智能机器人课程教学研究

雷黎颖 袁庆飞

（西北师范大学 教育技术学院，甘肃 兰州 730070）

智能机器人课程教学研究

雷黎颖 袁庆飞

（西北师范大学 教育技术学院，甘肃 兰州 730070）

我国基础教育改革将智能机器人作为课程内容，引入了中小学信息技术课堂。笔者通过智能机器人课程的实践经验，分析中小学信息技术课程中机器人课堂教育的实施过程，总结机器人课程的评价方法，并提出在信息技术课堂中进行机器人课程教学的建议与启示，以期为今后中小学信息技术教学中机器人课程的实施提供新的思路和方法。

中小学信息技术；创新思维；项目设计；EV3智能机器人

一、引言

习近平总书记在《致2015世界机器人大会贺信》中提到，随着信息化、工业化不断融合，以机器人科技为代表的智能产业蓬勃兴起，成为新时代科技创新的一个重要标志。以现代科学技术为核心的信息时代的到来，带动了教育理念的不断更新，创新人才培养势在必行。2003年教育部颁布的《普通高中技术课程（实验）》，提出将“简易机器人制作”作为通用技术课程的选修模块之一[1]，说明智能机器人开始作为基础教育的课程模块，在中小学信息技术课堂实现它的教育价值。但是由于信息技术课程的建设还不够完善，加之机器人课程这一模块尚处于尝试摸索的初级阶段，因此，机器人课程教学经验的积累和课程系统化平台的建设亟待完善。

二、机器人课程教学发展概述

（一）机器人竞赛开展阶段

2001年广州市南沙科技馆举办了第一届全国青少年机器人竞赛，当时称为“全国青少年电脑机器人竞赛”。竞赛旨在以丰富多彩、形式多样的智能机器人项目活动，培养青少年的创新思维能力和动手实践能力，激发他们对科学技术及机器人项目研究的兴趣，提高他们的科学素质。机器人教学首先进入中学校园，学校以兴趣活动小组为基础，培养参加竞赛的选手，随着机器人竞赛的影响不断扩大，教育界逐渐发现机器人教学蕴含的教育价值，便在全国各地学校开始尝试以机器人竞赛为核心的校本课程的实施。学校和国家也开始组建机器人项目创新队伍，培养机器人竞赛人才团队[2]。

（二）信息技术课程实施阶段

经过技术教育课程改革，智能机器人开始作为信息技术课程的模块之一来体现其教育价值。《国家九年义务教育课程综合实践活动指导纲要》中提到，三至六年级信息技术课程的教育目标是学生学会设计和制作简易机器人，七至九年级学生在会设计和制作机器人的基础上，能够体验机器人制作的过程并学会通过程序设计解决问题[3]。虽然在基础教育改革中将简易机器人设计纳入信息技术课程模块，但是由于信息技术课程本身不完善，机器人课程品种繁多等多种原因，机器人教学在信息技术课程中的实施与发展也需要不断完善。

（三）基于开源技术的创新阶段

机器人课程教学本身就是为培养学生的创造性思维和创新能力而开展的，要求学生能够有效结合计算思维和结构搭建的工程思维，创作出具有实际项目意义的功能型智能机器人。随着开源技术的成熟，单片机与传感模块性能也不断提高，作为创客教育理念下的信息技术课堂的新发展又是教育界关注的热点，机器人课程将不断形成以模块与积件为基础，编写程序设计和搭建结构功能为主要教学活动，强调以培养工程思维和创新思维能力为教学目的，以机器人创新设计与青少年设计竞赛为评价方式的多元化新模式。

