与机器人教育相关的教科研课题和教育实践项目，带动了本区兄弟学校机器人活动的开展，得到了上级教育行政和职能部门的首肯，也积累了不少经验和成果。1提高学生的思维能力和动手能力是合适的课程宗旨对于小学生来说，机器人是比较神秘的，要操控它，技术这道坎无论如何是绕不过去的。但因此把技术学习放在首位，那就可能陷入为学机器人而学机器人的陷阱，从而偏离了培养学生动手实践做科学的习惯和提高思维能力的初衷。从六年来的课程实验情况来看，学生面对实际问题的处理能力有了明显的提高，在机器人课程中形成的学习习惯、解决问题的分析方法被迁移到其他学科的学习中，应用到了日常的生活中。在每届四年级学生佘山四日野营活动中，带队教师普遍感到学习过机器人课程的这几届学生，在野外活动，特别是野炊、军事游戏中的表现，在思维敏捷性和处理问题的思路条理性上明显要比以前没有进行这一课程学习的学生来得强。特别是在佘山竹乐园走迷宫活动时，简直是有天人相助一般。学生自己也说，这就是机器人走迷宫嘛。2强化探究意识，关注情感态度价值观是合适的课程导向在课程化教学中，一个教师要面对40个学生，难免有指导不及时的时候。因此，教学活动中我们特别重视学生学习兴趣、探究意识和耐挫至能力的培养，引导他们大胆尝试，在反复的试验中逐步提高自己分析问题、解决问题和自主学习的能力。经过教师有意识的引导、培养，学生的自主探究意识和能力都有了明显的提高，学生也不像刚开始时一个不行就哇哇叫老师，而是慢慢自己琢磨。特别值得一提的是有些整体行为习惯上表现比较差的学生在机器人课中的表现却截然不同，不但制作成绩中上，甚至优秀，在课堂纪律、同学交往方面都有判若两人的感觉。在机器人课上的成功与转变，不但改变了其在同学中的形象，甚至也增加了自身的学习信心和动力。分析其中的原因，我们认为，这与课程强化探究意识，教师特别关注学生的情感态度价值观有一定的关系。因为机器人课程对学生来说是一门全新的课程，没有什么基础要求，而这些学生往往是文化成绩比较差而动手能力特别强的，到了机器人课上，在兴趣的引领下，动手能力的优势很快显现出来，被聘为小老师，从而加强了他的自信心，也改善了他的人际关系。3先在兴趣组“中试”和“虚拟引入，实体发展”是合适的课程开发实施策略按照最初的课程开发计划和实施方案，机器人控制课程在整个学习过程中自始至终将以实体机器人为学具开展制作活动，目的是提供学生更多的接触和赏玩机器人的时间。但第11页共14页在首轮课程化实验前夕，在学生机器人课余兴趣组进行的模拟课堂教学环境的小规模教学试验中发现，学生一开始就要面对机器人结构知识的学习、控制程序编辑软件操作技术的学习、程序基本概念和结构规则的学习、控制程序调试技能技巧的学习，加上实体机器人受环境影响较大，学生还没有掌握问题定位的分析思考方法，出了问题很难马上判断到底是程序问题、设备问题，还是环境因素的干扰所致，无疑是叠加，甚至是放大了学习困难。据此，我们将课程调整成“虚拟引入，实体发展”的两阶段模式。通过虚拟引入，分散、化解难点，构成一个比较合理的梯度，使起始阶段的学习坡度大大降低，学生的学习兴趣也能够有效保持，从而保证了控制课程教学实验的成功。以后，先在兴趣小组“中试”也成了校本课程开发的惯例。实践证明这是一个合适的课程开发与实施策略。三、发展篇给孩子提供更大的想象和创新空间虽然机器人基础课程获得了良好的实验效果，但受学生知识基础、实践能力，以及课时资源等方面的限制，从总体上来看，课程活动许多还是停留在学习、模仿的层面，直接指向创新能力培养的活动设计依然不足，有进一步开发实验的空间和必要。于是，我们先后规划设计了两个不同方向的机器人创意实践子课程，即足式机器人制作的创意实践子课程和基于电子控制技术的简易机器人制作创意实践子课程。（一）基于足式行进机构的机器人制作课程设计足式机器人制作创意实践课程设计的目的是让学生在完成了偏重于静态的结构搭建课程学习和机器人控制程序编制课程的学习以后，将学习探究的方向转向动态机械结构上，通过足式机器人的制作，进一步激发学生创意创新的兴趣和实践制作的能力。创意实践课程的学习内容围绕着最终作品能行走的足式机器人组织，关键技术是怎样将动力从轮式运动转变为足式机器人行走所需的往复运动，以及随之带来的动态平衡问题。