青少年机器人校本课程教学案例的设计原则

刘平

摘   要：案例教学是机器人校本课程教学的重要手段，因此，设计合适的教学案例可以有效地帮助教师实现教学目标。以乐高积木机器人搭建与编程教学为例，教学案例的设计可遵循简单易懂基础性原则、贴近生活趣味性原则、实践操作体验性原则、任务驱动开放性原则、整体规划系统性原则等。

关键词：机器人校本课程;乐高积木;教学案例;设计原则

青少年机器人活动是中小学实施科学课、技术课、综合实践课教学的良好载体。目前，中小学机器人科技教育活动大多以竞赛或者以校本课程的方式进行，这两种方式都是通过具体的任务和案例进行教学。我校多年前已开设《机器人搭建与编程》校本选修课程，旨在培养学生探究机器人的兴趣及提高学生的科技素养和创新能力。根据教学反馈情况对校本课程进行多次修订，发现编写时采用“案例+知识+探究”的方式更符合青少年的认知规律，且在教学实践中设计恰当的案例能有效地帮助教师实现教学目标。因此，在青少年机器人校本课程教学中案例的选择显得尤为重要。笔者将结合多年机器人教学经验，以乐高积木机器人搭建与编程教学为例，阐述青少年机器人教学案例设计应遵循的简单易懂基础性原则、贴近生活趣味性原则、实践操作体验性原则、任务驱动开放性原则、整体规划系统性原则等五个原则。

1  简单易懂基础性原则

简单基础性是指设计的案例或教学任务要相对容易和单一，更适合零基础的学生理解和学习。由于学生知识与生活经验存在差异，对机器人的接触程度和基础水平不同，同时认知水平与能力也不相同，所以，在校本课程编写的起始章节，应采用原理或道理浅显易懂的例子，由简入难，循序渐进。

例如，在了解机器人结构搭建知识的教学中，可以设计用乐高积木搭建“英文字母、五角星、相框”等零基础的案例（如图1），来认识乐高积木的梁杆销的作用及连接方式。可以设计搭建“三角形、四边形、人字梯、折合梯、桥梁、高塔”等易理解的案例，来分析说明影响结构的稳定性的因素。又如，在讲解机器人机械臂杠杆原理应用时，可以设计搭建“跷跷板、投石机、工具夹”等简单案例进行实践体验。

2  贴近生活趣味性原则

贴近生活指教学案例必须来源于学生的生活实际，趣味性是指设计的教学案例要让学生感兴趣。通过机器人课程的教学不但要培养学生探究机器人的兴趣，还要培养学生发现问题与解决问题的能力，并在现实生活中能更好地应用机器人科学技术。因此，机器人校本课程的教学案例必须具有生活性和趣味性。

例如：在讲解机器人的机械传动方式时，可以选用学生熟悉的“自行车”案例进行类比分析，骑自行车人的踏蹬为自行车提供动力，链条和链轮等组成了自行车的传动部分，车轮是它的执行部分，车身是他的机体。通过生活中的“机械手表、汽车发动机、水磨房”等图片了解齿轮传动、带传动和连杆传动方式，并利用乐高积木设计搭建“搅拌器、电动风扇”生活用品模型（图2）等实践活动，理解机器人齿轮组结构传动及加速和减速原理。又如，在学习超声波传感器时，可以设计制作“跟随宠物狗”教学案例，让宠物狗跟随学生脚步前进后退，好玩有趣，学生沉浸其中，不知不觉中学会循环程序的应用。

3  实践操作体验性原则

实践操作体验性是指教学案例不能停留在理论层面，要让学生能进行具体的实践操作，并在操作中获得体验感，从而更好地理解所学知识或原理。此外，设计的任务或案例还要符合学生实际的操作能力，能在一定的教学时间内完成，至少能在教师的辅导下完成实践操作。

