《小学中高年级机器人课程能力风暴实践研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《小学中高年级机器人课程能力风暴实践研究.doc（14页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、小学中高年级机器人课程（能力风暴）实践研究上海市平利路第一小学 史国明绪论【问题的提出】一、 机器人课程发展现状分析教育机器人作为教学内容进入中小学，无论国内还是国外，目前都处于起步阶段。从各地情况来看，较多的学校只是以课外活动、各种兴趣班、培训班的形式开展机器人教学。通常的做法是由学校购买若干套机器人器材，由信息技术课程教师或综合实践课程教师进行指导，组织学生进行机器人组装、编程的实践活动，然后参加一些相关的机器人竞赛。目前，只有极少数的地区和学校将机器人教学纳入了正规课堂教学。二、 我们进行的实践活动2007年下半年开始，我校正式将机器人课程纳入校本课程的范畴，每周开设一节。在综合考虑到学
2、生年龄特点、接受能力、学科分布、师资配备等多种情况后，我们最终确定将课程安排在四年级。同时，为了让部分学有所长的学生能够得到更大的发展空间，我们还集合了四五年级少数优等生成立校机器人社团，进行更系统化、专业化的培训，并参加各级各类的机器人竞赛。三、 研究的目的和意义随着信息技术的发展，智能机器人（分实体机器人与虚拟机器人）这一信息技术的前沿领域也得到了飞速的发展。有专家预言，从信息产业的角度看，本世纪第一个十年将是智能机器人时代。通过近一年多机器人的教育，教师和学生都感到收获不小：1、 参与生活我们的孩子学习、学习再学习，而参与生活、与社会沟通的机会实在太少。曾经有一位学生对我说“从来没有扫过
3、地”，这让我想起了曾经有个大学生竟然不知道怎样吃鸡蛋。在我们的机器人教学活动中提出的一些预设任务，如“机器人灭火”、“机器人足球赛”、“机器人跳舞”等，有的是直接来源于日常的生活，有的是学生们喜闻乐见的，这样的选题非常有利于引导学生观察生活、提出并解决实际问题。2、 感受科技当今社会是一个“信息爆炸”的时代，如果不能掌握必要的知识、不会运用最新的科技成果，就会被时代所抛弃。而机器人正是未来社会发展的一个极其重要的领域，我们的学生正是要早介入、多介入这一领域，引领时代之先气。机器人制作活动是集多种应用科技于一体的教学活动，包括力学、热学、声光电等经典的学科知识，还有遥感、人工智能等比较尖端的技术
4、。希望通过这样的活动，让学生体会到科技在生活中的力量，从而对知识产生渴望，激发学习的动力。3、 培养学生的创新意识创新意识是一种突破，是对现有的事物各方面的突破，创意是逻辑思维、形象思维、逆向思维、发散思维、系统思维、模糊思维和直觉、灵感等多种认知方式综合运用的结果。在机器人实践活动中，教师不仅要引导学生去发现、思考并尝试解决问题，更要注重培养学生的创新思维能力，提高课堂教学实效，要通过机器人课程的学习，全面提升学生的创新意识。【关键词】 机器人 创新意识 合作学习本论一、 培养仔细观察并发现事物规律的能力在机器人课程的学习过程中，要细心观察机器人的动作，然后从它的动作特点上找出规律来，再根据
5、预设的诉求，对机器人进行适宜的硬件或软件改动。由于学生年龄特点的限制，他们在刚开始接触机器人时，往往会表现得热情有余，细心不足。课堂上，热闹是热闹了，但是却无法解决问题。因此，教师要善于利用典型课例，适时地引导学生培养细心观察事物的能力，引导他们从事物的表面现象发现本质性的规律，从而为解决问题做铺垫。例如，在机器人走直线的课上，学生虽然经过了反复的实验，却还是只能眼看着机器人走不了直线而束手无策。问题就出在这节课是学生刚开始接触机器人不久，大部分学生还沉浸在对机器人的外形、动作的兴奋之中，即便是做实验时，更多的也只是关注机器人“成功”了没有，没有主动去发现机器人“不成功”的根本原因是什么。尽管
