青少年機(jī)器人校本課程教學(xué)案例的設(shè)計(jì)原則

劉平

摘? ?要：案例教學(xué)是機(jī)器人校本課程教學(xué)的重要手段，因此，設(shè)計(jì)合適的教學(xué)案例可以有效地幫助教師實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。以樂高積木機(jī)器人搭建與編程教學(xué)為例，教學(xué)案例的設(shè)計(jì)可遵循簡單易懂基礎(chǔ)性原則、貼近生活趣味性原則、實(shí)踐操作體驗(yàn)性原則、任務(wù)驅(qū)動(dòng)開放性原則、整體規(guī)劃系統(tǒng)性原則等。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人校本課程;樂高積木;教學(xué)案例;設(shè)計(jì)原則

青少年機(jī)器人活動(dòng)是中小學(xué)實(shí)施科學(xué)課、技術(shù)課、綜合實(shí)踐課教學(xué)的良好載體。目前，中小學(xué)機(jī)器人科技教育活動(dòng)大多以競賽或者以校本課程的方式進(jìn)行，這兩種方式都是通過具體的任務(wù)和案例進(jìn)行教學(xué)。我校多年前已開設(shè)《機(jī)器人搭建與編程》校本選修課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生探究機(jī)器人的興趣及提高學(xué)生的科技素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。根據(jù)教學(xué)反饋情況對(duì)校本課程進(jìn)行多次修訂，發(fā)現(xiàn)編寫時(shí)采用“案例+知識(shí)+探究”的方式更符合青少年的認(rèn)知規(guī)律，且在教學(xué)實(shí)踐中設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)陌咐苡行У貛椭處煂?shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。因此，在青少年機(jī)器人校本課程教學(xué)中案例的選擇顯得尤為重要。筆者將結(jié)合多年機(jī)器人教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以樂高積木機(jī)器人搭建與編程教學(xué)為例，闡述青少年機(jī)器人教學(xué)案例設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的簡單易懂基礎(chǔ)性原則、貼近生活趣味性原則、實(shí)踐操作體驗(yàn)性原則、任務(wù)驅(qū)動(dòng)開放性原則、整體規(guī)劃系統(tǒng)性原則等五個(gè)原則。

1? 簡單易懂基礎(chǔ)性原則

簡單基礎(chǔ)性是指設(shè)計(jì)的案例或教學(xué)任務(wù)要相對(duì)容易和單一，更適合零基礎(chǔ)的學(xué)生理解和學(xué)習(xí)。由于學(xué)生知識(shí)與生活經(jīng)驗(yàn)存在差異，對(duì)機(jī)器人的接觸程度和基礎(chǔ)水平不同，同時(shí)認(rèn)知水平與能力也不相同，所以，在校本課程編寫的起始章節(jié)，應(yīng)采用原理或道理淺顯易懂的例子，由簡入難，循序漸進(jìn)。

例如，在了解機(jī)器人結(jié)構(gòu)搭建知識(shí)的教學(xué)中，可以設(shè)計(jì)用樂高積木搭建“英文字母、五角星、相框”等零基礎(chǔ)的案例（如圖1），來認(rèn)識(shí)樂高積木的梁桿銷的作用及連接方式。可以設(shè)計(jì)搭建“三角形、四邊形、人字梯、折合梯、橋梁、高塔”等易理解的案例，來分析說明影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性的因素。又如，在講解機(jī)器人機(jī)械臂杠桿原理應(yīng)用時(shí)，可以設(shè)計(jì)搭建“蹺蹺板、投石機(jī)、工具夾”等簡單案例進(jìn)行實(shí)踐體驗(yàn)。

2? 貼近生活趣味性原則

貼近生活指教學(xué)案例必須來源于學(xué)生的生活實(shí)際，趣味性是指設(shè)計(jì)的教學(xué)案例要讓學(xué)生感興趣。通過機(jī)器人課程的教學(xué)不但要培養(yǎng)學(xué)生探究機(jī)器人的興趣，還要培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題與解決問題的能力，并在現(xiàn)實(shí)生活中能更好地應(yīng)用機(jī)器人科學(xué)技術(shù)。因此，機(jī)器人校本課程的教學(xué)案例必須具有生活性和趣味性。