例如：在学习伺服电机和程序顺序结构时，可以设计模拟洗衣机工作过程的教学案例，设计一个“乐高洗衣机”作品（如图3）。让学生思考如何通过程序控制伺服电机实现洗衣机滚筒的正转反转、如何实现洗好衣服会发声提醒。该作品结构搭建较简单，能在规定时间完成，可操作易实现，能让学生获得体验感。又如，在学习程序分支结构时，可以选择制作“模拟整点报时时钟”的教学案例，如果程序仅用顺序结构时学生会发现，整点报时秒针会停止不走，与现实中的时钟情况不符，只有应用分支结构才可实现分别对电机和声音图标的独立控制。让学生通过不断尝试获得成功，并从中加深对所学知识或原理的理解。

4  任务驱动开放性原则

任务驱动是指案例的设计要为学生提供一定应用情境和具体的任务，并围绕任务展开相应的学习，使学生主动建构探究、实践、思考、运用、解决问题的学习体系。开放性是任务要具有一定的开放性，没有唯一的答案，可以有多种完成任务的方法，旨在培养学生分析解决问题的能力和创新思维。

例如：在学习弹力势能转化时，可以设计一个“皮筋动力小车”机器人竞赛活动项目。根据情境要求，围绕任务：两辆皮筋动力车如何接力，如何停在指定位置。学生进行探究發现，可以调控皮筋圈数和皮筋拉伸长度控制前进距离，运用皮筋弹射、皮筋扭转产生动力，还可设计前驱或后驱，且车身大小及重量不同还会产生不同结果。这是一个开放性的任务，能有效培养学生发散思维，可设计出十多种解决方案，每个方案再进行优劣比较，能很好地培养学生分析解决问题的能力和创新思维，深受学生的喜爱。又如，在学习编写机器人巡迹、转弯程序时，可选用设计“光电巡迹停车入库机器人”案例，通过程序控制机器人沿黑线达到某位置后模拟停车入库。该案例任务情境明确，程序编写时可控制左右马达转速、正反转，实现调头转弯等，又可设计前进或倒车入库方式。两种方式在返回时又需要调整车身，学生需要不断偿试与分析才能完美完成任务，有效激发学生编程思维能力。

5  整体规划系统性原则

整体规划是指机器人校本课程中各章节设计的案例需要有一个整体的规划，做到由简入繁、由易到难，从单个任务到综合任务，形成循序渐进的学习过程。系统性是指前后案例之间既相互独立又相互联系，符合学生认知规律和课程目标，通过学习能形成较科学系统的知识结构体系。

例如，在机器人结构搭建部分，设计搭建“立方体、秋千、跷跷板、高塔、自行车、搅拌器、起重机、吊车、缝纫机、挖掘机”等案例，从简单杠杆平衡结构到复杂齿轮传动结构，再到凸轮、棘轮棘爪应用的特殊结构，层层递进，互为关联，形成较完整的知识体系。又如，在编写程序部分，设计“程控风扇、前驱小车、声控车、转向车、巡迹车、倒车入库、棒球机器人、搬运机器人、多任务机器人、FLL工程机器人（如图4）”等案例，从学习乐高机器人的电机编程到传感器编程，再到对机械臂综合运用完成多任务编程。程序设计上由顺序结构到循环结构，再到分支、判断结构，由易到难，由单任务模块到多任务模块，学生在逐步完成编程任务中体验成功的喜悦，不断提升编程能力。

总之，案例教学是青少年机器人校本课程教学的重要手段。上好机器人校本课程的关键在于设计一个合适的教学案例，案例设计的五个原则既相对独立又互为联系，在实践教学中还要考虑学生年龄、认知水平和已有知识等具体学情，以及所提供教学器材的数量与品牌，灵活设计恰当的教学案例。此外，案例设计的成功与否，就是看是否能激发学习兴趣，是否能调动探究机器人的主动性，是否能有效促进课程教学目标的达成。