利用机器人教学培养中小学生实践创新能力的策略研究百度概要.docx
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利用机器人教学培养中小学生实践创新能力的策略研究XX概要
利用机器人教学开展培养中小学生实践创新能力的策略研究
一、课题研究背景
实践创新能力是民族进步的灵魂、经济竞争的核心，二十一世纪的今天，实践创新能力已越来越成为社会生产力的解放和发展的重要基础和标志。
一个国家，一个民族的繁荣发展与一个民族有没有持久的实践创新能力有密切关系，激发创新精神，培养实践创新能力必须从娃娃抓起，从基础教育抓起，在国家教育部新一轮教育课程改革中，培养实践创新能力理念始终贯穿其中，然而，我看也清楚的认识到，中小学信息技术教育发展到今天，虽说信息技术课程不断的进行改革，但信息技术教学的内容已经远远不能满足学生学习的需求，这就要求教材内容的编写要有新的突破口，智能机器人教学是信息技术发展的前沿领域，是一门具有高度综合渗透性、前瞻未来性、创新实践性的学科，蕴涵着极其丰富的教育资源。
机器人教学进入课堂，它能大大激发学生学习的兴趣，调动学生学习的积极性，能提高学生创新和实践能力。
目前，日本、美国等一些发达国家高度重视机器人学科教育对高科技社会的作用和影响，已在信息技术课与课外科技活动开设了有关机器人的课程内容，并在实践中获得显著的成果。
所以在我国中小学信息技术课堂中开展机器人教学是顺应国际潮流，符合“教育要面向世界，面向未来，面向现代化”的指示精神。
在近几年，我们也欣喜的看到，国内发达地区北京，上海，广东等陆续把机器人教学编入中小学信息技术课程中，并且所占的比重逐年增多，另一方面，几乎所有的信息技术大赛中都有机器人相关比赛项目。
在这种大背景下，我们学校投入一定的人力物力建设机器人实验室，发展机器人教学，参与机器人课题研究和各大赛事，这是现实的需要，也是与我校在南山教育的地位相适应的，同是，开展机器人教育和实践创新研究也是实现我校教育信息化工作十二五目标的有力支撑，对于推动我校信息化向更高层次发展，具有重要的现实意义。
二、课题的界定及理论基础
1、课题的界定
（1）实践的含义
实践是人类自觉自我的一切行为。
内在意识本体与生命本体的矛盾是推动人类自我解放的根本矛盾，其外在化为人类个体及组织、阶级通过生产关系联系的整体对于自然及个体间或者集体关系、阶级关系形成的解放活动。
实践只有在自觉的意识下才是人性的、人格的。
（2）创新的含义
创新是以新思维、新发明和新描述为特征的一种概念化过程。
起源于拉丁语，它原意有三层含义，第一，更新；第二，创造新的东西；第三，改变。
（3创新能力
创新能力是运用知识和理论，在科学、艺术、技术和各种实践活动领域中不断提供具有经济价值、社会价值、生态价值的新思想、新理论、新方法和新发明的能力。
创新能力是民族进步的灵魂、经济竞争的核心；当今社会的竞争，与其说是人才的竞争，不如说是人的创造力的竞争。
心理学研究表明，对于人的创新潜能而言，大多数人的创造性未得到充分发挥，只有极少数人的创造性得到了发展，这和他们从小受得教育有关，而实际上中小学生是具有创新潜能的，只要采取合适的方法，培养学生从多角度思考问题，他们的创新能力是可以大幅度提高的。
2、理论基础
以皮亚杰为代表的建构主义学习理论认为，知识是个体与环境相互交互作用的过程中逐渐建构的结果。
儿童在不断与环境的接触中建构知识和行为策略。
在教育教学过程中，学生的学习活动是一个能动的建构过程。
在这个建构过程中，一方面学生受个人兴趣、需要以及外部环境的推动表现为主动性和选择性；另一方面受本人原有知识经验、思维方式、情感品质等制约，在对信息的内部加工上表现为独立性和创造性。
建构主义学习理论为建构有利于培养学生创新能力和实践能力研究提供了理论依据。
三、课题研究意义
开展机器人实验室教学，可充分发挥学生的主体作用，挖掘学生的内在潜能，发挥他们的想象力，培养创新精神。
因为机器人的基本特征是感知——判断——决策——行动，这一过程比单纯的网络获取加工信息复杂的多，即使机器人系统完成一个简单的动作，也需要综合应用各种知识和技能，在机器人教学中，学生可亲手搭建机器人，检测调整传感器，编制调试程序等工作，提高自己综合知识水平，使动手能力，实践应用能力，逻辑思维能力，创新能力等得到了全方位的训练和提升。
