“学习包：自动控制与模块机器人”教学案例

杨彦欣

(上海市卢湾高级中学 上海市 200023 )

1 背景和教学任务

“学习包:自动控制与模块机器人”是上海科学技术出版社的《物理》高中二年级第一学期的一节内容.所谓“学习包”，就是围绕某一特定内容整合学生经验所构成的相对完整的探究式学习单元.“学习包”是上海二期课改新教材中出现的一种新的教学模式，它的特点就是要求学生自己看资料、课题自己选、实验自己做、成果自己呈现并交流.“学习包:自动控制与模块机器人”是高中基础型教材中设计的11个重点探究活动之一，其内容包括简单逻辑电路及简单模块电路有关的应用.它在实践能力、创新能力和协作精神等方面有较高要求.

2 教学目标

2.1 知识与技能

(1)进一步了解和运用自动控制装置的基本元件——传感器、控制器和执行器；

(2)进一步理解逻辑电路——与门、或门、非门的实际应用.

2.2 过程与方法

体验研究性学习的过程

(1)提出问题：从日常生活、自然现象和实践活动中发现和提出有意义、有探索价值的课题;

(2)制定计划：提出设计的科学概念和原理，制定实施过程，指出所必需的设备和仪器等条件，选择搜集资料和处理资料的方法；

(3)使用工具和搜集资料：熟练使用实验仪器，借助说明书学习新的设备，通过观察实验和调查搜集相关资料，利用各种信息资源，查阅相关资料，对资料进行评估并适当取舍；

(4)分析资料和解释问题：使用计算机处理搜集到的资料，综合运用文字、数字、图片、图像、表格等多种形式表达;

(5)提高表达和沟通能力：借助计算机应用软件撰写研究课题报告，表达和交流研究方法、过程、成果等等.

2.3 情感态度与价值观

(1)通过研究课题，养成学生观察生活、关注科学的良好习惯；

(2)通过分小组的形式研究课题，培养学生团结协作的意识和能力；

(3)通过探究过程，培养学生实事求是的科学态度；

(4)通过课题研究，让学生感悟到科学技术对推进社会文明的进步和促进生产力发展的巨大作用；

(5)通过教师对研究的阶段性成果的鉴定和给予合理的建议，使学生在研究的过程锻炼了意志和毅力，培养他们不怕失败，敢于接受质疑，并重振旗鼓，继续探索的一种执著的精神；

(6)通过观看机器人点燃圣火，激起学生强烈的爱国主义情感，并且让他们意识到只有科教才能兴国，而且必须每个人都要努力学习科学文化知识，才能实现中华民族的伟大复兴.

3 教学设计思路和教学流程

《课程标准》中对属于探究活动的“学习包”有六项要求：(1)提出问题；(2)作出假设；(3)制定计划；(4)使用工具，收集证据；(5)处理数据，解释问题；(6)表达交流.基于“学习包”的特点，笔者将本节内容分为三个阶段进行：

第一阶段，研究资料简介→学生选题→筛选→开题；

第二阶段，课题的资料搜集、计划分工、研究方法指导、实验器材准备、采访拍摄等；

第三阶段，课题研讨、交流和展示.

学习包的前两个阶段的学习分别在课内外同时进行，其活动内容与设计思路如下.

3.1 学习包第一二阶段活动内容与设计思想

(1)由每个学生提出自己的课题；

(2)教师和学生一起探讨并筛选，确定了三大课题，均是与日常生活紧密相连的，且可操作性很强；

(3)根据选定的课题，学生自愿报名，教师根据学生的个性和特长，确定每个课题的小组成员；

(4)各课题组拟定课题研究计划，收集相关资料，课题组同学分工合作，开展课题研究；

(5)教师指导研究方法，进行资源整合及协调工作为学生创造良好的研究条件，并且帮助学生解决困难或者进行课题成果的鉴定以及提出可行性的改进建议.

3.2 学习包第三阶段活动内容与设计思想

(1)第三阶段，即最后一课时的学习是三个课题的成果展示与交流，它包括日常生活中自动控制的调研；简易机器人的研制；机器人发展历程的研究.教学方法是学生展示为主，教师点评为辅，教师的活动主要是穿针引线，适时地评价和提问.

