校外機(jī)器人活動與學(xué)科課程整合教學(xué)初探

張超 謝鵬 李彥超

【摘要】機(jī)器人活動是當(dāng)前學(xué)生科技活動的熱點(diǎn)。把校外單位開展機(jī)器人教育活動帶入校內(nèi)，在北京多所中小學(xué)開展了機(jī)器人活動積累了一些經(jīng)驗(yàn)。分析機(jī)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(jī)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(jī)器人活動 學(xué)科教學(xué) 課程整合

機(jī)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(qiáng)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(jī)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(jī)器人手段解決問題。

一、機(jī)器人教育的現(xiàn)狀

中小學(xué)機(jī)器人教育一般通過工程結(jié)構(gòu)搭建組裝機(jī)器人，計算機(jī)編程來控制機(jī)器人。在教學(xué)中運(yùn)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(tuán)隊協(xié)作能力。校內(nèi)校外單位，社會培訓(xùn)機(jī)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(jī)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(jī)器人競賽開展在初期確實(shí)加速了中小學(xué)機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人課程，重視技術(shù)和知識與機(jī)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(jìn)機(jī)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(diǎn)，激發(fā)學(xué)習(xí)機(jī)器人興趣

校外不像校內(nèi)有專業(yè)機(jī)構(gòu)開發(fā)的規(guī)范教材，但校外機(jī)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(jī)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(diǎn)?；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(jī)器人有相關(guān)性，自己學(xué)的課本知識有用武之地。從而實(shí)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(shí)踐設(shè)計制作機(jī)器人，并為機(jī)器人編寫程序，解決實(shí)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(jī)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(jī)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(jī)械臂時，可引導(dǎo)學(xué)生觀看機(jī)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(jī)械臂設(shè)計的細(xì)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(yùn)算，讓學(xué)生實(shí)際操作變量的加減乘除，讓學(xué)生對變量的寫入讀取運(yùn)算有更直觀的認(rèn)識。

三、校內(nèi)外共同挖掘機(jī)器人活動中的知識，充實(shí)學(xué)科課程資源

在機(jī)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(jī)器人應(yīng)該是一種玩具，所以我想打破傳統(tǒng)對機(jī)器人項目的理解，通過活動把機(jī)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(jī)器人活動方案或展演，幫助校內(nèi)學(xué)科教師了解機(jī)器人。然后校內(nèi)外教師面對面地坐下來，悉心研究、認(rèn)真探討，找到機(jī)器人與學(xué)科課程的最佳契合點(diǎn)，讓機(jī)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(diǎn)提出機(jī)器人的解決方案。進(jìn)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(yùn)用機(jī)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(jī)器人程序利用ph值傳感器，記錄酸堿中和實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jī)器人去解決生活的問題，給他們機(jī)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(jī)器人小車丈量操場的寬度。也可以制作一臺機(jī)器人走迷宮，利用傳感器測量距離。也可以幫助組織機(jī)器人興趣小組活動，達(dá)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(shí)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(jī)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?shí)驗(yàn)，讓科學(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(jìn)了對科學(xué)的熱愛，體會到了課本所學(xué)知識的實(shí)用性，活動也最大限度解放學(xué)生的思維，完全保護(hù)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(jìn)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(rèn)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(jī)器人，了解摩擦對于機(jī)器人爬坡的重要性并加以利用，了解齒輪傳動比對馬達(dá)輸出的影響。

2.過程與方法。學(xué)生通過聽講獲得間接認(rèn)識，通過動手操作獲得直接認(rèn)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(jìn)行學(xué)習(xí)。通過動手實(shí)踐，檢查設(shè)計方案、反復(fù)實(shí)驗(yàn)、反思完善來制作機(jī)器人。

3.情感態(tài)度與價值觀。激勵學(xué)生根據(jù)事實(shí)大膽設(shè)想、大膽嘗試去用機(jī)器人手段解決實(shí)際問題積極思考。讓學(xué)生體驗(yàn)理論來源于實(shí)踐，又指導(dǎo)實(shí)踐是科學(xué)研究的必經(jīng)過程。養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科研作風(fēng)，鍛煉細(xì)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(shí)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(jī)器人。并且在機(jī)器人爬到坡頂時要求機(jī)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(jī)器人動力輸出結(jié)構(gòu)，輪式機(jī)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(jī)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(jī)器人，看看能否爬上陡坡。

2.分析任務(wù)。拿到機(jī)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(rèn)為你的機(jī)器人完成此任務(wù)的難點(diǎn)在哪里？機(jī)器人不同的齒輪傳動組合，各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。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(diǎn)。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(jī)下載程序，并運(yùn)行測試完成搭建和編程的小組到場地進(jìn)行試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)記錄表：（1）我們的預(yù)測;（2）我們想要這樣試驗(yàn);（3）試驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試時，教師以引導(dǎo)學(xué)生觀察記錄為指導(dǎo)要點(diǎn)，讓學(xué)生學(xué)會記錄搜集數(shù)據(jù)，嘗試進(jìn)行分析，以便學(xué)生間的交流，和作為歸納結(jié)論的事實(shí)依據(jù)。學(xué)生進(jìn)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(shí)驗(yàn)引入，并以實(shí)驗(yàn)的揭秘為主線貫穿全課。在學(xué)生認(rèn)識齒輪的前提下，選擇學(xué)生感興趣的問題進(jìn)行研究。通過小組討論完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終通過討論和教師的引導(dǎo)結(jié)論。機(jī)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(dá)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(jī)器人爬坡的能力，則可直接提供相關(guān)模型的機(jī)器人，讓學(xué)生進(jìn)行爬坡測試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)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(jī)器人的影響。

五、總結(jié)

當(dāng)然，由于機(jī)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(jìn)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(jī)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(yuǎn)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(shí)現(xiàn)互利互惠，平時注重以機(jī)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(jī)器人教學(xué)進(jìn)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(shí)踐中不斷探討積累，共同促進(jìn)學(xué)生發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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