☆鐘志強(qiáng) 張毅寧

（鞍山師范學(xué)院物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧鞍山 114007）

據(jù)教育部《中小學(xué)信息技術(shù)課程指導(dǎo)綱要（試行）》（教基[2000]35號），中國教育學(xué)會(huì)中小學(xué)信息技術(shù)教育專業(yè)委員會(huì)《中小學(xué)信息技術(shù)課程指導(dǎo)綱要（試行）》解讀，《中小學(xué)機(jī)器人課程指導(dǎo)綱要（征求意見稿）》（2004年12月）國內(nèi)專家學(xué)者有關(guān)研究，經(jīng)鞍山市中小學(xué)生機(jī)器人教學(xué)調(diào)研，鞍山師范學(xué)院2012校級科研項(xiàng)目之《鞍山市中小學(xué)生機(jī)器人教育問題與對策》課題組認(rèn)為：人工智能技術(shù)是信息技術(shù)發(fā)展的一次重大飛躍，信息技術(shù)教育未來發(fā)展的趨勢必然是向機(jī)器人教育重心轉(zhuǎn)移。人工智能機(jī)器人教學(xué)集中承載著中小學(xué)信息技術(shù)教育的諸多核心價(jià)值，是全面培養(yǎng)學(xué)生信息素質(zhì)、提高其創(chuàng)新精神和綜合實(shí)踐能力的良好載體。中小學(xué)機(jī)器人教育是以現(xiàn)有教育機(jī)器人產(chǎn)品的程序設(shè)計(jì)為核心，以培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維為主線，通過研究性學(xué)習(xí)的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，完成多學(xué)科教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，最終實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)創(chuàng)新人才教學(xué)目標(biāo)。課題組初步確定其研究成果之課程體系的課程性質(zhì)、目標(biāo)、對象、內(nèi)容。誠咨國內(nèi)同仁、中小學(xué)機(jī)器人教育一線教師意見。

一、課程性質(zhì)

事物的性質(zhì)是事物本身所具有的與他事物不同的外部特征，也是反映與其他事物間存在各種關(guān)系的事物的各種屬性和把這種事物與其他事物區(qū)別開來的本質(zhì)屬性[1]。課程性質(zhì)是指該課程表現(xiàn)的課程內(nèi)容的基本狀況，反映其所在學(xué)科體系的位置或作用，是與其他課程區(qū)別的本質(zhì)特征。

中小學(xué)機(jī)器人教育與大學(xué)機(jī)器人教育區(qū)別較大。大學(xué)機(jī)器人教育列入了人工智能、自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)的課程之中。機(jī)器人學(xué)科教學(xué)是指把機(jī)器人學(xué)看成是一門科學(xué)，其內(nèi)容涉及機(jī)器人學(xué)的概況、數(shù)理基礎(chǔ)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、位置和力控制、高級控制、傳感器、高層規(guī)劃、軌跡規(guī)劃、程序設(shè)計(jì)等內(nèi)容[2]。

當(dāng)前，信息技術(shù)、通用技術(shù)、綜合實(shí)踐等課程已經(jīng)是我國中小學(xué)教育的重要組成部分，但在課程內(nèi)容的選取上，明顯缺乏前瞻性和有效培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和綜合實(shí)踐能力的針對性（2008,郭善渡）。例如：目前中小學(xué)各學(xué)段的信息技術(shù)課程，絕大部分內(nèi)容是Office等應(yīng)用軟件的使用。有人譏諷這是在為微軟公司辦培訓(xùn)班，背離了基礎(chǔ)教育的宗旨。中小學(xué)機(jī)器人教育課程的核心是智能技術(shù)，其外延則涵蓋了機(jī)械制造、電子通訊、生物仿真等多個(gè)學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。從信息技術(shù)的內(nèi)涵講，應(yīng)主要包括傳感技術(shù)、程序設(shè)計(jì)等方面。

二、課程目標(biāo)

