“學(xué)習(xí)包：自動(dòng)控制與模塊機(jī)器人”教學(xué)案例

楊彥欣

(上海市盧灣高級(jí)中學(xué) 上海市 200023 )

1 背景和教學(xué)任務(wù)

“學(xué)習(xí)包:自動(dòng)控制與模塊機(jī)器人”是上?？茖W(xué)技術(shù)出版社的《物理》高中二年級(jí)第一學(xué)期的一節(jié)內(nèi)容.所謂“學(xué)習(xí)包”，就是圍繞某一特定內(nèi)容整合學(xué)生經(jīng)驗(yàn)所構(gòu)成的相對(duì)完整的探究式學(xué)習(xí)單元.“學(xué)習(xí)包”是上海二期課改新教材中出現(xiàn)的一種新的教學(xué)模式，它的特點(diǎn)就是要求學(xué)生自己看資料、課題自己選、實(shí)驗(yàn)自己做、成果自己呈現(xiàn)并交流.“學(xué)習(xí)包:自動(dòng)控制與模塊機(jī)器人”是高中基礎(chǔ)型教材中設(shè)計(jì)的11個(gè)重點(diǎn)探究活動(dòng)之一，其內(nèi)容包括簡(jiǎn)單邏輯電路及簡(jiǎn)單模塊電路有關(guān)的應(yīng)用.它在實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和協(xié)作精神等方面有較高要求.

2 教學(xué)目標(biāo)

2.1 知識(shí)與技能

(1)進(jìn)一步了解和運(yùn)用自動(dòng)控制裝置的基本元件——傳感器、控制器和執(zhí)行器；

(2)進(jìn)一步理解邏輯電路——與門、或門、非門的實(shí)際應(yīng)用.

2.2 過程與方法

體驗(yàn)研究性學(xué)習(xí)的過程

(1)提出問題：從日常生活、自然現(xiàn)象和實(shí)踐活動(dòng)中發(fā)現(xiàn)和提出有意義、有探索價(jià)值的課題;

(2)制定計(jì)劃：提出設(shè)計(jì)的科學(xué)概念和原理，制定實(shí)施過程，指出所必需的設(shè)備和儀器等條件，選擇搜集資料和處理資料的方法；

(3)使用工具和搜集資料：熟練使用實(shí)驗(yàn)儀器，借助說明書學(xué)習(xí)新的設(shè)備，通過觀察實(shí)驗(yàn)和調(diào)查搜集相關(guān)資料，利用各種信息資源，查閱相關(guān)資料，對(duì)資料進(jìn)行評(píng)估并適當(dāng)取舍；

(4)分析資料和解釋問題：使用計(jì)算機(jī)處理搜集到的資料，綜合運(yùn)用文字、數(shù)字、圖片、圖像、表格等多種形式表達(dá);

(5)提高表達(dá)和溝通能力：借助計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件撰寫研究課題報(bào)告，表達(dá)和交流研究方法、過程、成果等等.

2.3 情感態(tài)度與價(jià)值觀

(1)通過研究課題，養(yǎng)成學(xué)生觀察生活、關(guān)注科學(xué)的良好習(xí)慣；

(2)通過分小組的形式研究課題，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作的意識(shí)和能力；

(3)通過探究過程，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度；

(4)通過課題研究，讓學(xué)生感悟到科學(xué)技術(shù)對(duì)推進(jìn)社會(huì)文明的進(jìn)步和促進(jìn)生產(chǎn)力發(fā)展的巨大作用；

(5)通過教師對(duì)研究的階段性成果的鑒定和給予合理的建議，使學(xué)生在研究的過程鍛煉了意志和毅力，培養(yǎng)他們不怕失敗，敢于接受質(zhì)疑，并重振旗鼓，繼續(xù)探索的一種執(zhí)著的精神；

(6)通過觀看機(jī)器人點(diǎn)燃圣火，激起學(xué)生強(qiáng)烈的愛國主義情感，并且讓他們意識(shí)到只有科教才能興國，而且必須每個(gè)人都要努力學(xué)習(xí)科學(xué)文化知識(shí)，才能實(shí)現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興.

3 教學(xué)設(shè)計(jì)思路和教學(xué)流程

《課程標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)屬于探究活動(dòng)的“學(xué)習(xí)包”有六項(xiàng)要求：(1)提出問題；(2)作出假設(shè)；(3)制定計(jì)劃；(4)使用工具，收集證據(jù)；(5)處理數(shù)據(jù)，解釋問題；(6)表達(dá)交流.基于“學(xué)習(xí)包”的特點(diǎn)，筆者將本節(jié)內(nèi)容分為三個(gè)階段進(jìn)行：

第一階段，研究資料簡(jiǎn)介→學(xué)生選題→篩選→開題；

第二階段，課題的資料搜集、計(jì)劃分工、研究方法指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備、采訪拍攝等；

第三階段，課題研討、交流和展示.

學(xué)習(xí)包的前兩個(gè)階段的學(xué)習(xí)分別在課內(nèi)外同時(shí)進(jìn)行，其活動(dòng)內(nèi)容與設(shè)計(jì)思路如下.

