“學習包：自動控制與模塊機器人”教學案例

楊彥欣

(上海市盧灣高級中學 上海市 200023 )

1 背景和教學任務

“學習包:自動控制與模塊機器人”是上海科學技術出版社的《物理》高中二年級第一學期的一節內容.所謂“學習包”，就是圍繞某一特定內容整合學生經驗所構成的相對完整的探究式學習單元.“學習包”是上海二期課改新教材中出現的一種新的教學模式，它的特點就是要求學生自己看資料、課題自己選、實驗自己做、成果自己呈現并交流.“學習包:自動控制與模塊機器人”是高中基礎型教材中設計的11個重點探究活動之一，其內容包括簡單邏輯電路及簡單模塊電路有關的應用.它在實踐能力、創新能力和協作精神等方面有較高要求.

2 教學目標

2.1 知識與技能

(1)進一步了解和運用自動控制裝置的基本元件——傳感器、控制器和執行器；

(2)進一步理解邏輯電路——與門、或門、非門的實際應用.

2.2 過程與方法

體驗研究性學習的過程

(1)提出問題：從日常生活、自然現象和實踐活動中發現和提出有意義、有探索價值的課題;

(2)制定計劃：提出設計的科學概念和原理，制定實施過程，指出所必需的設備和儀器等條件，選擇搜集資料和處理資料的方法；

(3)使用工具和搜集資料：熟練使用實驗儀器，借助說明書學習新的設備，通過觀察實驗和調查搜集相關資料，利用各種信息資源，查閱相關資料，對資料進行評估并適當取舍；

(4)分析資料和解釋問題：使用計算機處理搜集到的資料，綜合運用文字、數字、圖片、圖像、表格等多種形式表達;

(5)提高表達和溝通能力：借助計算機應用軟件撰寫研究課題報告，表達和交流研究方法、過程、成果等等.

2.3 情感態度與價值觀

(1)通過研究課題，養成學生觀察生活、關注科學的良好習慣；

(2)通過分小組的形式研究課題，培養學生團結協作的意識和能力；

(3)通過探究過程，培養學生實事求是的科學態度；

(4)通過課題研究，讓學生感悟到科學技術對推進社會文明的進步和促進生產力發展的巨大作用；

(5)通過教師對研究的階段性成果的鑒定和給予合理的建議，使學生在研究的過程鍛煉了意志和毅力，培養他們不怕失敗，敢于接受質疑，并重振旗鼓，繼續探索的一種執著的精神；

(6)通過觀看機器人點燃圣火，激起學生強烈的愛國主義情感，并且讓他們意識到只有科教才能興國，而且必須每個人都要努力學習科學文化知識，才能實現中華民族的偉大復興.

3 教學設計思路和教學流程

《課程標準》中對屬于探究活動的“學習包”有六項要求：(1)提出問題；(2)作出假設；(3)制定計劃；(4)使用工具，收集證據；(5)處理數據，解釋問題；(6)表達交流.基于“學習包”的特點，筆者將本節內容分為三個階段進行：

第一階段，研究資料簡介→學生選題→篩選→開題；

第二階段，課題的資料搜集、計劃分工、研究方法指導、實驗器材準備、采訪拍攝等；

第三階段，課題研討、交流和展示.

學習包的前兩個階段的學習分別在課內外同時進行，其活動內容與設計思路如下.

3.1 學習包第一二階段活動內容與設計思想

(1)由每個學生提出自己的課題；

(2)教師和學生一起探討并篩選，確定了三大課題，均是與日常生活緊密相連的，且可操作性很強；

(3)根據選定的課題，學生自愿報名，教師根據學生的個性和特長，確定每個課題的小組成員；

(4)各課題組擬定課題研究計劃，收集相關資料，課題組同學分工合作，開展課題研究；

(5)教師指導研究方法，進行資源整合及協調工作為學生創造良好的研究條件，并且幫助學生解決困難或者進行課題成果的鑒定以及提出可行性的改進建議.

3.2 學習包第三階段活動內容與設計思想

(1)第三階段，即最后一課時的學習是三個課題的成果展示與交流，它包括日常生活中自動控制的調研；簡易機器人的研制；機器人發展歷程的研究.教學方法是學生展示為主，教師點評為輔，教師的活動主要是穿針引線，適時地評價和提問.

