1、机器人认识教学中的学科整合与探究性学习上海市实验学校 朱建国提要：本文通过介绍信息科技机器人认识教学的一些教学方法，探讨了与初中数学、物理和信息科技等相关内容，在探究性学习的平台上，进行学科整合的问题。提出了学科整合的必须学科互利和需要进行学科合作的观点，以及符合二期课改精神的难度小、实践多、拓展深的探究性学习的设想。关键字：机器人认识教学，学科整合，探究性学习，设计。信息科技课程中的机器人教学，一般的学校都是作为拓展课或根据实际情况成为基础课中的选修内容。许多任课教师都以参加比赛取得好成绩为教学目的。比赛总是少数学生参加，这种针对少数学生高难度的教学，不可能激发大部分学生的兴趣，这显然不符合
2、二期课改让每个学生都得到发展的原则，需要进行教法的改变。机器人教学内容新、实践多的特点，往往可以成为体现新的教学理念，采用新的教学方法的良好舞台。其本身的教材简单、参考资料缺乏、教师经验不足，可以成为需要学科整合和进行探究性学习的原因和动力。学生要参加有关机器人的比赛，不管是编程还是调试，必须对自己所使用的机器人有足够的了解，才能采取最合理的方法去解决问题。但由于资料欠缺，一般新授课的教师对这方面了解也不多，所以在进行机器人认识教学中，应当而且只能靠学科整合和探究性学习来弥补这些问题。以“能力风暴”机器人的教学为例。在刚开始引进和介绍机器人时，为了让学生对机器人有一个整体了解，教学上有必要让学
3、生测量一下机器人及其各个零部件的长度和重量。教师可对机器人及其各个零部件作一一介绍后，再将一些测量工具如：直尺、卷尺、角尺、钢皮尺、 天平和磅秤等交给学生，或给学生介绍这些工具，让学生到物理组、体育组等组室借用这些测量工具。在测量以前，教师要求学生以组为单位，每组设计一个能全面反应“能力风暴”机器人及其零部件的物理特性，测量后用以记录的excel 数据表格，然后教师对这些表格进行评价、编辑。实际的一个如图 1。“能力风暴“机器人的各项零部件的特征表格设计者：零部件 长度（毫米） 备注 零部件 质量(克) 备注壳底(不包括围裙)周长/半径 半径计算 整机 轮子周长/半径 灭火风扇 机器人的高 精
4、度不高 电池 通信信号线 通信信号线 围裙下底周长 光敏传感器 红外接受传感器 红外接受传感器 电池高 红外发射传感器 射灯孔直径 充电器 填表者(签名)： 日期： 图 1 学生设计的测量“能力风暴”机器人零部件的 Excel 表格此表设计和使用同初中二年级的物理 （八年级）中的“长度的测量”和“质量的测量”二小节的教学要求类似。学生设计和制作表格，还要用到初中信息科技的“数据表格的处理”单元的教学内容。由于设计表格的学生只了解了机器人及其各种零部件的名称、样式。教师只提出使用表格的具体要求，如表格中要有表题、作者、签名、日期和零部件名称等。学生是设计表格任务驱动，用三种不同的学科的教学内容整
5、合，探究性地完成这张表格。学生的表格一旦在教学中选用，教师可将设计者的名字印在表上以达到激励学生的目的。教师将选用的表格印发给每个小组的学生，要求学生用现有的或到物理组、体育组等借来的测量工具机器人及其零部件进行测量后填表。表中的各个零部件，有长短，硬软，直弯，重轻等之分，必须使用不同的测量工具，甚至要采用辅助工具和经过计算才能填表。如壳底和轮子是圆形，应用卷尺，其半径要通过圆周长公式计算得到。通信信号线和红外接受传感器是软的电线，应用钢皮尺或直尺来量。射灯孔直径和机器人的高，需采用曲尺等辅助工具，其测量精度相对不高。外传感器和电池只有从机器人上拆下来，才能测量长度和质量，迫使学生学会动手拆卸
6、。整机重量较大，用普通天平无法测重；而几种传感器质量都只有 2 到 3 克，只能使用天平。这些大小不同、材质各异的物品，测量中将物理教材中所提及的相关测量工具和测量方法几乎都用上了，就连计算公式都用上，对物理课的教学内容来说，填这个表是一道很好的练习题。如能同物理教师合作，这种学科整合的能使二门学科的教学都得益，这还牵涉到信息科技的 Excel 表格制作，数学中的圆周长公式，形成多学科知识解决同一问题。如果每个小组的测量都能独立完成，收上来的各小组的表格数据会略有差异，特别是重量比较小的传感器，孔径较小的射灯孔，圆顶的整机高度，都相当难测准。由于没有表格标准答案，任何人的测量都会有误差。教师对
7、这些学生测量所得的数据的评判就成了问题。教师可以将这些数据汇总成 Excel 表格，每项测量各小组的数据列成一行，计算出平均数值，如果小组较多，可去掉最大值和最小值再求平均值。让学生根据与平均值的差异来评判哪一组的测量相对准确。用相对标准代替绝对标准，对以后初中三年级的学习数学 （九年级）中的求平均数和标准差等统计内容大有好处。另外 Excel 表格统计的实际使用，有力地说明了信息科技的用途。在讲述输入程序，让机器人运动这一部分。要介绍 motor(x,y)，drive(a,b)，stop()几个函数，教材上内容不甚具体，就是找到参考资料，教师照本宣科，学生听了死记硬背，教师教的缺乏新意，学生