3.1 學(xué)習(xí)包第一二階段活動(dòng)內(nèi)容與設(shè)計(jì)思想

(1)由每個(gè)學(xué)生提出自己的課題；

(2)教師和學(xué)生一起探討并篩選，確定了三大課題，均是與日常生活緊密相連的，且可操作性很強(qiáng)；

(3)根據(jù)選定的課題，學(xué)生自愿報(bào)名，教師根據(jù)學(xué)生的個(gè)性和特長(zhǎng)，確定每個(gè)課題的小組成員；

(4)各課題組擬定課題研究計(jì)劃，收集相關(guān)資料，課題組同學(xué)分工合作，開展課題研究；

(5)教師指導(dǎo)研究方法，進(jìn)行資源整合及協(xié)調(diào)工作為學(xué)生創(chuàng)造良好的研究條件，并且?guī)椭鷮W(xué)生解決困難或者進(jìn)行課題成果的鑒定以及提出可行性的改進(jìn)建議.

3.2 學(xué)習(xí)包第三階段活動(dòng)內(nèi)容與設(shè)計(jì)思想

(1)第三階段，即最后一課時(shí)的學(xué)習(xí)是三個(gè)課題的成果展示與交流，它包括日常生活中自動(dòng)控制的調(diào)研；簡(jiǎn)易機(jī)器人的研制；機(jī)器人發(fā)展歷程的研究.教學(xué)方法是學(xué)生展示為主，教師點(diǎn)評(píng)為輔，教師的活動(dòng)主要是穿針引線，適時(shí)地評(píng)價(jià)和提問.

(2)第三階段教學(xué)流程(圖1)

“地平線歐洲”將以任務(wù)和使命為導(dǎo)向設(shè)立項(xiàng)目，并著力拓展其國際科技合作的維度和深度，為歐洲經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展獲取全球優(yōu)質(zhì)科技人才和資源。我國可借助這一政策導(dǎo)向，在當(dāng)前我國自主高新技術(shù)發(fā)展攻堅(jiān)克難、產(chǎn)業(yè)升級(jí)階段，以完成共同使命/任務(wù)為目標(biāo)拓展同歐洲在共同利益領(lǐng)域的技術(shù)合作，共同開辟中歐高新技術(shù)合作的新局面。同時(shí)，雙方嘗試在聯(lián)合資助機(jī)制、旗艦計(jì)劃等合作機(jī)制下，推動(dòng)中歐項(xiàng)目的同時(shí)申報(bào)、聯(lián)合評(píng)審等新的項(xiàng)目管理合作模式，提高中歐聯(lián)合資助機(jī)制的執(zhí)行效率，簡(jiǎn)化合作項(xiàng)目申請(qǐng)、管理行政流程。

圖1

4 三個(gè)課題組研究過程的片段

4.1 課題一:日常生活中自動(dòng)控制的調(diào)研

研究背景：由于我校DIS實(shí)驗(yàn)室有比較完備的自動(dòng)模塊實(shí)驗(yàn)裝置，所以本組學(xué)生最初研究的方向定為結(jié)合邏輯電路知識(shí)向其他同學(xué)詳細(xì)展示門電路的簡(jiǎn)單應(yīng)用.教師提出了兩點(diǎn)建議：作為研究課題，如此立意略顯單薄和缺乏深度；能否拉近研究課題與日常生活的距離.經(jīng)過小組成員的進(jìn)一步研究，他們決定從與自己日常生活息息相關(guān)的實(shí)例出發(fā)，對(duì)課題進(jìn)行調(diào)整，最后確定為日常生活中自動(dòng)控制的調(diào)研，并分為防盜系列和防爆防火系列.

防爆、防火系列成果展示

片斷1：展示搜集到的煤氣爆炸和火災(zāi)資料——新近發(fā)生的黑龍江的幾起煤氣爆炸，傷亡人數(shù)、財(cái)產(chǎn)損失非常之大.據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年截至10月20日，昆明市共發(fā)生火災(zāi)1415起，傷亡人數(shù)和直接財(cái)產(chǎn)損失觸目驚心！

片斷2：展示家用煤氣報(bào)警器(圖2)的工作原理.電源指示燈為綠燈，左邊是一個(gè)聞煤氣味道的傳感器，用打火機(jī)代替煤氣灶可以產(chǎn)生煤氣.當(dāng)聞到煤氣味道時(shí)，紅燈變亮，過20 s，里面安裝的蜂鳴器開始呼叫;再過20 s，呼叫停止.

實(shí)驗(yàn)室里沒有煤氣報(bào)警器，學(xué)生在研究過程中發(fā)現(xiàn)有必要讓同學(xué)們認(rèn)識(shí)它，并借此機(jī)會(huì)進(jìn)行推廣，因此向老師提出購買的請(qǐng)求.圖3為教師和小組成員在研究報(bào)警器的使用情況.