这对小学生来说有一定难度，但也给学生的探究实践和创意创新提供了广阔的空间。为了达到这一目标，在教学内容的设计组织上我们将足式机器人的制作分解成两大部分，机器人运动机构部分和形体部分。前者主要通过对多种不同方式的轮式运动到往复运动转换样例的参考和模仿，让学生初步了解其中的制作要领，并引导学生根据自己选择的足式机器人制作主题构想运动系统的结构。后者主要从足式机器人的外观形象角度进行创意搭建，同时考虑与运动机构的平衡和协调问题，从而进一步培养学生基本的工程意识和系统观念，努力达到天马行空与脚踏实地的平衡。按照课程开发计划，这是一个完全基于探究活动的校本拓展课程，将安排在五年级开设，其中五年级上学期主要学习、探究机器人的行进机构，下学期结合足式机器人外形的创意设计完成整体制作。第12页共14页但是，该课程的开发仅在机器人课余兴趣小组进行了一小部分足式机器人行进机构内容的教学试验，并未完成全部开发工作，也未进行课堂化的教学实验。其原因主要是在课余兴趣组进行的“中试”中发现这种较大项目的搭建活动需要非常多的零部件，因为大多不能在一节课的时间内完成一个完整的作品组件，这些半成品如若保留将导致后面几个平行班的教学活动陷于“无米之炊”，而不保留的话，每次课堂教学活动都要做许多重复的工作，会大大降低课时利用率。而且，五年级学生三维立体空间的表述能力和绘图能力还比较低，制作活动中的生生交流、师生互动也不是很容易。另外，这种较大制作项目的合作活动对学生的要求也比较高，许多学生的表述、沟通、配合、协调、互补能力还较弱，合作的效果不佳。因此，该课程开发的可行性未得到最后的确认。（二）基于电子技术和单片机的简易机器人制作课程设计及前期试验在研发基于足式行进机构的机器人制作课程搁浅之后，我们将机器人创意实践课程学习的方向转向电子技术，设想让学生直接利用电子技术来操控机器人的运动，开发基于电子技术的简易机器人制作创意实践课程。为了评估验证这一设想的可行性，我们于2009年底先策划了一个学生电子技术学习课程，课程最后定名为“电子实验”。同时组建了学生课余电子兴趣小组作为班级化课堂教学“中试”的基地。我们认为，电子实验有丰富多彩的制作项目，作品新颖有趣的功能和声光磁效果能够激发学生实践、体验和进一步学习探究的兴趣。同时，通过对实验项目的精心规划和组织，电子实验可以与学生的现实生活和学习活动相联系，让学生在实验过程中逐步养成从周围物象世界出发观察思考问题和分析解决问题的习惯，也有利于提高学生的动手能力和高级思维能力。因此，无论是作为机器人创意实践课程开发实验的先行，还是作为一门独立的校本课程开发，电子实验都是很有价值的，值得一试。电子实验校本课程承袭了机器人课程不以技术结构活动内容的原则，将最基础的用电常识、电子技术知识分散于具体项目的搭建实验中，于2010学年度在3个五年级班级和1个三年级班级进行了为期一学年的基于通用面包板的电子实验校本课程的教学试验。上半学期主要结合电光单元下的触摸灯、光控灯、延时灯、双跳灯等项目的制作，学习了导体、绝缘体、半导体、安全用电等基础知识，以及面包板、电阻、电容、发光二极管、555电路等常用元器件的基本知识。下学期主要结合电声单元下的音乐电铃、报警器、光控变音器等项目的制作，学习了三极管运用方面的基础知识。由于教室环境与课堂纪律方面的原因，电声单元有些项目未按课程方案进行班级化的课堂教学试验，如声控灯、小小扩音机等。通过一学年的课程化教学试验，电子实验课程获得了比较理想的效果，课程不但获得了学生的喜欢，也受到了家长的欢迎。多位学生或自己，或通过家长联系教师要求参加课余兴趣小组进一步学习，也有的学生或家长要求教师代购器材继续学习。许多学生参加上海市青少年科技艺术教育中心组织的上海市学生电子实验（制作）竞赛获得了很好的成绩，第13页共14页学校也荣获了多个团体第一名。电子实验课程的教学经历和取得的成绩使我们感到，电子实验课程的小规模教学试验已经获得了成功，电子控制技术对小学生来说也未必是十分高深和不可接触的，只要我们把握好难度和切入点，基于电子技术的简易机器人制作创意实践课程同样具有实践研究的价值。基于以上经验和认识，基于电子技术的简易机器人制作创意实践课程