三、机器人课程教学分析

（一）机器人课程教学理论

1.基于建构主义的项目学习理论

项目学习理论就是学习过程围绕某个具体的学习项目，充分选择和利用最优化的学习资源，在实践体验、内化吸收、探索创新中获得较为完整和具体的知识，形成专门的技能和得到充分发展的学习[4]。建构主义理论在机器人课程教学的应用方面，乐高教育集团走在了前沿，其著名的4C机器人教育模式就是建构主义应用于项目学习的代表。每一个机器人项目任务的设计分别由联系（connect）、建构（construct）、反思（contemplate）和延续（continue）四个部分构成。机器人教学过程的任务和项目设计，要求以解决实际情况为思路，利用机器人教学产品，建构创造性解决实际问题的教学环境，进行基于项目的机器人课程教学。

2.STEM教育理念

STEM代表科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）。STEM教育的开展能够在科学、技术、工程和数学知识等方面培养学生创新精神与实践能力，也能够推进跨学科知识的融合[5]。同样地，机器人课程教学也涵盖了科学、技术、工程学、数学、计算机编程等多个领域。在基础教育阶段开展机器人课程，使中小学生对机器人的系统知识、基本概念和原理有初步的认识，有利于激发他们对科技的兴趣，培养他们的创新思维和创新意识，这与STEM教育理念不谋而合。2006年5月，美国TSA协会（Technology Student Association）举办了以“通过使用以标准为基础的机器人竞赛评价来加强STEM教育”为主题的机器人教育研讨会，会议结合STEM的核心标准，构建了“机器人竞赛课程开发框架”[6]。因此，在STEM整合教育的理念框架的支撑下，重新审视机器人课程教学，将机器人作为培养学生科技素养的技术平台，能够有效发展学生的学科学习和实践方面的能力[7]。

3.多元智能理论

美国哈佛大学教育研究院心理发展学家加德纳于1983年提出多元智能理论（Multiple Intelligences），并于1986年提出人类的九大智能范畴[8]。该理论注重学生的全面发展，提倡素质教育和个性化学习，是现代教育的全新课题[9]，并与素质教育的内涵不谋而合。多元智能理论为实施信息技术与学科课程的整合提供了理论指导[10]，将多元智能理论应用到中小学智能机器人课程教学中，让学生以小组的形式合作探究、动手操作，共同完成机器人项目，这样不但突破了传统教学的局限性，提高了课程的教学质量，而且从基础教育阶段就系统全面地开发了学生的多种智能。

（二）机器人课程教学模块设计

机器人课程教学不同于其他模块的信息技术课程，是学生通过团队合作来分析问题和解决问题的过程，培养的是学生项目实践能力及合作沟通能力[11]。目前中小学信息技术课程中，机器人课程教学基本可分为四个模块，分别是认识积件、设计程序、完成任务和设计项目。认识积件是第一个模块，目前机器人课程的教学产品大多是以积件为模块构件来完成机器人设计的，积件是机器人设计的基本概念。通过熟悉积件，能够搭建以实际问题为目的的教学环境，激发学生的兴趣。设计程序模块，多数机器人程序设计采用C语言开发环境。C语言由很多个模块组成，用图形代替编程语言，使设计者特别是中小学生能够一目了然。另外，设计者只要选择所需图形便可实现可视化编程。这一阶段主要构建实际问题，在分析问题的基础上，让学生尝试设计解决问题的方案。完成任务模块，是基于实际问题，让学生通过讨论交流完成任务，以此训练学生工程素养和结构搭建技术。这一模块能够明显体现出学生在积件认识阶段的效果。设计项目模块，是基于前面三个模块的学习，学生获得了设计项目的能力，并且能够在合作学习过程中完成项目作品的设计。

（三）机器人课程教学评价

机器人课程作为中小学技术教育的一种特殊形式，决定了其教学评价方式的与众不同。大多数机器人课程的教学评价是以兴趣小组项目活动的形式来提交成果[12]。教师在机器人课程的教学过程中探索比较贴切的评价方式势在必行，对学生的基础知识、操作实践、项目的完成进行全面评价，以此来激发学生的探索精神。笔者通过机器人课程的教学实践分析，将机器人课程的教学评价分为以下三个方面：

