高中机器人教育研究 1.docx

高中机器人教育研究 1.docx

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高中机器人教育研究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：

活动内容

时间进度

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。

[2][3]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-basedLearning）是由著名教育家克伯屈（WilliamHeardKilpatrick）首次提出的，目的是把学生融入有意义的任务完成的过程中，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器人主板、大功率、指南针、红外测距、电子复眼、电机、电池等组件和螺丝、螺帽、螺柱等配件自由组装足球机器人或灭火机器人。

在组装的过程中也学会了机器人维修的知识和技能，一旦出现什么故障，就很容易判断出哪个部分出现的问题。

（3）掌握机器人软件控制及编程

机器人由控制器、传感器、执行器以及动力能源四个部分组成。

通过语言编程后，将程序通过数据线下载到控制器芯片内，使机器人按照指令自主地执行程序命令。

小学和初中的学生通过可视化的机器人设计开发软件，了解算法的流程图表示、变量和常量的用处、算法的三种执行模式（顺序、选择、重复）等基本知识。

高中的学生通过微软的NETFRAMEWORK的编程平台，在运用C语言进行机器人程序设计过程中，掌握面向对象的程序设计的基础知识，例如对象、属性、类、事件和事件驱动等基本概念。

通过给机器人编程，学生从中体会到程序是机器人的灵魂。

（4）熟悉机器人比赛规则

学生熟悉机器人灭火、机器人足球、机器人篮球等各项比赛的规则。

例如针对机器人灭火规则，学生必须了解比赛的场地、场地环境灯光、机器人尺寸大小、蜡烛火焰的高度，熟悉机器人在比赛中的运行规则、灭火回家搜救时间计算规则、每轮得分计算标准等。

学生学会在比赛现场独立测试机器人，学会与裁判员、竞争对手有效沟通，掌握一些在比赛时出现的各种问题的处理策略。

通过比赛，不但能提高学生的竞赛水平，而且能提高学生的综合素质。

4．全新的学习方式

在机器人教育中，我们注重学生自主学习、探究学习和合作学习，充分调动学生学习的主动性和积极性，主要包括以下几种方式：

（1）集中讲解机器人基本知识

学校的学生和机器人指导教师集中在松江二中的机器人实验室中，由机器人公司的专家或者区内优秀的机器人指导教师以实物机器人及相关组件配件给学生教师讲解机器人的基本结构、基本原理、基本策略等知识，让他们能更好地理解和掌握机器人知识，让他们的学习真正地做到理论联系实际。

（2）分组分项设计制作机器人

由于机器人少，学生数多，我们是以学校为单位分组进行设计制作机器人，每个小组一名本校的指导教师以及本校的学生组成。

分项是指每个小组完成一个项目后，再做另外一个项目，例如先设计制作足球机器人，等该任务基本完成后再进行灭火机器人等设计制作。

每一个任务项目都必须先设计组装机器人、软件编程、将程序导入机器人、场地调试，在这个过程中每个学生认真完成自己分工的任务，培养了学生的责任意识和动手操作能力。

指导教师在此充当最佳导演的角色，用巧妙的点拨鼓励学生完成既定的任务。

（3）课堂交流讨论机器人作品

最佳的课堂应该是互动的课堂，没有交互的课堂，学生是被动的。

当每个小组完成一项机器人作品后，以小组为单位，让学生来介绍自己的作品、编程中运用的算法等，其他小组可以提出不同的看法，进行组间互相的辩论、交流讨论。

在这样的课堂学习中教师只是引导者，学生必须发挥最大的主观能动性，他们自由发言，在交流讨论中学到更多知识，表达能力和思维能力得到充分的锻炼。

（4）小组比赛测试机器人性能

机器人的性能好不好，策略的算法设计得合理不合理，通过小组间的比赛就能测试出。

小组测试比赛分为两种，一种是同一学段的，例如高中的学生和高中的学生比，初中的学生和初中的学生比，小学的学生和小学的学生比，在这种同龄的比赛测试中学生可以清楚地认识到自己小组设计制作的机器人的性能优势和不足以及自身对机器人的操作熟练度；另一种是不同学段的，例如高中的学生和初中的学生比，初中的学生和小学的学生比，在这种比赛中往往是高学段的学生是在耐心地指导低学段的学生，让低学段的学生成长得更快。

教师在比赛测试中充当裁判的角色，以实践模拟正式比赛的规则去指导学生，时时刻刻调动学生动脑、动手、动嘴， 让每一个学生都有参与比赛的机会，让他们在活动中获得感受和体验，在活动中构建新知。

同时通过比赛活动他们也清楚地了解比赛规则和比赛技巧，从中积累一定的比赛经验，树立良好的竞赛精神。

5．全新的学习评价

新课程标准强调发展性评价和多元评价，激励学生自主学习、自主发展。

发展性评价是建立在建构主义学习理论指导下提出的一种评价思想。

它重视评价主体的交互作用，关注评价过程的动态情景，提倡评价的多元性。

多元评价，在评价中充分发挥学生的主体作用，在学习过程中完成动态评价，注重质性评价和量化评价相结合运用，真实地评价学生的潜能、学习成就，真正把学习过程和评价过程结合在一起，为促进学生的发展提供全方位的信息。