6、也进行了多次的“修正”程序，但是苦于找不到问题的原因所在，徒劳而无获。此时，我停止了这种无谓的实验，转而让他们开展讨论。讨论的核心并不是“问题出在哪里？”，而是“你看到了什么？”。此时，教师不要急于帮助他们解决问题，而应该先引导他们找到事物的表象特征，然后再根据表象特征，有的放矢地寻找问题结症，继而解决问题，这才是一种科学的方法。经过学生的讨论，他们归纳出了三种不同的表象，画图以示。（见图一）然后继续引导学生讨论：轨迹A是我们预设的效果，那么，造成轨迹B和轨迹C的原因是什么呢？对于轨迹C，学生得出的结论比较一致：机器人的左轮功率大于右轮功率；而对于轨迹B，学生发生了较大的分歧。刚开始大家纷纷认
7、为是跟轨迹C一样的原因造成的，后来，教师反复引导他们仔细观察图上上的轨迹，弄清“直线、斜线、弧线”的区别之后，学生们恍然大悟，其实轨迹B也是一根直线，只不过是一根“斜”了的直线，造成的原因并不是软件编程上的数据出错，而是在实验开始的一霎那，机器人发生了方向上的偏转，这跟操作人员的动作有关。到这里，似乎问题得到了解决，但是我感到这个教材的潜力还没有被最充分地挖掘出来，于是继续引导：有没有好的办法，避免人为操作上的失误呢？于是大家又开始了热烈的讨论。学生们提出了很多实验操作的方法，什么用眼睛瞄准啦，找场地上的参照物啦。最终得出了比较一致的建议：在机器人开始走之前，操作者先将机器人往前推动一小段距离
8、，以校正前后两个万向轮的方向。这时，我又适时地提出了用软件弥补的方法：在程序的开始，加上一个“延时图标”，延时3秒钟，这样就可以从容地打开开关，调整好方向了。二、 培养团队合作共同解决问题的能力1、 团结协作，共同进步机器人课中，有大量的实验。学生分成若干个学习小组，每组三到四人，由组长统一负责。大家实验在一起，讨论研究在一起。发现问题，可以各抒己见，集团队的力量于一点。有时候，遇到意见不统一，就再实验，再观察，再讨论，通过反复的实践研究，学生的多方面能力都得到了提升。这种集体学习的模式，充分发挥学习者之间取长补短，各尽所能，在很大程度上可以帮助学生提高学习效率，达到事半功倍的效果。2、 分工
9、明确，各司其职每个小组都有一名组长统一负责组内的学习和实验进程。当然，别的组员也有各自的分工：电脑好的学生负责操作电脑，长于思考的学生可以在软件编程的时候多发表意见，做事认真负责的学生可以专门负责机器人的保管。总而言之，每个组员都有一份属于自己的职责，都可以为小组出力，都是学习过程中的一份子。这样，整个学习小组的活动就更有序、有效了。当然，这种分工也不是一成不变的，每过一段日子，就要进行一番轮换，各个不同的岗位大家轮着担纲，让每一个组员都得到最充分锻炼的机会，熟悉机器人学习和实验的每一个环节，使每一个学生都可以独立进行所有的操作是小组合作学习的一个重要指标之一。3、 各抒己见，善于倾听小组内的
10、学习是基于每一个人的努力，大家都是学习过程中的一个重要环节，要培养学生小组合作的技能。一方面，要鼓励学生敢于发表自己的意见，特别是当自己的意见跟大多数人不同时，只要坚信自己是有理由的，就要敢于坚持，善于说服。另一方面，也要提倡学生要学会倾听，面对别人的不同意见，不仅要学会判别其正误，更要善于从别人的意见中找到符合自己标准的见地，然后为我所用。4、 自我管理，自我约束机器人课程是一种“实验”性质的课程，这种课程也许到了中学阶段会有普及，但是就目前而言，小学里还不多，尤其是这种基于学习小组的实验型学习模式还是绝无仅有的。学生们大多数情况下是在相对独立的环境中自我学习的，他们有时需要围成一圈观看机器
11、人的运行，有时又要围坐在电脑前讨论研究软件编程，场地在不停地转换，再加上多个小组同时进行，相互穿插，场面上是很“乱”的，此时的教师已不可能照顾到所有的小组，各个小组的学习更多的要依靠组长的管理、组员之间的相互配合以及个人的自我约束。学习的过程其实也就是学生自我管理的过程，既锻炼了组长的管理能力，也培养了组员之间相互合作的精神，更使每一个人都明白了一个道理：要想做好一件事，首先要端正做事的态度，只有积极主动地投入进去，才有可能把事情做好。三、 培养科学思维善于提炼总结的能力机器人课程中有很大一块是软件编程，这需要学生有很强的逻辑判断和推理能力。要注重培养学生科学的思维习惯，学会用科学的、有条理的
