智能機器人課程教學研究

雷黎穎 袁慶飛

（西北師范大學 教育技術學院，甘肅 蘭州 730070）

智能機器人課程教學研究

雷黎穎 袁慶飛

（西北師范大學 教育技術學院，甘肅 蘭州 730070）

我國基礎教育改革將智能機器人作為課程內容，引入了中小學信息技術課堂。筆者通過智能機器人課程的實踐經驗，分析中小學信息技術課程中機器人課堂教育的實施過程，總結機器人課程的評價方法，并提出在信息技術課堂中進行機器人課程教學的建議與啟示，以期為今后中小學信息技術教學中機器人課程的實施提供新的思路和方法。

中小學信息技術；創新思維；項目設計；EV3智能機器人

一、引言

習近平總書記在《致2015世界機器人大會賀信》中提到，隨著信息化、工業化不斷融合，以機器人科技為代表的智能產業蓬勃興起，成為新時代科技創新的一個重要標志。以現代科學技術為核心的信息時代的到來，帶動了教育理念的不斷更新，創新人才培養勢在必行。2003年教育部頒布的《普通高中技術課程（實驗）》，提出將“簡易機器人制作”作為通用技術課程的選修模塊之一[1]，說明智能機器人開始作為基礎教育的課程模塊，在中小學信息技術課堂實現它的教育價值。但是由于信息技術課程的建設還不夠完善，加之機器人課程這一模塊尚處于嘗試摸索的初級階段，因此，機器人課程教學經驗的積累和課程系統化平臺的建設亟待完善。

二、機器人課程教學發展概述

（一）機器人競賽開展階段

2001年廣州市南沙科技館舉辦了第一屆全國青少年機器人競賽，當時稱為“全國青少年電腦機器人競賽”。競賽旨在以豐富多彩、形式多樣的智能機器人項目活動，培養青少年的創新思維能力和動手實踐能力，激發他們對科學技術及機器人項目研究的興趣，提高他們的科學素質。機器人教學首先進入中學校園，學校以興趣活動小組為基礎，培養參加競賽的選手，隨著機器人競賽的影響不斷擴大，教育界逐漸發現機器人教學蘊含的教育價值，便在全國各地學校開始嘗試以機器人競賽為核心的校本課程的實施。學校和國家也開始組建機器人項目創新隊伍，培養機器人競賽人才團隊[2]。

（二）信息技術課程實施階段

經過技術教育課程改革，智能機器人開始作為信息技術課程的模塊之一來體現其教育價值?！秶揖拍炅x務教育課程綜合實踐活動指導綱要》中提到，三至六年級信息技術課程的教育目標是學生學會設計和制作簡易機器人，七至九年級學生在會設計和制作機器人的基礎上，能夠體驗機器人制作的過程并學會通過程序設計解決問題[3]。雖然在基礎教育改革中將簡易機器人設計納入信息技術課程模塊，但是由于信息技術課程本身不完善，機器人課程品種繁多等多種原因，機器人教學在信息技術課程中的實施與發展也需要不斷完善。

（三）基于開源技術的創新階段

機器人課程教學本身就是為培養學生的創造性思維和創新能力而開展的，要求學生能夠有效結合計算思維和結構搭建的工程思維，創作出具有實際項目意義的功能型智能機器人。隨著開源技術的成熟，單片機與傳感模塊性能也不斷提高，作為創客教育理念下的信息技術課堂的新發展又是教育界關注的熱點，機器人課程將不斷形成以模塊與積件為基礎，編寫程序設計和搭建結構功能為主要教學活動，強調以培養工程思維和創新思維能力為教學目的，以機器人創新設計與青少年設計競賽為評價方式的多元化新模式。

三、機器人課程教學分析

（一）機器人課程教學理論

1.基于建構主義的項目學習理論

項目學習理論就是學習過程圍繞某個具體的學習項目，充分選擇和利用最優化的學習資源，在實踐體驗、內化吸收、探索創新中獲得較為完整和具體的知識，形成專門的技能和得到充分發展的學習[4]。建構主義理論在機器人課程教學的應用方面，樂高教育集團走在了前沿，其著名的4C機器人教育模式就是建構主義應用于項目學習的代表。每一個機器人項目任務的設計分別由聯系（connect）、建構（construct）、反思（contemplate）和延續（continue）四個部分構成。機器人教學過程的任務和項目設計，要求以解決實際情況為思路，利用機器人教學產品，建構創造性解決實際問題的教學環境，進行基于項目的機器人課程教學。