多元评价突出评价的多样性：

评价主体的多样化、评价内容多样化、评价工具方法多样化和评价过程动态化等。

[8]在对中小学机器人教育项目实施中我们采用了最新的多元评价理念，主要体现在以下几个方面：

（1）评价内容多样化

在评价内容上包括学生综合素质的各个方面，例如对机器人知识和技能的掌握、信息收集能力、动手组装机器人的能力、软件编程能力、沟通交流能力、团队合作能力、分析解决问题能力、创造能力等各个方面，通过评价不断地激励学生。

（2）评价主体的多样化

在机器人教育评价中，评价表采用学生和教师共同讨论制定的方式，然后通过学生自我评价、组内学生互评、组间学生互评、教师对学生评价等各种主体进行评价，这样不仅使评价的结果更加全面客观真实，同时可以让学生更好地达到学习目标。

（3）形成性评价与总结性评价相结合

在中小学机器人教育评价中，我们十分注重形成性评价与总结性评价相结合。

形成性评价，是在教学进行过程中，为引导教学前进或使教学更为完善而进行的对学生学习成果的确定。

在教学过程中，形成性评价进行得较频繁，对于提高教学质量来说，重视形成性评价比重视总结性评价更有实际意义。

[9]每当完成某个项目中的某一个小项目，指导教师和公司技术专家随时都会对机器人作品进行动态评价，并给出及时的反馈，提出完善的建议，给学生鼓励性指导。

同时我们采用电子档案袋和评价量规的方法，对学生在机器人设计制作调试的各个环节进行记录和评价，由此反映学生个人和小组的表现优势和不足。

总结性评价，又称事后评价，一般在教学活动告一段落时为把握最终的活动成果而进行的评价。

总结性评价注重的是教与学的结果，借此对评价者所取得的成果做出全面鉴定，区分等级，对整个教学方案的有效性做出评定。

[10]通过小组的测试赛、区赛，对每个小组的机器人作品做最终的评价。

结合形成性评价和总结性评价的结果，最终得出对小组和学生个人的综合评价。

教师获得评价反馈信息后，不断完善自己的教学。

学生获得评价反馈信息后，更加了解自己的学习现状，改进学习的方法。

（三）项目实践的效果

通过中小学机器人教育项目的实施，从中锻炼了一批高素质的学生，他们不仅掌握了基本的机器人相关的知识原理，同时他们也学会了大胆创新设计，研究机器人足球、灭火等新的策略和方法。

通过项目组建了一支区域机器人教师骨干队伍，他们真正做到了关爱学生、严谨笃学，淡泊名利，自尊自律，以人格魅力和学识魅力教育感染学生，做学生健康成长的指导者和引路人，他们是区中小学机器人教育持续发展的支柱。

通过项目的实施，本区在全国的中小学机器人竞赛中取得比较好的成绩。

为了展示项目实施的成果，我们在区内开展了首次中小学机器人竞赛活动，为学生教师提供一个展示、互相交流促进的平台，通过区赛可以发现不足，以便加强改进和完善。

通过区赛涌现出了一批优秀的机器人队伍，代表区参加市、全国比赛。

在投入较少的情况下，取得较好的成绩，关键在于学生对学习机器人极大兴趣和乐趣，在于全区教师和学校之间极强的凝聚力和互帮互助的奉献精神。

三、价值体现

（一）实现区域机器人优质资源的共享

一是教师和学生对市重点学校机器人实验室的共享，为区域中小学机器人教育提供了最佳教学环境。

二是最新机器人设备的共享。

为解决机器人设备昂贵的价格与有限的教育经费之间的矛盾，在区教育局领导的支持下，通过政府采购方式，统一购买了一批机器人设备，包括足球机器人、灭火机器人、机器人比赛场地以及其他的一些相关配件等。

这些设备供全区所有中小学教师和学生机器人教育之用，从而提高了机器人设备的使用效率和效益，更有利于设备的管理。

三是优秀机器人教师资源的共享。

区域机器人教育的教师主要有三部分教师组成，区内中小学优秀的机器人教师，机器人公司专业的技术员。

具有这样一个教师团队对学生进行授课和指导，大大地提高了机器人的教学效果和教育质量。

不管是机器人设备、实验室还是师资，所以的一切正是体现了区域范围内的辐射作用，让更多的农村教师、学生享受到公平的教育资源，让区域学校得以均衡发展，提高全区中小学机器人教育的水平，真正实现《国家中长期教育改革和发展规划纲要》所要求的基础教育的全面发展、均衡发展、优质发展。