例如：在講解機(jī)器人的機(jī)械傳動(dòng)方式時(shí)，可以選用學(xué)生熟悉的“自行車”案例進(jìn)行類比分析，騎自行車人的踏蹬為自行車提供動(dòng)力，鏈條和鏈輪等組成了自行車的傳動(dòng)部分，車輪是它的執(zhí)行部分，車身是他的機(jī)體。通過生活中的“機(jī)械手表、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、水磨房”等圖片了解齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)和連桿傳動(dòng)方式，并利用樂高積木設(shè)計(jì)搭建“攪拌器、電動(dòng)風(fēng)扇”生活用品模型（圖2）等實(shí)踐活動(dòng)，理解機(jī)器人齒輪組結(jié)構(gòu)傳動(dòng)及加速和減速原理。又如，在學(xué)習(xí)超聲波傳感器時(shí)，可以設(shè)計(jì)制作“跟隨寵物狗”教學(xué)案例，讓寵物狗跟隨學(xué)生腳步前進(jìn)后退，好玩有趣，學(xué)生沉浸其中，不知不覺中學(xué)會(huì)循環(huán)程序的應(yīng)用。

3? 實(shí)踐操作體驗(yàn)性原則

實(shí)踐操作體驗(yàn)性是指教學(xué)案例不能停留在理論層面，要讓學(xué)生能進(jìn)行具體的實(shí)踐操作，并在操作中獲得體驗(yàn)感，從而更好地理解所學(xué)知識(shí)或原理。此外，設(shè)計(jì)的任務(wù)或案例還要符合學(xué)生實(shí)際的操作能力，能在一定的教學(xué)時(shí)間內(nèi)完成，至少能在教師的輔導(dǎo)下完成實(shí)踐操作。

例如：在學(xué)習(xí)伺服電機(jī)和程序順序結(jié)構(gòu)時(shí)，可以設(shè)計(jì)模擬洗衣機(jī)工作過程的教學(xué)案例，設(shè)計(jì)一個(gè)“樂高洗衣機(jī)”作品（如圖3）。讓學(xué)生思考如何通過程序控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)滾筒的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)、如何實(shí)現(xiàn)洗好衣服會(huì)發(fā)聲提醒。該作品結(jié)構(gòu)搭建較簡單，能在規(guī)定時(shí)間完成，可操作易實(shí)現(xiàn)，能讓學(xué)生獲得體驗(yàn)感。又如，在學(xué)習(xí)程序分支結(jié)構(gòu)時(shí)，可以選擇制作“模擬整點(diǎn)報(bào)時(shí)時(shí)鐘”的教學(xué)案例，如果程序僅用順序結(jié)構(gòu)時(shí)學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)，整點(diǎn)報(bào)時(shí)秒針會(huì)停止不走，與現(xiàn)實(shí)中的時(shí)鐘情況不符，只有應(yīng)用分支結(jié)構(gòu)才可實(shí)現(xiàn)分別對(duì)電機(jī)和聲音圖標(biāo)的獨(dú)立控制。讓學(xué)生通過不斷嘗試獲得成功，并從中加深對(duì)所學(xué)知識(shí)或原理的理解。

4? 任務(wù)驅(qū)動(dòng)開放性原則

任務(wù)驅(qū)動(dòng)是指案例的設(shè)計(jì)要為學(xué)生提供一定應(yīng)用情境和具體的任務(wù)，并圍繞任務(wù)展開相應(yīng)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)探究、實(shí)踐、思考、運(yùn)用、解決問題的學(xué)習(xí)體系。開放性是任務(wù)要具有一定的開放性，沒有唯一的答案，可以有多種完成任務(wù)的方法，旨在培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力和創(chuàng)新思維。

