張超 謝鵬 李彥超

【摘要】機器人活動是當(dāng)前學(xué)生科技活動的熱點。把校外單位開展機器人教育活動帶入校內(nèi)，在北京多所中小學(xué)開展了機器人活動積累了一些經(jīng)驗。分析機器人教育的現(xiàn)狀，開展校內(nèi)外在教學(xué)活動中嘗試建立機器人知識與校內(nèi)學(xué)科知識的聯(lián)系，并闡述了校內(nèi)外結(jié)合的課程活動設(shè)計，能夠更好地服務(wù)學(xué)生學(xué)習(xí)發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】校外機器人活動 學(xué)科教學(xué) 課程整合

機器人是一門綜合性學(xué)科，涵蓋數(shù)學(xué)、物理、信息技術(shù)等眾多學(xué)科知識。由于師資方面因素及功利性競賽活動的影響，這項活動沒有完全發(fā)揮出應(yīng)有的教育作用。2020年，教育部提出“強基計劃”，更加重視學(xué)科知識應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。校外教師利用專業(yè)優(yōu)勢主動聯(lián)系和配合校內(nèi)教師把機器人活動與學(xué)科教學(xué)整合起來，互相滲透整合，既可以幫助校內(nèi)教師豐富教學(xué)內(nèi)容，也可以讓學(xué)生在校外活動中利用學(xué)科知識通過機器人手段解決問題。

一、機器人教育的現(xiàn)狀

中小學(xué)機器人教育一般通過工程結(jié)構(gòu)搭建組裝機器人，計算機編程來控制機器人。在教學(xué)中運動到多種技術(shù)涉及多學(xué)科的知識融合，很好地鍛煉了學(xué)生的思維能力，創(chuàng)新能力，計算能力，以及團隊協(xié)作能力。校內(nèi)校外單位，社會培訓(xùn)機構(gòu)均有開展，主要形式涵蓋各級競賽、校外活動課、興趣培訓(xùn)班、信息技術(shù)選修課等。由于涵蓋廣泛，涉及知識豐富，教學(xué)模式多樣，器材種類繁多，缺乏相關(guān)評價方式的研究，百花爭艷的狀態(tài)，一直沒有形成統(tǒng)一的機器人課程標(biāo)準(zhǔn)。另外，師資力量薄弱相對，多數(shù)學(xué)校是一些信息技術(shù)或科學(xué)老師兼職工作。機器人競賽開展在初期確實加速了中小學(xué)機器人項目的普及，但現(xiàn)今因一些社會因素介入導(dǎo)致過分追逐競賽，限制了機器人教育教學(xué)資源的開發(fā)，忽視了綜合能力培養(yǎng)。

由此可見，校外教師在服務(wù)中小學(xué)生機器人教育上大有可為。我們可以主動向?qū)W校伸出“橄欖枝”，開展STEAM教育理念機器人課程，重視技術(shù)和知識與機器人的融合，開展情景教學(xué)和探究性學(xué)習(xí)活動，針對活動設(shè)計評價系統(tǒng)，并開發(fā)課程及活動資源，促進機器人教育良好的發(fā)展。

二、校外結(jié)合校內(nèi)學(xué)科知識點，激發(fā)學(xué)習(xí)機器人興趣

校外不像校內(nèi)有專業(yè)機構(gòu)開發(fā)的規(guī)范教材，但校外機器人教學(xué)中一般采取“做中學(xué)”的形式，邊做邊學(xué)，分?jǐn)?shù)成績排名不是指揮棒，不以成績論成敗的，更注重牢固基礎(chǔ)。校外教師在充分了解校內(nèi)學(xué)科教材的基礎(chǔ)上，從中挖掘與機器人學(xué)科相關(guān)的知識，設(shè)計活動方案?；顒又型ㄟ^聯(lián)系、建構(gòu)、反思、延續(xù)的過程，有意識地去貼近校內(nèi)學(xué)科某個知識點?；顒又幸龑?dǎo)學(xué)生討論發(fā)言，回憶課本知識，幫助學(xué)生感受到基礎(chǔ)科學(xué)知識與機器人有相關(guān)性，自己學(xué)的課本知識有用武之地。從而實現(xiàn)讓學(xué)生像小發(fā)明家一樣，結(jié)合書本知識，以小組為單位合作，發(fā)揮想象力，動手實踐設(shè)計制作機器人，并為機器人編寫程序，解決實際問題。這樣既能讓學(xué)生了解知識，又能讓他們學(xué)會發(fā)現(xiàn)，學(xué)會探索，拉近與機器人的距離，讓他們用雙手把生活中很多有趣的東西有形化、靈動化。