中小學(xué)機(jī)器人教育課程是為了進(jìn)一步落實(shí)信息技術(shù)教育的選修課程，以培養(yǎng)學(xué)生良好的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為主要目標(biāo)。機(jī)器人教育以培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維為主線，以綜合性、實(shí)踐性和探究性為學(xué)習(xí)特征。不要求學(xué)生立刻參加各種機(jī)器人競技大賽和將來投身機(jī)器人開發(fā)行業(yè)，而是培養(yǎng)學(xué)生對智能機(jī)器人的興趣，讓學(xué)生了解和掌握以智能機(jī)器人為載體的通用技術(shù)與信息技術(shù)的基本知識和技能，了解技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用對人類生活和科學(xué)的深刻影響。還要使學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用信息技術(shù)增進(jìn)交流與合作，拓展視野，形成解決實(shí)際問題的能力和終身學(xué)習(xí)的能力[3]。

三、教學(xué)對象

機(jī)器人教育教學(xué)對象是對機(jī)器人制作感興趣的四年級開始的小學(xué)生、初中生。不同階段的學(xué)生，其認(rèn)知水平不同，要實(shí)施機(jī)器人教育，必須根據(jù)不同階段的學(xué)生分析其認(rèn)知發(fā)展規(guī)律。著名的兒童教育學(xué)家和心理學(xué)家皮亞杰認(rèn)為[4]：兒童的認(rèn)知是由他自身與外部世界不斷地相互作用而逐漸形成的一種結(jié)構(gòu)。以運(yùn)演（operation）作為標(biāo)志，可以把兒童的認(rèn)知發(fā)展過程劃分為四個(gè)階段。感知運(yùn)動(dòng)階段（0至2歲），前運(yùn)演階段（2至6歲），具體運(yùn)演階段(7至11歲)，形式運(yùn)演階段（11／12進(jìn)入）。運(yùn)演并非指形式邏輯中的運(yùn)演和一般數(shù)學(xué)上的運(yùn)演，而是指心理運(yùn)演，即指對表象、概念等符號表征系統(tǒng)在心理上進(jìn)行的、內(nèi)化了的操作。

小學(xué)三年級前，由于兒童認(rèn)知發(fā)展在具體運(yùn)演階段，心理操作已有可逆性與守恒性，但還離不開具體事物的支持,心理操作的內(nèi)容與形式還不能分開,尚處于低級的階段。所以，不建議開設(shè)機(jī)器人教育課程。小學(xué)三年級后（一般都在10歲后），兒童認(rèn)知在形式運(yùn)演階段，心理操作已經(jīng)脫離具體事物的束縛,內(nèi)容與形式之間已完全區(qū)分,運(yùn)演已達(dá)到可以通過命題和假設(shè)來進(jìn)行的高級階段。此時(shí)，開設(shè)機(jī)器人教育課程合乎學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平。

機(jī)器人課程教學(xué)對象不特別針對智力超常生，愛好特長生，沒有學(xué)校學(xué)習(xí)成績限制。學(xué)習(xí)成績會(huì)影響課程內(nèi)容學(xué)習(xí)速度，不會(huì)影響學(xué)習(xí)的發(fā)生和最終結(jié)果。

四、教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容

1.小學(xué)階段（四年級開設(shè)）教學(xué)目標(biāo)

（1）了解機(jī)器人的應(yīng)用，學(xué)習(xí)簡易機(jī)器人的組裝，培養(yǎng)學(xué)習(xí)使用機(jī)器人的興趣。

（2）了解機(jī)器人的基本工作原理，學(xué)習(xí)各種機(jī)械傳動(dòng)裝置、常見傳感器和通訊方式的基礎(chǔ)知識和使用技能。

（3）掌握機(jī)器人運(yùn)動(dòng)相關(guān)數(shù)學(xué)知識。如：角度分類與測量，基本幾何圖形的性質(zhì)等。拓展形象思維和直覺思維訓(xùn)練。