同时，机器人实验室教学也充分体现了课改的精神，对于信息技术学科建设，对于学科的整合，对于转变教师的教学观念和学生学习的方式，对于学校课程资源的开发都有很重要的意义。
四、课题研究的目标
通过本课题的研究，推进机器人教学在我校全面开展，提高中小学生综合素质，培养他们实践创新能力。
具体如下：
1、让学生获得亲自参与研究探索的积极体验，并逐步形成一种在日常学习与生活中喜爱质疑、乐于探索、努力求知的心理倾向，激发探索和创新的积极欲望。
2、提高学生发现问题，提出问题，解决问题的能力。
3、培养学生善于思考，勇于创新的良好习惯。
4、培养机器人竞赛队伍能代表我校组队参加区级以上教育行政部门组织的机器人竞赛。
5、促使教师教育观念的转变，提高教师教学水平和科研能力，并取得一定质量的教育科研成果。
五、课题研究的内容
1、基于机器人教学环境下，让学生逐步形成一种在日常学习与生活中喜爱质疑、乐于探索、努力求知的心理倾向，激发探索和创新的积极欲望，并在探索过程中综合运用相关知识的能力。
2、研究机器人实验室教学对提高学生实验研究能力，提出问题，收集分析数据，解决问题的能力的影响。
3、锻炼学生动手实践能力等方面的促进作用。
4、基于机器人教学环境下，探究提高中小学生实践创新能力的教学策略。
教师提高丰富的学习资源，营造探究的环境，提供学生展示平台，诱发创新。
六、课题研究的方法
1、文献研究法：
关注机器人教学发展的问题，把握国内外机器人的研究动态，查阅有相关研究资料，借鉴已有的研究成果和经验教训，找到新的生长点，为课题研究提供框架和方法论。
2、行动研究法：
是通过对研究要素的控制，以期引起某种变化的研究方法。
行动研究法在于共同参与，即由研究者和行动过程的实践者结成一体，共同组成课题组，共同进行调查、分析，通过在实践活动的进程中发现问题、设计实验方案、实施实验方案、评价或有新的发现、再计划、再实施、再评价或发现……的方式不断进行。
3、调查法：
用问卷、谈话、观察等手段了解分析师生在机器人教学和学习中的现状和发展情况。
4、案例研究法：
结合在机器人教学中的实践，选取富有典型性的事例，进行客观、深入的考查和分析。
5、经验总结法：
运用科学的方法，对实验进行分析概括，较全面、深入、系统地揭示经验的实质，使之上升到理性高度，找到可以运用和遵循的规律性的东西。
七、课题研究的步骤
本课题研究准备用一年的时间，为保证课题实施有条不紊，我们将课题研究过程分为三个阶段。
第一阶段：
课题准备阶段（2012年3月-2012年4月）
初步拟定出课题实施方案，准备开题工作
第二阶段：
课题实施阶段（2012年4月-2014年6月）
1、成立机器人社团，推动机器人教学的开展。
2、在五年级和七年级开展机器人项目教学。
内容是以诺宝RC仿真系统为平台结合实体诺宝机器人进行教学。
课堂活动是以小组为单位开展小组协作学习，以任务驱动为主要形式。
小组小组协作学习分工职责如下：
组员
具体分工
组长（1人）
1、负责带领小组成员完成相应的任务；
2、组织成员一起设计流程图，画出草图
3、下载程序到机器人，并调试
4、保管好机器人器材；
5、领取回收器材
机器人组装员（2人）
按照教学任务搭建相应的机器人
程序设计员（2人）
根据流程图草图在编程环境编写出来，并仿真测试
汇报员（1人）
汇报设计意图，机器人工作原理
机器人协作学习小组分组（6人小组
年级：
五年级班级：
_____第_______组
组长
（1人）
组员（5人）
程序设计员
（2人）
机器人组装员
（2人）
汇报员
（1人）
成员职责：
组长（1人）职责：
1、负责带领小组成员完成相应的任务；2、组织成员一起设计流程图，画出草图；3、下载程序到机器人，并调试；4、保管好机器人器材；5、领取回收器材。
机器人组装员（2人）职责：
按照教学任务搭建相应的机器人
程序设计员（2人）职责：
根据流程图草图在编程环境编写出来，并仿真测试
汇报员（1人）职责：
汇报设计意图，机器人工作原理
学生通过学习，对机器人知识基本掌握后，充分发挥自己的创新性思维，广开思路，提出自己的创新设计方案，且实施。
3、以兴趣小组为单位，积极参加机器人各级竞赛，开拓思路，发展创新意识。