(2)第三階段教學流程(圖1)

“地平線歐洲”將以任務和使命為導向設立項目，并著力拓展其國際科技合作的維度和深度，為歐洲經濟、社會發展獲取全球優質科技人才和資源。我國可借助這一政策導向，在當前我國自主高新技術發展攻堅克難、產業升級階段，以完成共同使命/任務為目標拓展同歐洲在共同利益領域的技術合作，共同開辟中歐高新技術合作的新局面。同時，雙方嘗試在聯合資助機制、旗艦計劃等合作機制下，推動中歐項目的同時申報、聯合評審等新的項目管理合作模式，提高中歐聯合資助機制的執行效率，簡化合作項目申請、管理行政流程。

圖1

4 三個課題組研究過程的片段

4.1 課題一:日常生活中自動控制的調研

研究背景：由于我校DIS實驗室有比較完備的自動模塊實驗裝置，所以本組學生最初研究的方向定為結合邏輯電路知識向其他同學詳細展示門電路的簡單應用.教師提出了兩點建議：作為研究課題，如此立意略顯單薄和缺乏深度；能否拉近研究課題與日常生活的距離.經過小組成員的進一步研究，他們決定從與自己日常生活息息相關的實例出發，對課題進行調整，最后確定為日常生活中自動控制的調研，并分為防盜系列和防爆防火系列.

防爆、防火系列成果展示

片斷1：展示搜集到的煤氣爆炸和火災資料——新近發生的黑龍江的幾起煤氣爆炸，傷亡人數、財產損失非常之大.據統計，2010年截至10月20日，昆明市共發生火災1415起，傷亡人數和直接財產損失觸目驚心！

片斷2：展示家用煤氣報警器(圖2)的工作原理.電源指示燈為綠燈，左邊是一個聞煤氣味道的傳感器，用打火機代替煤氣灶可以產生煤氣.當聞到煤氣味道時，紅燈變亮，過20 s，里面安裝的蜂鳴器開始呼叫;再過20 s，呼叫停止.

實驗室里沒有煤氣報警器，學生在研究過程中發現有必要讓同學們認識它，并借此機會進行推廣，因此向老師提出購買的請求.圖3為教師和小組成員在研究報警器的使用情況.

圖2

圖3

點評：本課題組的同學非常善于觀察生活，也很關注科學.學生運用學習過的邏輯電路的知識和我校DIS實驗室的實驗儀器為大家展示了如何防盜、防煤氣爆炸、防火災，給了我們一個啟示——可以通過科學技術手段保護自己的財產和生命安全.教師不失時機地對學生進行了“安全教育和珍視生命教育”.

4.2 課題二：簡易機器人的研制和成果交流展示

研究背景：本課題組成員是我校智能機器人社團的隊員，對機器人的了解比較全面，操作能力非常強.學生提出可以發揮他們的優勢和特長，研制幾臺簡易的機器人.由于工程規模較大，因此決定分組行動.

當教師問及課題組研究有何意義時，學生自豪地說：機器人籃球比賽、籃球陪練和姚明比比誰投籃準確……

圖4 投籃機器人

圖5

片斷2：展示最初的設計——原機器人不是投籃而是扣籃，這個問題是教師最先發現的.她建議我們采用物理方法加以改裝.我們將機器手臂加長，并且在前面固定了一個板，可以減小它的轉動角度.最初編的程序是想讓機器人在操場上跑動，遇到黑線停下來投籃.因為籃球場非常大，不僅難操作，在編程方面也存在困難.這時老師向學生建議，只要能夠達到投籃的目的即可，才有了現在看到的成果.

教師要求學生在成果展示時，不是簡單地展現他們的最終成果，也要展現和總結他們從失敗走向成功的經歷，這一點正是新課程所提倡的.

片斷3：教師在本組研究成果展示結束時，請其他同學談談自己的感想.

生甲：我覺得他們很能干，也很能鉆研.這在平時的學習過程中，是我卻沒有注意到的，是我學習的榜樣.

生乙：美國和日本的機器人已經很發達了，而我們國家的機器人才剛剛起步，但是我看到同學們都可以研制和他們原理相似的機器人，我覺得中國的機器人會發展得更快、更高、更強.

點評：我們看到了最終成果，也看到了中間產品,不是很完美但很真實.體現了他們實事求是的科學態度，以及對科學的孜孜以求的執著精神.另外，也看到課題組二為什么分小組分做.充分體現了他們在研制過程中分工合作.因為一個人或少數幾個人來研制怕很難.所以，充分體現了一種團隊合作精神，這正是我們要培養的一種能力，因為在今后的學習和工作中我們一定會遇到.

在課堂教學的最后時段，教師播放了我國十運會開幕式的盛況——伴隨著雄壯的歌聲，機器人點燃了圣火，并提出問題：為什么不用人而用機器人點火？在短暫的分組討論后，每組選一位代表談談看法.

生丙：顯示了中國的實力，也是體現了一種科教興國的理念.

生丁：表現了我國機器人發展的水平，讓外國人看看.

生戊：十運會的目標是更快、更高、更強，用機器人也預示著我們國家的機器人發展會朝著這個方向全速前進.

生己：是我們國家實力的證明，我相信我們的祖國在不久的將來，會成為科技強國.

教師：大家說得非常好.有了我們每一位同學對科學的這種興趣，對學科學的這種熱情和對國家民族發展的使命感和責任感，科教興國政策一定會貫徹落實好，實現振興中華的偉大藍圖.