中小學機器人教育課程解讀

☆鐘志強 張毅寧

（鞍山師范學院物理科學與技術學院，遼寧鞍山 114007）

據教育部《中小學信息技術課程指導綱要（試行）》（教基[2000]35號），中國教育學會中小學信息技術教育專業委員會《中小學信息技術課程指導綱要（試行）》解讀，《中小學機器人課程指導綱要（征求意見稿）》（2004年12月）國內專家學者有關研究，經鞍山市中小學生機器人教學調研，鞍山師范學院2012校級科研項目之《鞍山市中小學生機器人教育問題與對策》課題組認為：人工智能技術是信息技術發展的一次重大飛躍，信息技術教育未來發展的趨勢必然是向機器人教育重心轉移。人工智能機器人教學集中承載著中小學信息技術教育的諸多核心價值，是全面培養學生信息素質、提高其創新精神和綜合實踐能力的良好載體。中小學機器人教育是以現有教育機器人產品的程序設計為核心，以培養學生邏輯思維為主線，通過研究性學習的教學實踐活動，完成多學科教學內容的學習，最終實現培養創新人才教學目標。課題組初步確定其研究成果之課程體系的課程性質、目標、對象、內容。誠咨國內同仁、中小學機器人教育一線教師意見。

一、課程性質

事物的性質是事物本身所具有的與他事物不同的外部特征，也是反映與其他事物間存在各種關系的事物的各種屬性和把這種事物與其他事物區別開來的本質屬性[1]。課程性質是指該課程表現的課程內容的基本狀況，反映其所在學科體系的位置或作用，是與其他課程區別的本質特征。

中小學機器人教育與大學機器人教育區別較大。大學機器人教育列入了人工智能、自動化等相關專業的課程之中。機器人學科教學是指把機器人學看成是一門科學，其內容涉及機器人學的概況、數理基礎、運動學、動力學、位置和力控制、高級控制、傳感器、高層規劃、軌跡規劃、程序設計等內容[2]。

當前，信息技術、通用技術、綜合實踐等課程已經是我國中小學教育的重要組成部分，但在課程內容的選取上，明顯缺乏前瞻性和有效培養學生創新精神和綜合實踐能力的針對性（2008,郭善渡）。例如：目前中小學各學段的信息技術課程，絕大部分內容是Office等應用軟件的使用。有人譏諷這是在為微軟公司辦培訓班，背離了基礎教育的宗旨。中小學機器人教育課程的核心是智能技術，其外延則涵蓋了機械制造、電子通訊、生物仿真等多個學科和技術領域。從信息技術的內涵講，應主要包括傳感技術、程序設計等方面。

二、課程目標

中小學機器人教育課程是為了進一步落實信息技術教育的選修課程，以培養學生良好的信息素養、創新精神和實踐能力為主要目標。機器人教育以培養學生邏輯思維為主線，以綜合性、實踐性和探究性為學習特征。不要求學生立刻參加各種機器人競技大賽和將來投身機器人開發行業，而是培養學生對智能機器人的興趣，讓學生了解和掌握以智能機器人為載體的通用技術與信息技術的基本知識和技能，了解技術的發展及其應用對人類生活和科學的深刻影響。還要使學生學會運用信息技術增進交流與合作，拓展視野，形成解決實際問題的能力和終身學習的能力[3]。

三、教學對象

機器人教育教學對象是對機器人制作感興趣的四年級開始的小學生、初中生。不同階段的學生，其認知水平不同，要實施機器人教育，必須根據不同階段的學生分析其認知發展規律。著名的兒童教育學家和心理學家皮亞杰認為[4]：兒童的認知是由他自身與外部世界不斷地相互作用而逐漸形成的一種結構。以運演（operation）作為標志，可以把兒童的認知發展過程劃分為四個階段。感知運動階段（0至2歲），前運演階段（2至6歲），具體運演階段(7至11歲)，形式運演階段（11／12進入）。運演并非指形式邏輯中的運演和一般數學上的運演，而是指心理運演，即指對表象、概念等符號表征系統在心理上進行的、內化了的操作。

小學三年級前，由于兒童認知發展在具體運演階段，心理操作已有可逆性與守恒性，但還離不開具體事物的支持,心理操作的內容與形式還不能分開,尚處于低級的階段。所以，不建議開設機器人教育課程。小學三年級后（一般都在10歲后），兒童認知在形式運演階段，心理操作已經脫離具體事物的束縛,內容與形式之間已完全區分,運演已達到可以通過命題和假設來進行的高級階段。此時，開設機器人教育課程合乎學生認知發展水平。