1.机器人竞赛

科技竞赛不仅能够培养学生分析问题、解决问题和动手实践的能力，还能开发学生的多元智能和创新意识[13]。机器人竞赛已成为国内科技界和教育界一致认同的青少年科技创新方面的一项重要赛事，其特有的时代性、创新性、参与性和普及性，可以作为评价学生在机器人课程教学中的创新能力、操作能力等综合素质的指标。另外，很多学校都在通过机器人竞赛来选拔优秀的机器人项目小组，并将选出的优秀团队推荐到全国参加全国机器人竞赛。因此，机器人竞赛评审小组和竞赛评价体系的产生是十分有必要的。

2.项目设计测评

机器人课程主要是基于项目的学习，通过对项目进行分析，并以小组的形式分工合作、探讨分析、合作完成。在整个项目过程中，通过形成性评价可以对小组的活动过程进行评价，通过总结性评价可以对小组项目设计的最终成果进行评价。另外，个人评价也不可忽视，通过了解学生的参与度和思路创新等，在小组评价的基础上再对学生个人做出综合性评价。

3.试卷考试

机器人教学是基于项目设计的操作性课程，其中最基本的就是学生对机器人积件的认识、对机器人教学理念的熟悉及对机器人项目的探究方法等理论知识。对这些理论知识的评价，直接可以用传统的试卷考试来进行。试卷中主观题由学生发散思维自由发挥，可以反映学生的创新思维和探索能力；客观题可用来检测学生对基础知识的掌握程度。因此，试卷也可以开始作为机器人教学评价的一种方式。

(四)机器人课程教学案例

1.教材分析

该教学案例选自初中《科学与信息技术》的选修内容《传感器原理与程序控制》，教学使用乐高教育集团开发的EV3智能机器人。通过前边的学习，学生已经了解了机器人的基本知识，能够在EV3机器人仿真系统中编写简单程序。

2.学习者分析

本节课的教学对象是九年级兴趣班的学生，他们之前仅仅接触过机器人的几个简单编写命令，对机器人的集成性编程有初步认识，并没有接触过机器人的项目设计。从前面的教学过程中发现，学生对学习智能机器人的制作有很大的兴趣，并且大家的参与度很高。通过将机器人与我们的日常生活联系起来，利用项目学习让学生体验机器人的一般制作过程，能够激发学生的学习兴趣，培养学生的动手操作能力。

3.教学目标

（1）知识与技能目标：通过联系生活实际，学生能够熟练掌握传感器原理；通过小组项目制作机器人，学生能够掌握EV3智能机器人的编程控制技巧。

（2）过程与方法目标：学生以小组的形式参与机器人项目的每个环节，通过动手搭建来加深对EV3智能机器人传感原理的理解，掌握各种传感器的作用，并能够通过程序控制来调试程序。

（3）情感、态度与价值观目标：通过小组合作完成机器人项目，培养学生智能机器人项目设计的兴趣和创新思维能力，以及小组协作学习能力和合作探究能力。

4.教学方法

本节课主要采用直观演示法让学生初步了解智能机器人的传感器模块与程序控制模块，采用讨论法、项目学习法、小组学习法让学生以小组的形式完成机器人项目的制作。整个教学过程的组织主要采用机器人教学中著名的“4C机器人教育模式”。

5.教学重、难点

（1）重点：学习传感器的原理及设置，学会EV3智能机器人程序的编写。

（2）难点：让学生通过具体的任务进行抽象思维后转化为计算机流程图，并能够调试程序。

6.教学过程

（1）创设情境，导入课程（Connect）

师：同学们对机器人都很感兴趣，大家对机器人的认识大多是来自电影或者电视节目，但是在我们的日常生活中，也有机器人的身影，比如自动吸尘器、自动驾驶技术等。它们的工作原理是什么？它们是怎么利用传感器来实现工作的呢？