例如：在學(xué)習(xí)彈力勢(shì)能轉(zhuǎn)化時(shí)，可以設(shè)計(jì)一個(gè)“皮筋動(dòng)力小車”機(jī)器人競賽活動(dòng)項(xiàng)目。根據(jù)情境要求，圍繞任務(wù)：兩輛皮筋動(dòng)力車如何接力，如何停在指定位置。學(xué)生進(jìn)行探究發(fā)現(xiàn)，可以調(diào)控皮筋圈數(shù)和皮筋拉伸長度控制前進(jìn)距離，運(yùn)用皮筋彈射、皮筋扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生動(dòng)力，還可設(shè)計(jì)前驅(qū)或后驅(qū)，且車身大小及重量不同還會(huì)產(chǎn)生不同結(jié)果。這是一個(gè)開放性的任務(wù)，能有效培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維，可設(shè)計(jì)出十多種解決方案，每個(gè)方案再進(jìn)行優(yōu)劣比較，能很好地培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力和創(chuàng)新思維，深受學(xué)生的喜愛。又如，在學(xué)習(xí)編寫機(jī)器人巡跡、轉(zhuǎn)彎程序時(shí)，可選用設(shè)計(jì)“光電巡跡停車入庫機(jī)器人”案例，通過程序控制機(jī)器人沿黑線達(dá)到某位置后模擬停車入庫。該案例任務(wù)情境明確，程序編寫時(shí)可控制左右馬達(dá)轉(zhuǎn)速、正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)調(diào)頭轉(zhuǎn)彎等，又可設(shè)計(jì)前進(jìn)或倒車入庫方式。兩種方式在返回時(shí)又需要調(diào)整車身，學(xué)生需要不斷償試與分析才能完美完成任務(wù)，有效激發(fā)學(xué)生編程思維能力。

5? 整體規(guī)劃系統(tǒng)性原則

整體規(guī)劃是指機(jī)器人校本課程中各章節(jié)設(shè)計(jì)的案例需要有一個(gè)整體的規(guī)劃，做到由簡入繁、由易到難，從單個(gè)任務(wù)到綜合任務(wù)，形成循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)過程。系統(tǒng)性是指前后案例之間既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律和課程目標(biāo)，通過學(xué)習(xí)能形成較科學(xué)系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系。

例如，在機(jī)器人結(jié)構(gòu)搭建部分，設(shè)計(jì)搭建“立方體、秋千、蹺蹺板、高塔、自行車、攪拌器、起重機(jī)、吊車、縫紉機(jī)、挖掘機(jī)”等案例，從簡單杠桿平衡結(jié)構(gòu)到復(fù)雜齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，再到凸輪、棘輪棘爪應(yīng)用的特殊結(jié)構(gòu)，層層遞進(jìn)，互為關(guān)聯(lián)，形成較完整的知識(shí)體系。又如，在編寫程序部分，設(shè)計(jì)“程控風(fēng)扇、前驅(qū)小車、聲控車、轉(zhuǎn)向車、巡跡車、倒車入庫、棒球機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、多任務(wù)機(jī)器人、FLL工程機(jī)器人（如圖4）”等案例，從學(xué)習(xí)樂高機(jī)器人的電機(jī)編程到傳感器編程，再到對(duì)機(jī)械臂綜合運(yùn)用完成多任務(wù)編程。程序設(shè)計(jì)上由順序結(jié)構(gòu)到循環(huán)結(jié)構(gòu)，再到分支、判斷結(jié)構(gòu)，由易到難，由單任務(wù)模塊到多任務(wù)模塊，學(xué)生在逐步完成編程任務(wù)中體驗(yàn)成功的喜悅，不斷提升編程能力。

總之，案例教學(xué)是青少年機(jī)器人校本課程教學(xué)的重要手段。上好機(jī)器人校本課程的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)一個(gè)合適的教學(xué)案例，案例設(shè)計(jì)的五個(gè)原則既相對(duì)獨(dú)立又互為聯(lián)系，在實(shí)踐教學(xué)中還要考慮學(xué)生年齡、認(rèn)知水平和已有知識(shí)等具體學(xué)情，以及所提供教學(xué)器材的數(shù)量與品牌，靈活設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)案例。此外，案例設(shè)計(jì)的成功與否，就是看是否能激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，是否能調(diào)動(dòng)探究機(jī)器人的主動(dòng)性，是否能有效促進(jìn)課程教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。