機器人課程教學對象不特別針對智力超常生，愛好特長生，沒有學校學習成績限制。學習成績會影響課程內容學習速度，不會影響學習的發生和最終結果。

四、教學目標和內容

1.小學階段（四年級開設）教學目標

（1）了解機器人的應用，學習簡易機器人的組裝，培養學習使用機器人的興趣。

（2）了解機器人的基本工作原理，學習各種機械傳動裝置、常見傳感器和通訊方式的基礎知識和使用技能。

（3）掌握機器人運動相關數學知識。如：角度分類與測量，基本幾何圖形的性質等。拓展形象思維和直覺思維訓練。

（4）初步掌握學習圖形化編程語言。如：會編寫具有變量、函數、循環和判斷語句的簡單程序指揮機器人做預定的動作。培養邏輯思維能力。

（5）在學習和使用智能機器人時學會與他人合作，遵守游戲規則。

（6）在教師的指導下，自行開發簡單機器人程序。培養創新意識。

2.小學階段教學內容

小學階段機器人教學內容納入信息技術或綜合實踐課，可使用 20～40學時；使用 LEGO＿MINDSTORM＿NXT教學機器人并利用MINDSTORM＿NXT圖形化編程語言實現以下教學內容。機器人小車搭建查看其使用說明。具體內容如表1。

表1 小學階段機器人教學內容

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3.中學階段（初中）教學目標

（1）了解智能機器人的發展變化及其對工作和社會的影響。

（2）掌握機械傳動裝置、常見傳感器和通訊方式的協同工作的方法；初步了解機器人多機協同工作的工作原理。

（3）能夠綜合運用與機器人完成任務相關的物理學知識。如：力，速度，距離，摩擦力，慣性，杠桿等。加強邏輯思維培養。

（4）初步掌握代碼語言（java或c語言）基本原理和過程，會編寫簡單語言程序指揮機器人做預定的動作。

（5）在合作學習的基礎上，能夠獨立查閱相關資料結合任務完成研究性學習，培養創新精神。

4.中學階段教學內容

中學階段機器人教學內容納入信息技術或綜合實踐課，可使用 20～40學時；使用 LEGO＿MINDSTORM＿NXT教學機器人，并以LeJOS NXJ編程語言為主完成教學內容。機器人小車搭建查看其使用說明。具體內容如表2。

表2 中學階段機器人教學內容

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以上二個階段共二十個模塊層級遞進，綜合考慮學生的心智發展和其它學科學習狀況，在教學知識體系和操作方法上設計前后有序。教學題目由教師演示，并由學生模仿完成；教學作業與同主題教學目標知識認識水平相當。在教師幫助提示下，盡可能經學生自主研究完成；備用教案使用目的是根據學生學習速度調整學習內容,并且開闊機器人對應模塊技術運用眼界。考慮學習的器材供應量和學生學習的速度亦可適當延長課時。

五、下一步工作

目前，中小學機器人教育的開展,在一定程度上是由教育機器人企業在推動。雖然企業為此做出的貢獻應當予以肯定,但隨著機器人教育的逐漸深入與普及,目前亟需教育行政部門、教學研究機構給予充分的關注、協調與引導，并加強校本課程建設和自身師資力量的培養[5]。本次研究力求明晰課程目標，完善教學內容，其評價方式也在探討中。行經實踐的檢驗后教材的編寫、教學設計的探索也將接踵而來。機器人教學對學生學業水平的提高正在進一步的分析論證。同時，師范院校機器人教學的課程培養方案也在籌劃和實驗中。

[1]肖前.馬克思主義哲學原理[M].北京:中國人民大學出版社,2004.

[2]蔡自興.機器人學[M].北京:清華大學出版社,2000.

[3]王曉蕪.智能機器人教育探索創新人才培養新模式[N].中國教育報,2010－06－18,(3).

[4]J.Piaget.The Principles of Genetic Epistemology[M].London:Rout ledge＆Kegan Paul Ltd,1972.

[5]張劍平,王益.機器人教育的現狀、問題與推進策略[J].中國電化教育,2006,(12):65－68.