12、方法去思考问题、处理问题，这也是机器人课程最主要的目的之一。下面我举几个例子简单加以阐述：1、 走正方形时原地打转刚开始，学生编写好程序后（见图四），兴冲冲地进行试验，结果却发现机器人只会原地打转！于是组长立即就把机器人拿起，一群人重新坐在电脑前，准备修改程序，但是几次下来，却始终徒劳无获。我在反复观察他们的行为之后发现，他们在发现机器人出现问题之后，根本没有细心观察机器人的运行状态，在没有找到问题原因时就拿起机器人准备改程序了。 （图四）其实这是一种不正确的实验方法，原因是他们缺乏实验的经验。于是我就引导他们：实验的目的并不是看看机器人的动作对不对，而是通过观察机器人的动作，找出发生问题的原
13、因，这样才能解决问题。然后重新领着他们观看机器人的动作，当机器人再次发生原地旋转时，我阻止了组长想要拿起机器人的动作，引导他们从两个方面观察，第一：机器人直行了吗？没有；第二，机器人转向了吗？转了。好，有了这两个观察结果之后，我才示意他们停止机器人运行，进而思考：为什么程序里明明有直行的模块，但是机器人却没有做出来？显然是因为执行模块没有得到有效执行，是“直行”的时间太短暂了，进而引发出“延时等待”模块，最终完成编程。（图五）2、循环模块的使用还是在走正方形的课上，在指导学生编写好程序之后，如图所示：（图二） （图二） （图三）教师提出了一个问题：这么长的程序，每次修改参数是不是很麻烦？有没有
14、更好的办法？接着，引导学生仔细观察程序，看看能不能找到什么规律？学生经过简单讨论后发现，虽然长达十二个模块，但是其实只是三个相同模块的重复，即：启动电机、延时等待、右转。然后引导学生：如果你们不是面对一台机器人，而是面对一个活生生的人，你会怎么跟他说？会不会也是这样反复地重复说十二个指令？学生回答“不用”，只需简单地说三个指令，然后告诉他把这三个指令重复做四遍就行了。由此，再进一步启发引导：那么，对机器人又该怎样说呢？接着引入“多次循环”模块，经简单讲解使用方法之后，让学生利用这个模块简化各自的程序。这个教学环节，注重的并不仅仅是将程序简化，更重要的是教会学生明白：无论做什么事情，都要善于用最
15、简单的方法去解决问题。而要想达到这个目标，就要善于寻找并发现事物的规律，有时还要结合现实的生活经验，把复杂的事情简单化，这就是我们所讲的科学处理问题的方法。四、 通过实际操作，提高动手实践水平小学生正处在一个长身体、长知识、长智慧的阶段，他们手指部分小肌肉群的发育较迟。在机器人课堂上会接触到较多的动手操作活动，不仅可以满足他们生长发育的需要，而且可以使他们的注意力集中到有意识的活动中来，同时还可以培养他们做事认真负责的良好品质。机器人课上需要动手的地方非常多。刚开始接触到机器人不久就会涉及到这个问题：用螺丝刀调节红外测障旋钮。由于是第一次在课堂上使用螺丝刀这一类有一定危险性的工具，课前要做好充
16、分的准备。首先，要让学生充分认识到这类工具的潜在危害性一把螺丝刀如果使用不当，不仅会伤害到人的眼睛，甚至还可以伤害到人的躯干或四肢！因此，在使用过程中，一定要避免发生误操作、嬉闹等现象。同时，进一步加强小组合作学习，各小组要明确有专人管理工具，相互督促，确保安全。其次，要教会学生认识两种不同的螺丝刀：一字刀、十字刀。知道它们的不同用途，掌握使用方法。最后，才让学生尝试使用十字螺丝刀调节红外测障旋钮。有了这第一步，后续还有很多实践操作的内容就容易多了。比如给机器人两个轮子加载防滑垫。需要用到很多工具：螺丝刀、尖嘴钳、剪刀、镊子等。还是发挥小组合作学习的作用，大家合作努力，共同完成机器人的改装、测
17、试等工序，既圆满地完成了预设的学习任务，更达到了锻炼动手动脑的目的，对提高学生综合素质起到了积极的促进作用。五、 通过软件编写，提高逻辑推理水平电脑编程对于小学生来讲是一个从未接触过的领域，就思维方式而言是一场变革，学生既要抛弃原有的思维定势，转而学习更适合电脑语言的编程方式，还要结合自己的生活经验，把日常活动中的某种模式迁移到程序里来。通过简便电脑程序，可以有效地促进学生科学思考能力，对逻辑推理、逻辑判断能力有极大的提高。1、 生活经验迁移法对小学生来讲，生活经验是看得见摸得着的，是耳熟能详的，也是他们最擅长的一种方法。而电脑编程确显得枯燥、乏味，缺乏形象体会，尤其是刚开始接触时，学生普遍感