2.STEM教育理念

STEM代表科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）。STEM教育的開展能夠在科學、技術、工程和數學知識等方面培養學生創新精神與實踐能力，也能夠推進跨學科知識的融合[5]。同樣地，機器人課程教學也涵蓋了科學、技術、工程學、數學、計算機編程等多個領域。在基礎教育階段開展機器人課程，使中小學生對機器人的系統知識、基本概念和原理有初步的認識，有利于激發他們對科技的興趣，培養他們的創新思維和創新意識，這與STEM教育理念不謀而合。2006年5月，美國TSA協會（Technology Student Association）舉辦了以“通過使用以標準為基礎的機器人競賽評價來加強STEM教育”為主題的機器人教育研討會，會議結合STEM的核心標準，構建了“機器人競賽課程開發框架”[6]。因此，在STEM整合教育的理念框架的支撐下，重新審視機器人課程教學，將機器人作為培養學生科技素養的技術平臺，能夠有效發展學生的學科學習和實踐方面的能力[7]。

3.多元智能理論

美國哈佛大學教育研究院心理發展學家加德納于1983年提出多元智能理論（Multiple Intelligences），并于1986年提出人類的九大智能范疇[8]。該理論注重學生的全面發展，提倡素質教育和個性化學習，是現代教育的全新課題[9]，并與素質教育的內涵不謀而合。多元智能理論為實施信息技術與學科課程的整合提供了理論指導[10]，將多元智能理論應用到中小學智能機器人課程教學中，讓學生以小組的形式合作探究、動手操作，共同完成機器人項目，這樣不但突破了傳統教學的局限性，提高了課程的教學質量，而且從基礎教育階段就系統全面地開發了學生的多種智能。

（二）機器人課程教學模塊設計

機器人課程教學不同于其他模塊的信息技術課程，是學生通過團隊合作來分析問題和解決問題的過程，培養的是學生項目實踐能力及合作溝通能力[11]。目前中小學信息技術課程中，機器人課程教學基本可分為四個模塊，分別是認識積件、設計程序、完成任務和設計項目。認識積件是第一個模塊，目前機器人課程的教學產品大多是以積件為模塊構件來完成機器人設計的，積件是機器人設計的基本概念。通過熟悉積件，能夠搭建以實際問題為目的的教學環境，激發學生的興趣。設計程序模塊，多數機器人程序設計采用C語言開發環境。C語言由很多個模塊組成，用圖形代替編程語言，使設計者特別是中小學生能夠一目了然。另外，設計者只要選擇所需圖形便可實現可視化編程。這一階段主要構建實際問題，在分析問題的基礎上，讓學生嘗試設計解決問題的方案。完成任務模塊，是基于實際問題，讓學生通過討論交流完成任務，以此訓練學生工程素養和結構搭建技術。這一模塊能夠明顯體現出學生在積件認識階段的效果。設計項目模塊，是基于前面三個模塊的學習，學生獲得了設計項目的能力，并且能夠在合作學習過程中完成項目作品的設計。

（三）機器人課程教學評價

機器人課程作為中小學技術教育的一種特殊形式，決定了其教學評價方式的與眾不同。大多數機器人課程的教學評價是以興趣小組項目活動的形式來提交成果[12]。教師在機器人課程的教學過程中探索比較貼切的評價方式勢在必行，對學生的基礎知識、操作實踐、項目的完成進行全面評價，以此來激發學生的探索精神。筆者通過機器人課程的教學實踐分析，將機器人課程的教學評價分為以下三個方面：

1.機器人競賽

科技競賽不僅能夠培養學生分析問題、解決問題和動手實踐的能力，還能開發學生的多元智能和創新意識[13]。機器人競賽已成為國內科技界和教育界一致認同的青少年科技創新方面的一項重要賽事，其特有的時代性、創新性、參與性和普及性，可以作為評價學生在機器人課程教學中的創新能力、操作能力等綜合素質的指標。另外，很多學校都在通過機器人競賽來選拔優秀的機器人項目小組，并將選出的優秀團隊推薦到全國參加全國機器人競賽。因此，機器人競賽評審小組和競賽評價體系的產生是十分有必要的。

2.項目設計測評

機器人課程主要是基于項目的學習，通過對項目進行分析，并以小組的形式分工合作、探討分析、合作完成。在整個項目過程中，通過形成性評價可以對小組的活動過程進行評價，通過總結性評價可以對小組項目設計的最終成果進行評價。另外，個人評價也不可忽視，通過了解學生的參與度和思路創新等，在小組評價的基礎上再對學生個人做出綜合性評價。