设计意图：播放自动吸尘器和自动驾驶技术的小视频，通过联系实际生活激发学生的好奇心，引出本节课的学习内容，即利用传感器原理与程序控制制作简单的机器人。

（2）小组分工，项目实践（Construct）

活动一：观察机器人的简单构造

教师指导学生观察已经搭建好的机器人，让学生了解其组成部分，初步认识传感器模块与程序控制模块的特征及作用。传感器模块的作用是接收外界的信息，并将各种信息传递给控制模块。控制模块相当于机器人的大脑，接收传感器信息并执行程序，指挥机器人的整体动作。

设计意图：让学生通过观察机器人，认识机器人传感器模块和控制模块基本组成，以及各种工作原理和功能。

活动二：小组合作动手搭建机器人

小组成员通过机器人搭建手册来选择本组将要搭建的机器人类型，并按照机器人制作手册着手制作。教师在此过程中观察每个小组的进展，学生可以告知教师他们小组遇到的困难，教师逐一对各个小组进行指导。小组合作完成EV3机器人基本模型的搭建之后，对其进行简单的直线运动测试。

设计意图：引导学生亲手操作实践，小组协作完成机器人项目，在提高课堂效率的同时也培养了学生的合作意识。机器人的制作过程中，教师与学生相互交流，指导学生解决问题，帮助学生完成项目。对搭建好的机器人进行测试，可以增强学生的成就感。

（3）项目反思（Contemplate）

师：每个小组的机器人项目都已经设计完成，那么每个小组根据实际的测试过程和结果进行反思：没有传感器的机器人运动会不会因环境的差异而影响测试结果？累计误差如何理解和解决？传感器有误差吗？如何理解？

设计意图：学生亲身体验了机器人的制作和测试过程，教师进一步引导学生思考外界环境对传感器的影响，以及误差的解决方法。

（4）拓展延伸（Continue）

师：如何通过改变程序，使EV3智能机器人能够实现更多动作？如果增加新的超声波传感器、光传感器，如何编程来实现更多转向、探测等动作？

设计意图：引导学生了解更多机器人项目的设计方法，培养学生的想象能力，给学生传递更多的设计思路，激发学生的兴趣和创新思维。

四、机器人课程教学的研究启示

（一）更加关注学习者工程思维的培养

工程思维是在工程的设计、研究和实践中形成的一种具有系统性、综合性、实践性和创新性的筹划性思维[14]，核心是运用各种知识解决工程实践问题[15]。机器人课程是一门集机械、电子、动力学、传感检测等技术为一体的综合性交叉学科。基于项目学习的机器人设计，为学生自身工程思维能力的培养提供了契机。

（二）注重机器人课程体系的设计

教学设计是教师在教学之前，根据教学大纲和教材内容预先制定教学重（难）点、过程、方法的教学方案。目前，机器人课程的教学设计只是基于某一项目的教学设计，并未形成统一的课程体系，不能够深入挖掘机器人课程的教育价值。基于信息技术课程的机器人教学模块，只有做好顶层设计，建立课程体系，才能规范课程的目标、内容、课时、教材、师资等，否则教学无法得到有效改善[16]。

（三）拓展教师在机器人课程教学中的创新能力

机器人课程的教学过程设计、项目设计、课程评价等都对教师的创新能力提出了挑战。教师作为课程的直接实施者和主导者，其自身的素质很大程度上影响课程的实施效果。培养教师的信息技术能力和勇于探索的创新精神，对中小学机器人课程教学来讲十分重要。学校应多组织教师开展机器人教学研修活动，通过网络资源来拓展教师的信息技术创新能力。

（四）深入智能机器人的协同创新研究

协同创新需要创新资源有效汇聚，通过突破创新主体间的壁垒，充分实现深度合作。智能机器人在教育中的应用不断扩展，涉及信息技术、物理、计算机软件、智能控制等多个学科，为培养学生协同创新能力提供了一个理想平台。搭建起以智能机器人为载体的协同创新人才培养平台，是为现代创新型社会提供协同创新人才的前提支持[17]。因此，在机器人项目设计小组中，可以以学科特长为基础，将不同学科的特长生分到同一小组，通过协作共同创新，使机器人项目成果更上一个层次。

[1]普通高中技术课程标准研制组.普通高中技术课程标准（实验 ）[DB/OL].http:wenku.baidu.com/view/cd40e92aed630. b1c59eeb5b6.html,2012-11-16.