比如，在搭建機械結(jié)構(gòu)時，發(fā)現(xiàn)多邊形的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，容易發(fā)生形變。引導(dǎo)學(xué)生們觀看并繪制出所搭建結(jié)構(gòu)的幾何圖形，引領(lǐng)他們聯(lián)系書本知識找到其中的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，回憶三角形的穩(wěn)定性知識，從而利用斜拉固定制造三角形結(jié)構(gòu)減少晃動。同樣，在講授剪叉伸縮式機械臂時，可引導(dǎo)學(xué)生觀看機械臂，結(jié)合平行四邊形的規(guī)則平移，來引導(dǎo)學(xué)生歸結(jié)出該類機械臂設(shè)計的細節(jié)兩邊平行且相等。在講授變量編程時，可以依托數(shù)學(xué)課的四則運算，讓學(xué)生實際操作變量的加減乘除，讓學(xué)生對變量的寫入讀取運算有更直觀的認識。

三、校內(nèi)外共同挖掘機器人活動中的知識，充實學(xué)科課程資源

在機器人學(xué)習(xí)過程中，多以學(xué)習(xí)編程語言、工程結(jié)構(gòu)、傳感器使用方法，系統(tǒng)調(diào)試為主，對于中小學(xué)生來說較為專業(yè)和枯燥。而我想對于孩子來說機器人應(yīng)該是一種玩具，所以我想打破傳統(tǒng)對機器人項目的理解，通過活動把機器人與校本課程及學(xué)科知識相結(jié)合，創(chuàng)設(shè)情境激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲。

在校內(nèi)學(xué)科教師的支持下，發(fā)揮校外教師的專業(yè)性優(yōu)勢和資源優(yōu)勢，主動開展貼近校內(nèi)課程的機器人活動方案或展演，幫助校內(nèi)學(xué)科教師了解機器人。然后校內(nèi)外教師面對面地坐下來，悉心研究、認真探討，找到機器人與學(xué)科課程的最佳契合點，讓機器人成為一種全新的教學(xué)載體。校內(nèi)外教師一起結(jié)合校內(nèi)學(xué)科課教材，針對某個知識點提出機器人的解決方案。進而開展校級市級研究課示范課，請教研員督導(dǎo)完善課程，開發(fā)校本課程。例如：運用機器人小車作為輔助教具，研究速度，路程，時間的關(guān)系。設(shè)計編寫機器人程序利用ph值傳感器，記錄酸堿中和實驗中的ph值變化。印證酸堿中和的結(jié)果。

現(xiàn)今的部分中小學(xué)面臨“330”工程難題，給校外教育結(jié)合校內(nèi)發(fā)展帶來了新的機遇。校外教師發(fā)揮輻射引領(lǐng)作用配合開展校內(nèi)活動課責(zé)無旁貸，與校內(nèi)學(xué)科課程結(jié)合的活動課，不但讓學(xué)生關(guān)注學(xué)科知識，更意在讓他們利用校內(nèi)課堂知識通過玩機器人去解決生活的問題，給他們機會“學(xué)而時習(xí)之”。例如，計算圓輪子的周長，控制輪子轉(zhuǎn)動的圈數(shù)。可以制作一臺機器人小車丈量操場的寬度。也可以制作一臺機器人走迷宮，利用傳感器測量距離。也可以幫助組織機器人興趣小組活動，達到普及與提高并重的作用。

四、與小學(xué)科學(xué)課整合的課程實例

本次研究對象是北京市展覽路第一小學(xué)五年級學(xué)生，以機器人戰(zhàn)陡坡為例，為學(xué)生設(shè)計的一次別開生面的科學(xué)課期末活動。改變了以往書面的考試形式，變?yōu)橐淮翁骄康膶嶒灒尶茖W(xué)也可以演起來，玩起來，用起來。學(xué)生們收獲了喜悅，也增進了對科學(xué)的熱愛，體會到了課本所學(xué)知識的實用性，活動也最大限度解放學(xué)生的思維，完全保護學(xué)生的創(chuàng)意，不以設(shè)計的成敗與否為評價標(biāo)注，失敗只要分析出原因，找到改進之道一樣是成功的開始。鼓勵學(xué)生回憶自己的科學(xué)課學(xué)習(xí)過程，和記錄本次活動中的研究過程，發(fā)現(xiàn)并矯正自己的不足，加深對科學(xué)課的課本知識理解，引導(dǎo)學(xué)生對課本知識理解之后的再認識，使學(xué)生意識到科學(xué)服務(wù)于生活。

（一）教學(xué)目標(biāo)

1.知識與技能。學(xué)生搭建一個能爬坡的機器人，了解摩擦對于機器人爬坡的重要性并加以利用，了解齒輪傳動比對馬達輸出的影響。

2.過程與方法。學(xué)生通過聽講獲得間接認識，通過動手操作獲得直接認識。學(xué)生在解決具體問題時以小組合作探究式的學(xué)習(xí)方式進行學(xué)習(xí)。通過動手實踐，檢查設(shè)計方案、反復(fù)實驗、反思完善來制作機器人。

3.情感態(tài)度與價值觀。激勵學(xué)生根據(jù)事實大膽設(shè)想、大膽嘗試去用機器人手段解決實際問題積極思考。讓學(xué)生體驗理論來源于實踐，又指導(dǎo)實踐是科學(xué)研究的必經(jīng)過程。養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)求實的科研作風(fēng)，鍛煉細致深入的觀察、嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的記錄、分析現(xiàn)象背后因緣的實踐科學(xué)思維能力。