（二）彰显学校的科技特色

《中国教育改革和发展纲要》指出：

“中小学要由应试教育转向全面提高国民素质的轨道，面向全体学生，全面提高学生的思想道德、文化科学、劳动技能和身体心理素质，促进学生生动活泼地发展，办出各自的特色。

”[11]随着学校教育教学改革的深入发展，越来越多学校注重学校“特色”的创建。

追求学校特色是全面推进素质教育的突破口，可以提高学校的竞争力，打造学校品牌。

《国家中长期教育改革和发展规划纲要》中，“特色”两字出现了二十多次，其中指出：

“树立以提高质量为核心的教育发展观，注重教育内涵发展，鼓励学校办出特色、办出水平，出名师，育英才。

探索发现和培养创新人才的途径。

鼓励普通高中办出特色”。

[12]通过推进区域中小学机器人教育的实施项目，在全区涌现出了一批以机器人教育为科技特色的学校。

周末各个学校教师和推荐学生聚集在二中学习探究机器人，周一至周五各个学校教师学生通过兴趣班、社团等形式进行校内开展机器人教育活动，形成了浓郁的科技校园氛围和良好的育人环境。

该项目以点带面，真正实现了“聚是一团火，散是满天星”式的区域学校共同提高，真正把握好了公平和特色的关系。

（三）提高机器人教师整体专业素养

一是高尚师德的展现。

叶圣陶先生说过：

“教师的全部工作就是为人师表。

”身教重于言教，教师的一言一行都会对学生产生重要的影响。

在推进区域中小学机器人教育的实施项目中，机器人教师表现出来的无丝奉献精神，敬业精神诚然可嘉。

例如所有教师都是放弃双休日，在二中参加培训并积极地指导学生，很多学校都是没有给这些教师加班费的，但是他们依旧为了自己一份责任而把工作做好。

2009年一初中参加全国竞赛时，为了让教师和学生了解和熟悉机器人虚拟仿真系统，二中的机器人教师给他们进行了精心指导。

一中的教师和学生帮助一初中的教师和学生在赛前调试机器人，都在校内搞到凌晨二到三点，第二天还得参加市比赛。

他们最真实最质朴的忘我行为让学生真正地感受到自己教师的优秀师德风范，他们是在用生命滋润生命，是在用高尚品格提升学生的品格。

同时校际之间互帮互助，真正展现出区域教师团队合作精神，为区域中小学机器人教育质量的提高做出了应有的努力。

二是专业能力的提升。

机器人教师的专业能力至少应包括设计能力、C语言、LOGO语言等语言编程能力、实践操作能力、创新能力等。

在推进中小学机器人教育实施项目的培训中，我们的机器人小组是由学校的一名教师和几名学生组成的以学校为主的团队，机器人公司专家和有经验的机器人教师在给学生讲授和演示机器人相关知识和技术同时，也在对教师进行培训，特别是一些小学的教师，原先他们没有接触过机器人，对机器人专业的知识和技能了解甚少，他们同学生一起设计、制作、调试机器人，共同探讨问题、分析问题、解决问题，不但提高了机器人教师的专业知识和能力的结构体系，从而实现了师生互动、共同发展的教育教学效果。

根据机器人竞赛项目，对机器人教师进行专项的培训，主要侧重于机器人机械结构设计；机器人控制器、传感器、执行器等原理以及具体的操作方法；机器人编程；比赛规则等。

作为机器人竞赛的指导教师，在激烈的比赛中取得好成绩，体现出来的就是机器人教师应有的专业能力。

参加机器人竞赛时，区机器人教师与市全国学校的教师、机器人公司的专家、高校智能机器人研究人员进行交流沟通，不断提高自己的专业水平，自己的拓展视野。

除此之外，通过项目实施组建了一支区域机器人骨干教师队伍，为区域中小学机器人教育可持续发展提供了有利保障。

（四）培养学生综合素质

《国家中长期教育改革和发展规划纲要》中指出：

“坚持以人为本、推进素质教育是教育改革发展的战略主题，是贯彻党的教育方针的时代要求，核心是解决好培养什么人、怎样培养人的重大问题，重点是面向全体学生、促进学生全面发展，着力提高学生服务国家人民的社会责任感、勇于探索的创新精神和善于解决问题的实践能力。

坚持能力为重。

优化知识结构，丰富社会实践，强化能力培养。

着力提高学生的学习能力、实践能力、创新能力，教育学生学会知识技能，学会动手动脑，学会生存生活，学会做事做人，促进学生主动适应社会，开创美好未来。

促进德育、智育、体育、美育有机融合，提高学生综合素质，使学生成为德智体美全面发展的社会主义建设者和接班人。

”[13]机器人教育具有趣味性、综合性、实践性、探索性、创造性等特点，在激发学生的学习兴趣、设计能力、动手动脑能力、团队合作能力具有重要的作用，因此它是实施素质教育和创新教育的平台，是培养学生综合素质、培养创新型人才的有效途径。

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