18、到难以适应。此时，我尝试着将一些日常生活中的行为习惯迁移到变成中来，取得了很好的效果。例如，在机器人检查障碍物一课中，要编写机器人“检测判断”的指令时，学生对于“反复检测”常常会感到疑惑不解，他们普遍认为已经检测过一次了，为什么还要反复检测呢？于是我就让一名学生上台来体验。我让他闭上眼睛，往前伸出双手平举，向前搜索着前进，遇到障碍物则停下，而我站在他前面不远处充当障碍物，同时让下面的学生仔细观察这个同学的行为。实验开始了，这个学生一边用手不断地往前摸索着，一边缓慢前进，直到手指触碰到我，停下。当下面观察的学生看到这个同学的手“反复摸索”时，一下子明白了道理，原来探测确实是不断重复的。因此，把机
19、器人想象成人类，用人类思考问题的方法去设想编程的结构，是学习机器人编程的一个极为有效的方法。2、养成科学的处理问题习惯所谓的科学处理问题，就是不单单只依靠模糊的、经不起重复检验的经验，而是建立在科学的、可靠数据基础上的能够重复实现的结论。机器人实验会有大量的数据产生，要依据先前的数据，进行缜密的、合理的分析，然后用科学的、已经被普遍认可的方法进行推测、判断，从而得出结论。小学生的思维习惯往往还局限在“经验”假想阶段。他们更多的是根据所谓的经验，依赖自己的臆想，进行不确定的、有时候甚至是盲目的实践。刚开始实验的时候，往往都兴致很高，而一旦机器人的运行并没有实现预想中的效果，他们立刻就进行程序修改
20、。而这种修改很大程度上只是基于他们的猜测，数据的修改基本没有规律，更没有参照前后数据、机器人的运行情况进行分析。常常是程序越改越长，机器人越走越乱。针对这种现状，我觉得必须要养成他们科学的实验方法，懂得积累数据的重要性，要学会用科学合理的方法开展实验。因此，我要求学生自己设计实验数据表格，把在实验过程中产生的数据尽可能地保存下来，以供修改时参考。学生经过反复讨论，并结合自己在学习过程中的实际需要，先后设计制定了多张实验数据记录表格，分别如下表：第一稿：机器人学习过程记录表班级小组组长项目主要参数第一次第二次第三次第四次左电机功率右电机功率直行速度直行时间转向速度转向时间小组结论：第二稿机器人课
21、实验情况记录表组号： 组长： 组员人数： 机器人编号： 预设任务第一次实验相关数据程序图第二次试验相关数据程序图第三次试验相关数据程序图最终情况描述（或原因分析）：在这里，学生容易发生的问题是不会观察，忽视相关数据的前后关联。学生在实践过程中，记录每一次程序的各个相关数据，如：各种模块的参数、机器人的动作表现、推断的可能原因。这样，有了多次数据的积累，再通过集体的研究讨论，从这些数据中找到问题就变得容易多了。后来，学生们又根据学习的需要，对整个学习、实验的团队合作、学习态度等指标设计制作了综合性的记录反馈表，用来全面记录学习、实验过程，如下表：机器人课程学习过程记录表班级： 姓名： 日期： 我
22、们小组的成员：组长：_ 组员：_ 你平时与组内的其他同学经常交谈吗?（在下列你认为符合的选项下打勾）从不交谈偶尔交谈经常交谈 你觉得能够与组内的其他同学沟通吗？（在下列你认为符合的选项下打勾）根本不能沟通只能做较为浅显的沟通能够很好的沟通 你对组内其他同学动手能力、计算机运用技能的评价如何？同学姓名能力较差能力一般能力很强 我在此项目中担任的工作是：设计算法编写流程图调试机器人记录数据 我在组内的分工是这样确定的：老师指定的同学提议的我自告奋勇的本次学习内容：实验过程记录表：试验次数运行状态记录存在问题解决方法12345记录人：_在这项活动中我感到：（在下列你认为符合的选项下打勾，可以多选）很