（二）教學(xué)內(nèi)容安排

教學(xué)內(nèi)容是讓學(xué)生設(shè)計并搭建一輛能夠爬陡峭斜坡的機器人。并且在機器人爬到坡頂時要求機器人停止。課堂中準(zhǔn)備了3個不同坡度的分別為30度，45度和15度斜坡，斜坡斜面長度為1米，要求記錄爬坡的時間。抽簽3選1，決定要完成的坡度。發(fā)放一種機器人動力輸出結(jié)構(gòu)，輪式機器人。利用同一種結(jié)構(gòu)采取不同的齒輪比完成測試。要求只要讓機器人完全行駛過斜面挑戰(zhàn)任務(wù)即可完成，如挑戰(zhàn)失敗，要求分析失敗的因素和自身方案的不足。

（三）教學(xué)過程

1.提出任務(wù)。展示3個不同坡度的斜坡，利用兩種結(jié)構(gòu)，設(shè)計并搭建不同的齒輪傳動比的機器人，看看能否爬上陡坡。

2.分析任務(wù)。拿到機器人，思考怎樣的齒輪配比才能讓他更好的爬坡。

3.組內(nèi)討論。提出自己的想法，聽取他人的意見。

4.提出問題。學(xué)生觀察、猜想、假設(shè)、提出問題，你認為你的機器人完成此任務(wù)的難點在哪里？機器人不同的齒輪傳動組合，各自的優(yōu)點和缺點。完成此任務(wù)需要克服哪些困難？

5.結(jié)構(gòu)設(shè)計。學(xué)生討論并發(fā)表自己的觀點。應(yīng)當(dāng)考慮的設(shè)計要素：齒輪的傳動比;小齒輪帶動大齒輪，得到較大的扭矩。大齒輪帶動小齒輪，得到較大的輸出速度。

6.解決任務(wù)。小組分工合作完成此項任務(wù)。學(xué)生從教師機下載程序，并運行測試完成搭建和編程的小組到場地進行試驗和記錄與爬坡小競賽。

（四）學(xué)習(xí)效果評價設(shè)計

設(shè)計學(xué)生的實驗記錄表：（1）我們的預(yù)測;（2）我們想要這樣試驗;（3）試驗的結(jié)果;（4）我的們想法或發(fā)現(xiàn)包含對預(yù)測的結(jié)果，對其他組結(jié)果的分析。

學(xué)生在進行實驗測試時，教師以引導(dǎo)學(xué)生觀察記錄為指導(dǎo)要點，讓學(xué)生學(xué)會記錄搜集數(shù)據(jù)，嘗試進行分析，以便學(xué)生間的交流，和作為歸納結(jié)論的事實依據(jù)。學(xué)生進行匯報分享時，要求積累別的小組發(fā)言互相啟發(fā)，自由大膽地表述自己的看法。

本次活動以分組挑戰(zhàn)實驗引入，并以實驗的揭秘為主線貫穿全課。在學(xué)生認識齒輪的前提下，選擇學(xué)生感興趣的問題進行研究。通過小組討論完成實驗設(shè)計，分析實驗結(jié)果，最終通過討論和教師的引導(dǎo)結(jié)論。機器人器材，以其模塊化的搭建和編程控制，為學(xué)生搭建了一個方便的測試平臺。利用控制變量的方法，活動的探究程度可控，如本次活動只希望考核學(xué)生對齒輪傳動的理解，則可以編程設(shè)計每輛小車馬達開啟同樣的時間，搭建成相仿的結(jié)構(gòu)，只供選取不同的齒輪比。如希望通過對比了解輪式、腿式、履帶式機器人爬坡的能力，則可直接提供相關(guān)模型的機器人，讓學(xué)生進行爬坡測試實驗，驗證其中的道理。如初中學(xué)生使用本案例，則可加入重心對機器人的影響。

五、總結(jié)

當(dāng)然，由于機器人結(jié)合學(xué)校教材開發(fā)綜合性活動課程在國內(nèi)還是處于起步階段，課程結(jié)合的探索也還在初步進行中，課程完全落地校內(nèi)還需要付出更多的努力?；顒拥脑O(shè)計還需要校內(nèi)外教師的溝通，課程體系設(shè)置，課程內(nèi)容，課程時間，評價系統(tǒng)，等等。而且，機器人與學(xué)科教育的結(jié)合度要拿捏準(zhǔn)確不應(yīng)喧賓奪主，也不生加硬入。但從長遠看來，結(jié)合校內(nèi)外優(yōu)勢，給學(xué)科教育加入新“沃土”，完全可以實現(xiàn)互利互惠，平時注重以機器人為載體與其他學(xué)科融合的教學(xué)開發(fā)，從而為以后機器人教學(xué)進入課堂，作好充分的準(zhǔn)備，是很好的途徑。廣大校內(nèi)外教師可以在實踐中不斷探討積累，共同促進學(xué)生發(fā)展。

參考文獻：

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