小学中高年级机器人课程能力风暴实践研究.doc
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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
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