23、开心有收获合作愉快没什么意思4、程序的优化简便原则 同样一个预设的任务，不同的小组会编写出不同的程序来，但是有的简便，有的复杂，甚至繁琐。要告诉学生编写程序不仅仅要达到完成任务这个简单的低层次目标，还要想法设法将程序简单化，使之更高效、更稳定。还是拿之前的机器人走正方形来举例子吧：如果用单个的模块来实现这个预设任务的话，需要多大12个模块才能实现，而如果结合使用“多次循环”模块的话，则只需四个模块就可以解决问题。六、 通过解决预想，提高创新思维水平1、 分步实施，循序渐进有些复杂的预想学生很难一下子独立编写出来，这时候，教师可以事先将复杂的预想分割成几个具有前后关联的子项，让学生分步逐个完成，
24、最后达到预设的效果。学生通过分步编程，既完成了预设的任务构想，更重要的是习得了编程的技巧和方法。如：在编写机器人检测障碍物一课中，预设的任务是：机器人沿直线前进，当遇到前方有障碍物时，采用绕行的方法避开障碍物。这里，程序将要涉及到很多知识点的综合运用，如走直线、红外探测、绕行、条件循环等。实践中，先让学生编写直行程序，调整好左右轮的功率，成功后，再加上红外探测图标，让机器人检测到障碍物后停止前进，先把后面的“绕行”放到一边不去理会，专攻红外探测的程序编写和调试，同时引入条件循环模块。当能够实现比较简单的“检测到障碍物后停止”时，再让学生思考怎样编写“绕行”的程序，然后，再在先前的基础上加载后续
25、的“绕行”部分。这样，把一个原本比较复杂的程序分解成多个较为简单的部分，使学生始终保持清晰的思路、适当的成就感，并在分步实施中体会编程的策略与技巧。2、鼓励学生大胆实践，创造性地解决问题一题多解在机器人活动中是非常常见的现象。教师应该鼓励学生大胆实践，细心揣摩，而不要过分追求标准化。要让学生在不断尝试、改进、再尝试的基础上，自然而然地得到启发，使每一个参与活动的学生都能够最大程度地拓展思维空间，提高思维效益，掌握思维技巧，这也是开展机器人活动最根本的目的之一。比如在机器人灭火活动中，为了增加轮子对地面的摩擦力，提高机器人行走的速度，学生们纷纷开动脑筋，想出了好多办法。虽然有些方法确实不切合实际
26、，或者效果有限，但是，我始终坚持让学生通过实践来检验自己的设想，而不是简单的以老师的标准去评判。比如有的学生想出用多根橡皮筋箍在轮子上增加摩擦力，结果试验下来发现，橡皮筋很难被固定在圆形的轮子上。但是这些学生却并没有放弃，他们又设想能否用胶水把橡皮筋粘在轮子上，起到固定的作用。经过试验，发现虽然橡皮筋是被固定在轮子上了，但是橡皮筋自身却变得发硬、变脆，失去了弹性，反而使轮子的摩擦力减少了。然后，他们又想出了一个新的办法，把原本单独的橡皮筋改成一整块的橡胶皮，也就是私家车上使用的防滑垫。实验结果表明，这个方法取得了一定的效果。在这样一个过程中，学生从最初的一根橡皮筋，到多跟橡皮筋，再到大块的橡胶
27、皮，思维能力得到了很大的提高，思考问题的方法得到了进一步的拓展。七、 通过认识机器人等设备，提前了解相关知识机器人教学中，学生会接触到很多先前没有接触过的知识和技能。虽然这些知识和技能我们并不做严格意义上的“掌握”要求，但是，通过在反复的实验、讨论、研究过程中的接触、使用，学生在潜移默化中已经有了实质性的习得，这为他们将来进一步系统地学习这类知识和技能做了有效的铺垫，也培养了孩子们今后的学习兴趣。如：数学中的角度、速度问题，物理学中的功率、光学、电学、力学等知识。在机器人的改装中，他们又将会学习并使用众多日常生活中经常会使用到的工具，如：螺丝刀、各类钳子、电钻、胶水、漆包布、热胶枪、电烙铁、卷
28、尺等。此外，他们还会熟悉各类材料的优缺点、各类电器元件的拆卸和安装等等。结论机器人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。让机器人教育走进小学课堂，开发机器人文化的教育功能和发掘智能机器人的教育价值，对推进教育创新，促进教育改革和教育现代化，对创造型、研究型、专家型教师队伍的形成，对提高中小学生的创新和实践能力，同时对我国机器人事业的发展、人才高地的建设，具有重要的现实意义和战略意义。【参考文献】1、机器人教育:现状、问题与推进策略浙江师范大学张剑平，王益2、开展机器人教育，培养学生创造力的研究 陆敏菊 来自网络3、授人以鱼，还是授人以渔 吴申广14 / 14