3.試卷考試

機器人教學是基于項目設計的操作性課程，其中最基本的就是學生對機器人積件的認識、對機器人教學理念的熟悉及對機器人項目的探究方法等理論知識。對這些理論知識的評價，直接可以用傳統的試卷考試來進行。試卷中主觀題由學生發散思維自由發揮，可以反映學生的創新思維和探索能力；客觀題可用來檢測學生對基礎知識的掌握程度。因此，試卷也可以開始作為機器人教學評價的一種方式。

(四)機器人課程教學案例

1.教材分析

該教學案例選自初中《科學與信息技術》的選修內容《傳感器原理與程序控制》，教學使用樂高教育集團開發的EV3智能機器人。通過前邊的學習，學生已經了解了機器人的基本知識，能夠在EV3機器人仿真系統中編寫簡單程序。

2.學習者分析

本節課的教學對象是九年級興趣班的學生，他們之前僅僅接觸過機器人的幾個簡單編寫命令，對機器人的集成性編程有初步認識，并沒有接觸過機器人的項目設計。從前面的教學過程中發現，學生對學習智能機器人的制作有很大的興趣，并且大家的參與度很高。通過將機器人與我們的日常生活聯系起來，利用項目學習讓學生體驗機器人的一般制作過程，能夠激發學生的學習興趣，培養學生的動手操作能力。

3.教學目標

（1）知識與技能目標：通過聯系生活實際，學生能夠熟練掌握傳感器原理；通過小組項目制作機器人，學生能夠掌握EV3智能機器人的編程控制技巧。

（2）過程與方法目標：學生以小組的形式參與機器人項目的每個環節，通過動手搭建來加深對EV3智能機器人傳感原理的理解，掌握各種傳感器的作用，并能夠通過程序控制來調試程序。

（3）情感、態度與價值觀目標：通過小組合作完成機器人項目，培養學生智能機器人項目設計的興趣和創新思維能力，以及小組協作學習能力和合作探究能力。

4.教學方法

本節課主要采用直觀演示法讓學生初步了解智能機器人的傳感器模塊與程序控制模塊，采用討論法、項目學習法、小組學習法讓學生以小組的形式完成機器人項目的制作。整個教學過程的組織主要采用機器人教學中著名的“4C機器人教育模式”。

5.教學重、難點

（1）重點：學習傳感器的原理及設置，學會EV3智能機器人程序的編寫。

（2）難點：讓學生通過具體的任務進行抽象思維后轉化為計算機流程圖，并能夠調試程序。

6.教學過程

（1）創設情境，導入課程（Connect）

師：同學們對機器人都很感興趣，大家對機器人的認識大多是來自電影或者電視節目，但是在我們的日常生活中，也有機器人的身影，比如自動吸塵器、自動駕駛技術等。它們的工作原理是什么？它們是怎么利用傳感器來實現工作的呢？

設計意圖：播放自動吸塵器和自動駕駛技術的小視頻，通過聯系實際生活激發學生的好奇心，引出本節課的學習內容，即利用傳感器原理與程序控制制作簡單的機器人。

（2）小組分工，項目實踐（Construct）

活動一：觀察機器人的簡單構造

教師指導學生觀察已經搭建好的機器人，讓學生了解其組成部分，初步認識傳感器模塊與程序控制模塊的特征及作用。傳感器模塊的作用是接收外界的信息，并將各種信息傳遞給控制模塊。控制模塊相當于機器人的大腦，接收傳感器信息并執行程序，指揮機器人的整體動作。

設計意圖：讓學生通過觀察機器人，認識機器人傳感器模塊和控制模塊基本組成，以及各種工作原理和功能。

活動二：小組合作動手搭建機器人

小組成員通過機器人搭建手冊來選擇本組將要搭建的機器人類型，并按照機器人制作手冊著手制作。教師在此過程中觀察每個小組的進展，學生可以告知教師他們小組遇到的困難，教師逐一對各個小組進行指導。小組合作完成EV3機器人基本模型的搭建之后，對其進行簡單的直線運動測試。

設計意圖：引導學生親手操作實踐，小組協作完成機器人項目，在提高課堂效率的同時也培養了學生的合作意識。機器人的制作過程中，教師與學生相互交流，指導學生解決問題，幫助學生完成項目。對搭建好的機器人進行測試，可以增強學生的成就感。

（3）項目反思（Contemplate）

師：每個小組的機器人項目都已經設計完成，那么每個小組根據實際的測試過程和結果進行反思：沒有傳感器的機器人運動會不會因環境的差異而影響測試結果？累計誤差如何理解和解決？傳感器有誤差嗎？如何理解？