8、学得毫无兴趣。这对于大部分既不参加比赛，又不参加中考、统考的学生，教学上会遇到麻烦。drive(x,y)函数是用以启动机器人二侧轮子的控制电机，其中 x 为基准速度，左侧电机以 x-y 功率，右侧电机以 x+y 功率同时转动。如 drive(60,0)是让机器人左右电机都以 60 功率转动，向正前方前进。左右电机都以功率 60 或某个其它特定值运转时，机器人最高能达到多大的运行速度？教材和参考资料中都没有提及，这就像一辆汽车速度最高能开到多少一样，学生可能会有这个好奇。好奇是学生探究了解机器人特性的契机，也就是探究性学习最好的切入点。教师可举出这样一段程序：void main()drive(6
9、0,0); /*左右电机都以功率 60 旋转*/sleep(6.0); /*持续 6 秒种 */stop() /*关闭左右电机/上述程序让机器人的左右电机从静态开始，持续以 60 功率旋转 6 秒，然后突然刹车。当电机功率突然一下达到一定值的时候，其速度会从零加速到最高，当机器人还没有达到最高速时，其速度会不断提高，同时阻力也相应增大，直到最高速恒速前进。如果测出机器人 6 秒的行驶距离，用 s=vt 算出机器人的最高速度？显然不行，因为机器人在整个运行过程中不总是以最高速度恒速前进。教师提出测出或计算出左右电机功率为 60 的机器人的最高行驶速度，学生应该很感兴趣。教师可以将其作为探究性学习
10、的题目交给学生分组讨论，找出测试和计算的方法。这种小型的探究性学习适合锻炼学生的逻辑思维。如果学生能分析出机器人运行的速度变化的各个阶段，设计一种测量和计算方法应当比较容易。从图 2 可以看到，在运行足够长的时间范围内，机器人经历了速度上升，以最高速度恒速运行，然后速度下降至零。只要改变上述程序 sleep() 函数自变量，如图 2 中的 o 至 g 与 o 至 h 所示，任意二次足够长的时间运行，经历的加速与降速的时间和速度变化应当相等，加速与降速所经过的路程也应相等。将二次运行的时间相减和路程相减，就可算出 60 功率所对应的最高速度。图 2 “能力风暴”机器人运行的速度变化示意图这种对运
11、动着的机器人的分析、测试和讨论，就是物理 （八年级）的“匀速直线运动 速度”和“变速直线运动 平均速度”的教学内容的实际应用背景和实验。学生在得出机器人功率 60 所对应的最高速度以后，又引发出一些新的问题，可供学生探究性学习。如求图 2 中的 x，即花多少时间可从零加速到最高速度。功率 100 的最高速度是功率 50 的两倍吗？其加速时间是相等，还是两倍，还是有其它规律？加速时的其速度增长的规律是图 2 所示（0 至 b）的三种中的哪一种？刹车减速的规律和时间是怎样的？学生可以分小组讨论这些问题，进行分析、试验和计算，得出自己相应的结论。这些结论是什么，对错都不重要，重要的是学生能设计出试验
12、方法，进行测试和计算，得出和证明自己的结论。在不需要进行复杂编程的条件下，使绝大部分学生进行探究性学习，得到了独立思考和动手实践的锻炼机会。图 2 用到了数学 （七年级第一学期）中的“平面内点的位置与坐标”的教学内容。如果学生能在老师的指导下分析画出各阶段速度变化的图 2，相信对学生将来高中学习解析几何大有好处。就是用教师画的图 2 来分析，也是数学中的直角坐标系的实际应用，也能增加学生学习数学的兴趣。这种方法充分利用了机器人教学的资源，形成了难度小，实践多，拓展深的探究性学习。这将使得机器人的教学，不光成为少数尖子学生的专利，而成为大部分学生都能得到适合自己水平发展的，进行素质教学的良好的教
13、学工具。机器人教学的引进，不仅丰富了信息科技的教学内容，拓展了学生认识计算机的视野，成为信息科技很好的教学平台和载体，而且也成为学习和巩固数学、物理知识的很好实践工具。只要教师能巧妙的设计，可以通过相关学科的整合，不仅能使信息科技的教学得益，而且也能使巩固和激发学生对相关的数学、物理等教学内容的学习兴趣，打下学习基础，并与它们互为学习工具。在探究性学习的平台上，学科整合不仅成为必须的手段，而且会显得非常自然和谐。参考文献陶增乐等， 初中信息科技 ，华东师范大学出版社，2002 年 8 月第 3 版吴孟明等， 物理 （八年级） ，上海教育出版社，1999 的 6 月第 1 版陈昌平等， 数学 （七年级第一学期） ，上海教育出版社，1995 的 6 月第 2 版陈昌平等， 数学 （九年级第二学期） ，上海教育出版社，1997 的 11 月第 2 版徐爱平 沙有威， 智能机器人制作入门 ，人民邮电出版社，2001 年 7 月第 1 版