圖2

圖3

點(diǎn)評(píng)：本課題組的同學(xué)非常善于觀察生活，也很關(guān)注科學(xué).學(xué)生運(yùn)用學(xué)習(xí)過的邏輯電路的知識(shí)和我校DIS實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)儀器為大家展示了如何防盜、防煤氣爆炸、防火災(zāi)，給了我們一個(gè)啟示——可以通過科學(xué)技術(shù)手段保護(hù)自己的財(cái)產(chǎn)和生命安全.教師不失時(shí)機(jī)地對(duì)學(xué)生進(jìn)行了“安全教育和珍視生命教育”.

4.2 課題二：簡(jiǎn)易機(jī)器人的研制和成果交流展示

研究背景：本課題組成員是我校智能機(jī)器人社團(tuán)的隊(duì)員，對(duì)機(jī)器人的了解比較全面，操作能力非常強(qiáng).學(xué)生提出可以發(fā)揮他們的優(yōu)勢(shì)和特長(zhǎng)，研制幾臺(tái)簡(jiǎn)易的機(jī)器人.由于工程規(guī)模較大，因此決定分組行動(dòng).

當(dāng)教師問及課題組研究有何意義時(shí)，學(xué)生自豪地說：機(jī)器人籃球比賽、籃球陪練和姚明比比誰投籃準(zhǔn)確……

圖4 投籃機(jī)器人

圖5

片斷2：展示最初的設(shè)計(jì)——原機(jī)器人不是投籃而是扣籃，這個(gè)問題是教師最先發(fā)現(xiàn)的.她建議我們采用物理方法加以改裝.我們將機(jī)器手臂加長(zhǎng)，并且在前面固定了一個(gè)板，可以減小它的轉(zhuǎn)動(dòng)角度.最初編的程序是想讓機(jī)器人在操場(chǎng)上跑動(dòng)，遇到黑線停下來投籃.因?yàn)榛@球場(chǎng)非常大，不僅難操作，在編程方面也存在困難.這時(shí)老師向?qū)W生建議，只要能夠達(dá)到投籃的目的即可，才有了現(xiàn)在看到的成果.

教師要求學(xué)生在成果展示時(shí)，不是簡(jiǎn)單地展現(xiàn)他們的最終成果，也要展現(xiàn)和總結(jié)他們從失敗走向成功的經(jīng)歷，這一點(diǎn)正是新課程所提倡的.

片斷3：教師在本組研究成果展示結(jié)束時(shí)，請(qǐng)其他同學(xué)談?wù)勛约旱母邢?

生甲：我覺得他們很能干，也很能鉆研.這在平時(shí)的學(xué)習(xí)過程中，是我卻沒有注意到的，是我學(xué)習(xí)的榜樣.

生乙：美國和日本的機(jī)器人已經(jīng)很發(fā)達(dá)了，而我們國家的機(jī)器人才剛剛起步，但是我看到同學(xué)們都可以研制和他們?cè)硐嗨频臋C(jī)器人，我覺得中國的機(jī)器人會(huì)發(fā)展得更快、更高、更強(qiáng).

點(diǎn)評(píng)：我們看到了最終成果，也看到了中間產(chǎn)品,不是很完美但很真實(shí).體現(xiàn)了他們實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，以及對(duì)科學(xué)的孜孜以求的執(zhí)著精神.另外，也看到課題組二為什么分小組分做.充分體現(xiàn)了他們?cè)谘兄七^程中分工合作.因?yàn)橐粋€(gè)人或少數(shù)幾個(gè)人來研制怕很難.所以，充分體現(xiàn)了一種團(tuán)隊(duì)合作精神，這正是我們要培養(yǎng)的一種能力，因?yàn)樵诮窈蟮膶W(xué)習(xí)和工作中我們一定會(huì)遇到.

在課堂教學(xué)的最后時(shí)段，教師播放了我國十運(yùn)會(huì)開幕式的盛況——伴隨著雄壯的歌聲，機(jī)器人點(diǎn)燃了圣火，并提出問題：為什么不用人而用機(jī)器人點(diǎn)火？在短暫的分組討論后，每組選一位代表談?wù)効捶?

生丙：顯示了中國的實(shí)力，也是體現(xiàn)了一種科教興國的理念.

生?。罕憩F(xiàn)了我國機(jī)器人發(fā)展的水平，讓外國人看看.

生戊：十運(yùn)會(huì)的目標(biāo)是更快、更高、更強(qiáng)，用機(jī)器人也預(yù)示著我們國家的機(jī)器人發(fā)展會(huì)朝著這個(gè)方向全速前進(jìn).

生己：是我們國家實(shí)力的證明，我相信我們的祖國在不久的將來，會(huì)成為科技強(qiáng)國.

教師：大家說得非常好.有了我們每一位同學(xué)對(duì)科學(xué)的這種興趣，對(duì)學(xué)科學(xué)的這種熱情和對(duì)國家民族發(fā)展的使命感和責(zé)任感，科教興國政策一定會(huì)貫徹落實(shí)好，實(shí)現(xiàn)振興中華的偉大藍(lán)圖.