1、高中机器人教育研究【摘 要】 机器人是一门综合性极强的前沿学科，机器人教育是培养创新人才的最佳途径。随着机器人技术的飞速发展以及各类竞赛活动的涌现，机器人教育越来越引起家长、学生和学校的关注。本文在分析了目前中小学机器人教育现状的基础上，以建构主义理论和项目学习理论引领，在推进中小学机器人教育方面做了一些探索和实践，为其他学校开展中小学机器人教育提供可借鉴的经验。【关键词】机器人教育 实践研究引言自从 1962 年美国万能自动化公司推出第一台机器投入使用到今天，机器人已经在世界各个领域为人类服务。许多学校进入了机器人教学和研究的行列。作为我们郑州县区，在机器人教育教学方面的起步比较晚，我市各个
2、学校层次不一，为了整体提高区域中小学机器人教育的水平，我们做了一些探索和实践，希望能为其他区县开展中小学机器人教育提供可借鉴的经验。一 、县区中小学机器人教育的现状分析教育部颁布的普通高中技术课程标准（实验）中，首次在“ 通用技术 ”科目中设立 “简易机器人制作”模块。我市自一中、二中率先开展机器人教育以来，全区的中小学机器人教育进入了起步阶段，但目前还是存在以下几个主要问题：（一）学校发展不均衡目前我市中小学中，在校内开展机器人教育或活动的只有个别几所中学和小学。主要通过拓展课和综合实践课，兴趣小组活动课，社团活动课等形式进行。机器人教育是一项高科技高成本的活动，再加上其技术的发展日新月异以
3、及每年比赛所用的器材和规则有变化，所以其投入又是需要持续的，对于一般的中小学在经费上无法承受，只有一些经费充足的、领导重视的学校才会一如既往地开展机器人教育，这也造成区内学校中小学机器人教育发展的不均衡。（二）机器人教师专业能力不高机器人教师是指从事中小学机器人教育和指导的教师。从2001 年教育部颁布的基础教育课程改革纲要（试行）中强调新课程理念注重学生自主学习，但是教师的主导作用也不容忽视，它将直接影响教学的效果，而高素质的机器人教师队伍是区域中小学机器人教育成功的关键。从全区开展机器人教育的几所学校来看，机器人师资的专业能力还比较薄弱，基本上没有专业的教师，承担机器人教学的老师主要是信息
4、技术教师、物理教师和数学教师兼职的，他们的专业背景、教学经历、专业技术水平都有较大的差异。（三）学生实践时间不多受考试评价机制的影响，学生平时课业负担比较重，没有过多的时间和精力进行机器人的学习，即使有兴趣的学生在这方面也很少花时间去实践。由于时间的紧张，在有些比赛前造成了很多设计和制作是指导教师完成的，然后教会学生如何操作控制机器人，在这种情况下学生对机器人的相关原理、核心算法都不能很好地理解和掌握，也无法锻炼动手动脑、分析问题解决问题等各种能力，不能实现学生的全面发展和终身发展，我们的机器人教育和比赛也就失去了价值。（四）校本课程紧缺机器人作为一门新型的课程，涉及机械设计与制造技术、自动控
5、制技术、电子技术、计算机技术、网络技术、通讯技术、人工智能技术等，其超强的综合性导致了目前没有统一的标准的教材，也没有丰富的教学案例、教学课件等资源。区内开展机器人教育的几所学校一般采用机器人公司的说明书以及教师自己编写的一些校本教材，这就造成了学校机器人教育处于没有保障的状态。二 、推进区域中小学机器人教育项目的实践（一）项目框架介绍1项目的基本构想推进区域中小学机器人教育项目是想通过在教育局统一的规划下，统一通过政府购买一批机器人设备，让区内中小学的学生和教师享受到区内最好的机器人实验室和机器人设备。通过双休日对学校的一名机器人教师和部分学生进行在松江二中集中培训和学校平时各自通过兴趣班等
6、两种教学模式，从点到面整体提高区中小学机器人教育水平，锻炼区域学生的综合素质。2项目的组织实施项目是在松江区教育局里的大力支持下，由局基教科、松江二中、区教师进修学院信息部、机器人公司、各中小学共同参与实施。局基教科主要负责经费和各个学校之间的组织协调工作。松江二中提供一流的机器人实验室和饮食。信息部负责整个项目的策划、设备的采购（包括足球机器人、灭火机器人以及相关配件和调试场地等）、培训管理、比赛组织工作。机器人公司负责提供专业的技术指导和培训。各中小学负责选出一名机器人教师和 4-6 个学生组成一个学校机器人小组团队，同时提供一台笔记本电脑为机器人编程所用。3项目的时间管理项目时间管理中最
7、关键的是合理安排时间，只有科学地安排时间进度才能合理使用分配资源，发挥最佳的项目实施效率和效益。项目的具体时间表如下：时间进度活动内容1月2月3月4月5月6月7月9 月至12月机器人采购 区赛赛前培训（每周六一天） 机器人教育成果展示以及区赛 市赛赛前辅导（每周六一天） 参加郑州市中小学机器人竞赛 全国中小学机器人比赛赛前辅导 全国中小学机器人比赛 常规学习（每周六一天）上午：基础理论学习下午：组装测试实践学习（二）项目课程实施1全新的教育理念整个项目实施的是以建构主义理论和项目学习理论为支撑。建构主义认为，知识不是通过教师传授得到的，而是学生在一定的情境，即社会文化背景下，借助他人(包括教师