(2)第三阶段教学流程(图1)

“地平线欧洲”将以任务和使命为导向设立项目，并着力拓展其国际科技合作的维度和深度，为欧洲经济、社会发展获取全球优质科技人才和资源。我国可借助这一政策导向，在当前我国自主高新技术发展攻坚克难、产业升级阶段，以完成共同使命/任务为目标拓展同欧洲在共同利益领域的技术合作，共同开辟中欧高新技术合作的新局面。同时，双方尝试在联合资助机制、旗舰计划等合作机制下，推动中欧项目的同时申报、联合评审等新的项目管理合作模式，提高中欧联合资助机制的执行效率，简化合作项目申请、管理行政流程。

图1

4 三个课题组研究过程的片段

4.1 课题一:日常生活中自动控制的调研

研究背景：由于我校DIS实验室有比较完备的自动模块实验装置，所以本组学生最初研究的方向定为结合逻辑电路知识向其他同学详细展示门电路的简单应用.教师提出了两点建议：作为研究课题，如此立意略显单薄和缺乏深度；能否拉近研究课题与日常生活的距离.经过小组成员的进一步研究，他们决定从与自己日常生活息息相关的实例出发，对课题进行调整，最后确定为日常生活中自动控制的调研，并分为防盗系列和防爆防火系列.

防爆、防火系列成果展示

片断1：展示搜集到的煤气爆炸和火灾资料——新近发生的黑龙江的几起煤气爆炸，伤亡人数、财产损失非常之大.据统计，2010年截至10月20日，昆明市共发生火灾1415起，伤亡人数和直接财产损失触目惊心！

片断2：展示家用煤气报警器(图2)的工作原理.电源指示灯为绿灯，左边是一个闻煤气味道的传感器，用打火机代替煤气灶可以产生煤气.当闻到煤气味道时，红灯变亮，过20 s，里面安装的蜂鸣器开始呼叫;再过20 s，呼叫停止.

实验室里没有煤气报警器，学生在研究过程中发现有必要让同学们认识它，并借此机会进行推广，因此向老师提出购买的请求.图3为教师和小组成员在研究报警器的使用情况.

图2

图3

点评：本课题组的同学非常善于观察生活，也很关注科学.学生运用学习过的逻辑电路的知识和我校DIS实验室的实验仪器为大家展示了如何防盗、防煤气爆炸、防火灾，给了我们一个启示——可以通过科学技术手段保护自己的财产和生命安全.教师不失时机地对学生进行了“安全教育和珍视生命教育”.

4.2 课题二：简易机器人的研制和成果交流展示

研究背景：本课题组成员是我校智能机器人社团的队员，对机器人的了解比较全面，操作能力非常强.学生提出可以发挥他们的优势和特长，研制几台简易的机器人.由于工程规模较大，因此决定分组行动.

当教师问及课题组研究有何意义时，学生自豪地说：机器人篮球比赛、篮球陪练和姚明比比谁投篮准确……

图4 投篮机器人

图5

片断2：展示最初的设计——原机器人不是投篮而是扣篮，这个问题是教师最先发现的.她建议我们采用物理方法加以改装.我们将机器手臂加长，并且在前面固定了一个板，可以减小它的转动角度.最初编的程序是想让机器人在操场上跑动，遇到黑线停下来投篮.因为篮球场非常大，不仅难操作，在编程方面也存在困难.这时老师向学生建议，只要能够达到投篮的目的即可，才有了现在看到的成果.

教师要求学生在成果展示时，不是简单地展现他们的最终成果，也要展现和总结他们从失败走向成功的经历，这一点正是新课程所提倡的.

片断3：教师在本组研究成果展示结束时，请其他同学谈谈自己的感想.

生甲：我觉得他们很能干，也很能钻研.这在平时的学习过程中，是我却没有注意到的，是我学习的榜样.

生乙：美国和日本的机器人已经很发达了，而我们国家的机器人才刚刚起步，但是我看到同学们都可以研制和他们原理相似的机器人，我觉得中国的机器人会发展得更快、更高、更强.

点评：我们看到了最终成果，也看到了中间产品,不是很完美但很真实.体现了他们实事求是的科学态度，以及对科学的孜孜以求的执著精神.另外，也看到课题组二为什么分小组分做.充分体现了他们在研制过程中分工合作.因为一个人或少数几个人来研制怕很难.所以，充分体现了一种团队合作精神，这正是我们要培养的一种能力，因为在今后的学习和工作中我们一定会遇到.

在课堂教学的最后时段，教师播放了我国十运会开幕式的盛况——伴随着雄壮的歌声，机器人点燃了圣火，并提出问题：为什么不用人而用机器人点火？在短暂的分组讨论后，每组选一位代表谈谈看法.

生丙：显示了中国的实力，也是体现了一种科教兴国的理念.

生丁：表现了我国机器人发展的水平，让外国人看看.

生戊：十运会的目标是更快、更高、更强，用机器人也预示着我们国家的机器人发展会朝着这个方向全速前进.

生己：是我们国家实力的证明，我相信我们的祖国在不久的将来，会成为科技强国.

教师：大家说得非常好.有了我们每一位同学对科学的这种兴趣，对学科学的这种热情和对国家民族发展的使命感和责任感，科教兴国政策一定会贯彻落实好，实现振兴中华的伟大蓝图.