[2]陈巍.基于机器人竞赛的大学生创新能力的培养模式[J].实验室研究与探索,2012，(7)：297-300.

[3]王海芳,李锋,任友群.关于中小学机器人教育的思考与分析[J].全球教育展望,2009，(4)：81-84.

[4]胡庆芳,程可拉.美国项目研究模式的学习概论[J].外国教育研究,2003，(8)：18-21.

[5]胜泉,胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究,2015，(4)：13-22.

[6]张国民,张剑平.课程视角下的机器人竞赛辅导研究[J].中国电化教育,2008，(11)：92-94.

[7]王娟.STEM整合视野下的机器人教学活动设计[D].温州：温州大学,2014.

[8]Gardner H.Frames of Mind：A Theory of Multiple Intelligences [J].Annals of Dyslexia,1986,37(1)：19-35.

[9]钟志贤.多元智能理论与教育技术[J].电化教育研究,2004，(3) ：7-11.

[10]陈仕品,何济玲.多元智能理论指导下的信息技术与课程整合[J].现代教育技术,2006，(5)：9-11.

[11]解月光,马云鹏.普通高中技术课程实施的问题与对策[J].教育研究,2008，(2)：66-74.

[12]何少莎,王小根,张俊花.以理解为目标的机器人教学设计[J].现代教育技术,2010，(1)：74-76.

[13]孙盛.科技竞赛在本科创新教育中的探索与实践[J].广东工业大学学报(社会科学版),2008，(1)：148-149.

[14]王荣良.机器人教育与工程思维关系之研究[J].中国教育信息化,2008，(24)：27-29.

[15]杨英杰,邱俊,金星.基于现代工程师的科学思维与工程思维培养[J].现代教育科学,2010，(3)：149-151.

[16]钟柏昌,张禄.我国中小学机器人教育的现状调查与分析[J].中国电化教育,2015，(7)：101-107.

[17]骆德渊,秦东兴,黄洪钟.构建以“机器人”为载体的机电工程实践平台培养大学生协同创新研究能力[J].实验技术与管理,2013，(7)：201-203，206.

（责任编辑 孙志莉）

Research on Intelligent Robot Course Teaching

LEI Liying,YUAN Qingfei
(College of Education Technology,Northwest Normal University,Lanzhou,Gansu,China 730070)

As the information technology develops by leaps and bounds,a thought and reform,technology education being the hotspot,are accelerating in the range of the whole world. Domestic elementary education reform takes intelligent robot as course content,and has introduced it into information technology classes of elementary and secondary schools.Through the practical experiences of intelligent robot classes,the author analyzes the implementation process of robot classes in primary schools’ information technology classes,summarizes the evaluation methods of robot classes,and puts forwards some suggestions and enlightenments of doing robot class teaching in information technology classes,hoping to provide new thoughts and methods for the implementation of robot classes in the future primary and secondary schools’ information technology teaching.

primary and secondary information technology;creative thinking;program design;EV3 intelligent robot

G434

A

2096-0069（2016）05-0046-05

2016-06-29

雷黎颖（1991— ），女，陕西渭南人，西北师范大学教育技术学院硕士,研究方向为数字化校园管理与应用；袁庆飞（1973— ），男，新疆库尔勒人，西北师范大学教育技术学副教授、硕士生导师，研究方向为多媒体信息制作和数字化学习。