設計意圖：學生親身體驗了機器人的制作和測試過程，教師進一步引導學生思考外界環境對傳感器的影響，以及誤差的解決方法。

（4）拓展延伸（Continue）

師：如何通過改變程序，使EV3智能機器人能夠實現更多動作？如果增加新的超聲波傳感器、光傳感器，如何編程來實現更多轉向、探測等動作？

設計意圖：引導學生了解更多機器人項目的設計方法，培養學生的想象能力，給學生傳遞更多的設計思路，激發學生的興趣和創新思維。

四、機器人課程教學的研究啟示

（一）更加關注學習者工程思維的培養

工程思維是在工程的設計、研究和實踐中形成的一種具有系統性、綜合性、實踐性和創新性的籌劃性思維[14]，核心是運用各種知識解決工程實踐問題[15]。機器人課程是一門集機械、電子、動力學、傳感檢測等技術為一體的綜合性交叉學科?；陧椖繉W習的機器人設計，為學生自身工程思維能力的培養提供了契機。

（二）注重機器人課程體系的設計

教學設計是教師在教學之前，根據教學大綱和教材內容預先制定教學重（難）點、過程、方法的教學方案。目前，機器人課程的教學設計只是基于某一項目的教學設計，并未形成統一的課程體系，不能夠深入挖掘機器人課程的教育價值?；谛畔⒓夹g課程的機器人教學模塊，只有做好頂層設計，建立課程體系，才能規范課程的目標、內容、課時、教材、師資等，否則教學無法得到有效改善[16]。

（三）拓展教師在機器人課程教學中的創新能力

機器人課程的教學過程設計、項目設計、課程評價等都對教師的創新能力提出了挑戰。教師作為課程的直接實施者和主導者，其自身的素質很大程度上影響課程的實施效果。培養教師的信息技術能力和勇于探索的創新精神，對中小學機器人課程教學來講十分重要。學校應多組織教師開展機器人教學研修活動，通過網絡資源來拓展教師的信息技術創新能力。

（四）深入智能機器人的協同創新研究

協同創新需要創新資源有效匯聚，通過突破創新主體間的壁壘，充分實現深度合作。智能機器人在教育中的應用不斷擴展，涉及信息技術、物理、計算機軟件、智能控制等多個學科，為培養學生協同創新能力提供了一個理想平臺。搭建起以智能機器人為載體的協同創新人才培養平臺，是為現代創新型社會提供協同創新人才的前提支持[17]。因此，在機器人項目設計小組中，可以以學科特長為基礎，將不同學科的特長生分到同一小組，通過協作共同創新，使機器人項目成果更上一個層次。

[1]普通高中技術課程標準研制組.普通高中技術課程標準（實驗 ）[DB/OL].http:wenku.baidu.com/view/cd40e92aed630. b1c59eeb5b6.html,2012-11-16.

[2]陳巍.基于機器人競賽的大學生創新能力的培養模式[J].實驗室研究與探索,2012，(7)：297-300.

[3]王海芳,李鋒,任友群.關于中小學機器人教育的思考與分析[J].全球教育展望,2009，(4)：81-84.

[4]胡慶芳,程可拉.美國項目研究模式的學習概論[J].外國教育研究,2003，(8)：18-21.

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（責任編輯 孫志莉）

Research on Intelligent Robot Course Teaching

LEI Liying,YUAN Qingfei
(College of Education Technology,Northwest Normal University,Lanzhou,Gansu,China 730070)

As the information technology develops by leaps and bounds,a thought and reform,technology education being the hotspot,are accelerating in the range of the whole world. Domestic elementary education reform takes intelligent robot as course content,and has introduced it into information technology classes of elementary and secondary schools.Through the practical experiences of intelligent robot classes,the author analyzes the implementation process of robot classes in primary schools’ information technology classes,summarizes the evaluation methods of robot classes,and puts forwards some suggestions and enlightenments of doing robot class teaching in information technology classes,hoping to provide new thoughts and methods for the implementation of robot classes in the future primary and secondary schools’ information technology teaching.

primary and secondary information technology;creative thinking;program design;EV3 intelligent robot

G434

A

2096-0069（2016）05-0046-05

2016-06-29

雷黎穎（1991— ），女，陜西渭南人，西北師范大學教育技術學院碩士,研究方向為數字化校園管理與應用；袁慶飛（1973— ），男，新疆庫爾勒人，西北師范大學教育技術學副教授、碩士生導師，研究方向為多媒體信息制作和數字化學習。