8、和学习伙伴)的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得的。建构主义提倡在教师指导下的、以学生为中心的学习，学生是信息加工的主体、是意义的主动建构者。理想的学习环境应当包括情境、协作、交流和意义建构四个部分。 23学生身处机器人实验室，真实的机器人以及相关配件就在眼前，在这样的情境中学习，激发了学生学习的兴趣。在学生完成足球机器人或灭火机器人任务的过程中，需要学生和学生之间的协作、沟通交流、最终达到意义建构的目标。项目学习（Project-based Learning ）是由著名教育家克伯屈（William Heard Kilpatrick）首次提出的，目的是把学生融入有意义的任务完成
9、的过程中，让学生积极地学习、自主地学习知识建构，以现实中学生建构生成的知识和培养起来的能力为最高成就目标。 4在机器人学习中，学生自己计划设计、运用已积累的知识和经验，通过自己的实践操作、同伴的相互交流合作，创造性地完成一项任务，在真实的环境中设计制作出机器人，并利用它解决实际问题。在这个项目学习中学生的自主学习能力、动手实践能力、交流沟通能力、研究分析问题解决问题的能力、团队协作能力都得到了充分的发展。2全新的学习环境我国中小学教师教育技术能力标准（试行）中，认为学习环境是指直接或间接影响个体及群体学习的全部外在因素。在学校教育中，学习环境主要包括校园、教室、图书馆、实验室和教学软件平台、学
10、习工具、各种学习资源等硬软件物质条件，以及校风、学风、校园文化等精神因素。此外，家庭和社区通常被认为是学生的校外学习环境。 5在以中观教学设计为主体的主题单元学习设计中，提出了一种“ 全空间” 的设计。教室环境是典型抽象化的教学环境，社会环境是真实的情境化教学环境，信息技术丰富的信息化环境能够有效地充当拟真化的虚拟教学环境，它们共同构成了教学环境的全空间（教室空间、社会空间、虚拟空间）。 6教室空间，指在传统意义上的课堂物理空间。在机器人学习中是以小组合作为主，培训教学实验室中的座椅都是以小组形式摆放，这种形式有利于理论知识的传授和演示、动手实践操作、指导教师进行小组指导。场地实验室存放各种机
11、器人测试场地，例如足球场地、灭火场地、篮球场地等，当学生将程序输入机器人后，就可以在相应的场地中调试和优化程序。社会空间，是指具有很强的真实性，能使学生接触到现实世界场景。在机器人学习的整个过程中，部分学生可以到机器人公司参观，可以真实地看到博士生、硕士生机器人研发的现场，可以看到已研发的先进机器人（除了教学用的机器人，还有工业用和家庭生活用的机器人），这种感官的刺激进一步激发了学生学习的兴趣和动力。学有余力的学生（特别是松江一中和二中的学生），校内的学习内容已经不能满足他们的需求，他们会在双休日拿着实物机器人主动到机器人公司请求专家指导，边学习边调试，一呆就是大半天甚至一天，这种学习模式真正
12、将学生融入了了技术世界，同时也增强了学生的社会实践能力。虚拟空间：指由信息技术创建或模拟的数字化虚拟教学环境。每一个机器人小组都有一台笔记本电脑，他们可以通过计算机网络可以方便地查阅有关机器人先进知识和技术、完成任务所需的各种信息资源。对于高中学生，为他们提供了微软的NETFRAMEWORK，它是以一种以通用语言运行库为基础的编程平台，支持多种语言，是高中生学习 C 语言编程的最佳助手。为了降低小学和初中学生机器人编程的难度，激发他们对编程的热情，为他们提供了 3D 仿真虚拟机器人可视化编程软件，在通过该软件为机器人编程的过程中，培养了学生的高级思维能力。3全新的学习内容中小学智能机器人课程指
13、导意见（试行）中指出，中小学智能机器人课程的主要任务是：“培养学生对智能机器人的兴趣，让学生了解和掌握以智能机器人为载体的通用技术与信息技术的基本知识和技能，了解技术的发展及其应用对人类生活和科学的深刻影响。通过智能机器人课程培养学生良好的信息素养、创新精神和实践能力。教育学生正确认识和理解技术与文化、伦理和社会等问题，树立正确的技术观。” 7机器人学习主要包括设计组装机器人、机器人软件编程、程序导入机器人控制器中、机器人运行调试四个环节。根据机器人学习的四个环节和上述指导意见，我们主要从以下几方面的内容去实施中小学机器人教育：（1）熟悉机器人及其基本结构和原理学生通过网络资源和教师的讲解了解机器人、机器人的历史与发展、机器人与人类生活、机器人与社会发展的关系，从中培养学生学习的兴趣和乐趣，增强学生创新动力和创造活力，树立正确的技术观。学生熟悉机器人的硬件组成结构和基本原理，主要是学习各种控制器、传感器、机械传动装置等原理以及操作使用技能。（2）学习机器人的组装与维修的知识与技能学生在熟悉机器人的基本结构和原理的基础上，学习将相关的组件和配件组装成一个成型的机器人。例如学生可以利用机