学生在参加竞赛的过程中，既可学到机器人的相关知识，也可以获得不同的体会和感受。
4、对各实验阶段数据进行检测、分析，整理，撰写课题研究的阶段性实验报告，根据阶段性实验报告评估反馈结果，及时总结课题研究的经验和教训，调整研究方案。
第三阶段：
总结阶段（2012年6月-2012年7月）
1、整理课题研究资料，汇集课题成果。
2、总结课题研究经验，撰写课题结题报告。
八、课题成果
一、基于机器人教学环境下的教学体现了创新教育理念
正如多元智能理论所认为的那样，每个学生都有发展的潜质，各种智力只有领域的不同，而无优劣好差之分，教师的作用正是促进其优势智力领域的优秀品质向其它领域迁移。
我们在开展教学时，根据学生的特长，选定一批对编程、机器人搭建有一定的基础并有浓厚兴趣的学生，加以专业指导，这样既激发了学生的求知兴趣，又相当于间接地肯定了其某方面的能力，从而促使学生学习热情高涨。
同时，这个过程也对教师的教育教学理念起到了全面的更新作用。
由于是以学习小组为单位进行学习，教师会很顺利地转换角色，与学生更像是某种共同学习的伙伴关系。
遇到问题，老师会先让各学习小组进行内部讨论，然后引导学生正确思考，让学生变成认知的主体，从而客观上锻炼了学生的创新与实践能力。
教师在整个教学过程当中，他的行为和方式可以不断地改变，但始终没有偏离的是：
教师用不同的方式促进了学生多种能力的发展。
这正是“以人为本，创新教育”所赋予教师的新要求。
二、基于机器人教学环境下的教学促进信息技术学科教学模式的转换
①任务驱动与分层教学相结合：
每个学生都有自己的兴趣和爱好，也有不同的天赋和才能。
我们在全面开展信息技术教学，提升学生信息素养、培养动手能力的同时，考虑到学生的个体差异性，根据能力强的学生“吃不饱”，能力差的学生“吃不消”的客观现实，因材施教，因为而异，注重激发学生的兴趣和潜能。
正是基于此，我们在开展机器人教学时，有着明确的目的性。
我们先发动学生，凭自愿的原则进行分组，经过一段时间的学习后再由老师进行分组调整。
以组织学生参加全国各种机器人大赛所需要的各种知识为出发点做分层教学。
在教学的过程中，教师与学生就是一个强有力的战斗团队，教师既是知识的传递与引导者，又是学生认知意义构建上的帮助者和促进者。
如在机器人制作活动中所用到的不同类型的机器器材，我们允许各组学生根据自身情况，选择学习、掌握一种适合于自己的器材，但在网站上将编程思路及流程图做重点章节学习，以促进学生重点掌握，这样有着明确的任务驱动又采取了根据个体差异性而组织的分层教学，它的目的，无非是让学生在主动求知中发展能力。
②自主学习与协作学习相结合：
学生在能力提高的同时，需要一个展现自身能力的舞台。
根据机器人比赛的一些项目，我们搭建了的舞台既有实物比赛场地，也有虚拟的场地（3D虚拟机器人软件），为学生提供了学习的平台。
机器人包含着较为复杂的学科知识，为了成功完成一次机器人竞技大赛，既需要每个同学认真提高所要用到的专业知识，又需要大家努力协作，由于时间的原因，他们还有其他的学科知识也要学习。
所以，在平时的教学过程中，教师总是通过不同的方式让学生自觉不自觉地感受到这种理念。
比如要完成一次机器人“穿越火线”这种竞赛，所有参加这个项目组的同学，在组内进行细致分工，负责搭建机器人的学生要，要组装好零部件，搭建好机器人，根据项目要求去运用好各种传感器，并调好机器人的运动灵活性；编程的同学，要尽量用简短的程序完成既定的任务，所以必须多次修改程序，以达到最优化的效果；，所有这些，都离不开协作学习，因为比赛从来不是一个的人事，自主学习与协作学习是两个既相互独立又密不可分的学习形式。
三、教师学生比赛获奖情况
小学组知识大赛获奖名单
序号
所在区
学校
指导教师
学生姓名
获奖
1
南山区
南山外语文华小学部
张华松、王玲玲、罗红侠
张若其
特等奖
2
邓宇帆
3
张皓然
4
李健中
5
南山区
南山外语高新部
吴旭武、赵艳茹
詹森
特等奖
6
何宗翰
7
卢云昆
8
庄宇锟
9
南山区
南山外语科苑部
朱宇
夏鹏宁
二等奖
10
刘睿阳
11
李一鸣
12
韩优然
中学组穿越火线获奖名单
编号
学校名称
指导教师
学生姓名1
学生姓名2
获奖等级
1
深圳市南山外国语学校高新部
曲雁鹏
顾健鑫
巩琪瑞
一等奖
2
南山外国语学校滨海分校
马云涛
钱凯
马钰
二等奖
3
南山外国语学校滨海分校
马云涛
张泰山
吴浩舟
二等奖
4
南山外国语学校文华部中学组
劳同更、綦伟玮
杨迦崴
吴尚威
二等奖
5
南山外国语学校文华部中学组
劳同更、綦伟玮
程方正
雷子霆
二等奖
小学组创意赛获奖名单
奖项
学校
指导
教师
创意名称
学生
学生
学生
二等奖
南山外国语学校文华部
张华松
王玲玲
罗红侠
天空寻梦
曹泽宇
胡楚怡
三等奖
南山外国语学校文华部
张华松
王玲玲
罗红侠
智能停机坪
鲍涵钰
贺一帆
欧阳臻
小学组十强赛获奖名单
县区
学校
指导教师
学生姓名
获奖
南山区
南山外语文华小学部
张华松、王玲玲、
罗红侠
杨勋浩
亚军
贺一帆
崔政员
曹泽宇
南山区
南山外语高新部
吴旭武、赵艳茹
詹森
亚军
何宗翰
卢云昆
庄宇锟
中学组走迷宫获奖名单
序号
学校名称
指导教师
学生姓名
获奖等级
1
南山外国语学校滨海分校
马云涛
何政轩
一等奖
2
南山外国语学校滨海分校
马云涛
王以撒
一等奖
3
南山外国语学校文华部中学组
劳同更、綦伟玮
成林
二等奖
4
南山外国语学校文华部中学组
劳同更、綦伟玮
黄婕
二等奖
5
南山外国语学校文华部中学组
劳同更、綦伟玮
高松群
二等奖
6
南山外国语学校文华部中学组
劳同更、綦伟玮
江睿立
二等奖
7
南山外国语学校文华部中学组
劳同更、綦伟玮
成峰
二等奖
8
深圳市南山外国语学校高新部
张扬
王玄龄
二等奖
9
深圳市南山外国语学校高新部
张扬
黄骧
二等奖
10
南山外国语学校滨海分校
马云涛
王星瀚
三等奖
11
南山外国语学校滨海分校
马云涛
陈祥舟
三等奖
序号
名称
获奖教师
项目
奖项
1
机器人大搜救-传感器的应用
张华松
录像课
区二等奖
2
机器人大搜救-传感器的应用
张华松
教学设计
区二等奖
3
初中机器人制作活动中学生团队精神的培养
劳同更
教学论文
学生创意作品
作品名称：
智能停机坪
每年都会有机场因停机坪上没有很好的引导而导致进站的飞机与停在机位上的飞机相撞。
如果让人工来引导，安全性和稳定性很难保证，为此我们设计了一套智能化引导停机系统，来引导飞机停在空的停机位上，避免事故的发生。
作品功能：
本项目的程序是由南山外国语学校文华部机器人活动小组采用诺宝人工智能软件开发完成的，硬件部分是以诺宝机器人芯片为核心，完成数据的采集分析及控制，实现智能停机。
让安装有轨迹识别传感器的飞机沿着预定的轨道行走，采用红外避障传感器来检测空机位，检测到空机位后，停入空机位（用分离式红外避障传感器控制飞机停在合适位置），同时该机位上的智能防护栏检测到飞机停稳后就自动放下栏杆，整个系统结束任务。
作品特色：
本项目主要特色是让机器人智能引导飞机停到空位合适位置，避免飞机相撞；同时智能防护栏检测飞机停稳后自动放下，提示该位置已停机。
小组成员：
曹泽宇、胡楚怡
指导老师：
张华松、张妍、王玲玲
作品名称：
天宫寻梦——模拟神八和天宫1号对接
2011年11月3日凌晨1点零四分神八和天宫1号交会对接，这是我国航天事业的又一历史跨越。
全国人们倍感振奋，为了让我们广大中小学生明白这一航天事件的奥秘，同时为了培养我们学生爱国情感和科技创新精神，我们特意设计了一套模拟神八和天宫1号交会对接的系统，让我们更容易理解有关航天知识。
作品功能：
本项目的程序是由南山外国语学校文华部机器人活动小组采用诺宝人工智能软件开发完成的，硬件部分是以诺宝机器人芯片为核心，完成数据的采集分析及控制，模拟神八和天宫1号交会对接。
让安装有诺宝机器人的神八沿太空轨迹行走，当检测到天宫1号时就发出警报准备对接，神八上手臂自动下落，表示对接成功，模拟组合体行走一段时间，之后模拟分离。
神八退到另一轨道飞行，天宫1号在自己的轨道上继续飞行。
这样神八和天宫1号交会对接三步骤模拟完毕。
作品特色：
将深奥的航天知识——神八飞船和天宫1号交会对接知识通过诺宝机器人实物呈现，用各种传感器模拟太空行走和交会对接，让学生明白三个关键环节即对接、组合运行和分离，整个过程展现在学生的面前。
小组成员：
鲍涵钰、贺一帆、欧阳臻
指导老师：
张华松、熊诗莹、罗红侠
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