（4）初步掌握學(xué)習(xí)圖形化編程語言。如：會(huì)編寫具有變量、函數(shù)、循環(huán)和判斷語句的簡單程序指揮機(jī)器人做預(yù)定的動(dòng)作。培養(yǎng)邏輯思維能力。

（5）在學(xué)習(xí)和使用智能機(jī)器人時(shí)學(xué)會(huì)與他人合作，遵守游戲規(guī)則。

（6）在教師的指導(dǎo)下，自行開發(fā)簡單機(jī)器人程序。培養(yǎng)創(chuàng)新意識。

2.小學(xué)階段教學(xué)內(nèi)容

小學(xué)階段機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容納入信息技術(shù)或綜合實(shí)踐課，可使用 20～40學(xué)時(shí)；使用 LEGO＿M(jìn)INDSTORM＿NXT教學(xué)機(jī)器人并利用MINDSTORM＿NXT圖形化編程語言實(shí)現(xiàn)以下教學(xué)內(nèi)容。機(jī)器人小車搭建查看其使用說明。具體內(nèi)容如表1。

表1 小學(xué)階段機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容

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3.中學(xué)階段（初中）教學(xué)目標(biāo)

（1）了解智能機(jī)器人的發(fā)展變化及其對工作和社會(huì)的影響。

（2）掌握機(jī)械傳動(dòng)裝置、常見傳感器和通訊方式的協(xié)同工作的方法；初步了解機(jī)器人多機(jī)協(xié)同工作的工作原理。

（3）能夠綜合運(yùn)用與機(jī)器人完成任務(wù)相關(guān)的物理學(xué)知識。如：力，速度，距離，摩擦力，慣性，杠桿等。加強(qiáng)邏輯思維培養(yǎng)。

（4）初步掌握代碼語言（java或c語言）基本原理和過程，會(huì)編寫簡單語言程序指揮機(jī)器人做預(yù)定的動(dòng)作。

（5）在合作學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，能夠獨(dú)立查閱相關(guān)資料結(jié)合任務(wù)完成研究性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。

4.中學(xué)階段教學(xué)內(nèi)容

中學(xué)階段機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容納入信息技術(shù)或綜合實(shí)踐課，可使用 20～40學(xué)時(shí)；使用 LEGO＿M(jìn)INDSTORM＿NXT教學(xué)機(jī)器人，并以LeJOS NXJ編程語言為主完成教學(xué)內(nèi)容。機(jī)器人小車搭建查看其使用說明。具體內(nèi)容如表2。

表2 中學(xué)階段機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容

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以上二個(gè)階段共二十個(gè)模塊層級遞進(jìn)，綜合考慮學(xué)生的心智發(fā)展和其它學(xué)科學(xué)習(xí)狀況，在教學(xué)知識體系和操作方法上設(shè)計(jì)前后有序。教學(xué)題目由教師演示，并由學(xué)生模仿完成；教學(xué)作業(yè)與同主題教學(xué)目標(biāo)知識認(rèn)識水平相當(dāng)。在教師幫助提示下，盡可能經(jīng)學(xué)生自主研究完成；備用教案使用目的是根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)速度調(diào)整學(xué)習(xí)內(nèi)容,并且開闊機(jī)器人對應(yīng)模塊技術(shù)運(yùn)用眼界?？紤]學(xué)習(xí)的器材供應(yīng)量和學(xué)生學(xué)習(xí)的速度亦可適當(dāng)延長課時(shí)。

五、下一步工作

目前，中小學(xué)機(jī)器人教育的開展,在一定程度上是由教育機(jī)器人企業(yè)在推動(dòng)。雖然企業(yè)為此做出的貢獻(xiàn)應(yīng)當(dāng)予以肯定,但隨著機(jī)器人教育的逐漸深入與普及,目前亟需教育行政部門、教學(xué)研究機(jī)構(gòu)給予充分的關(guān)注、協(xié)調(diào)與引導(dǎo)，并加強(qiáng)校本課程建設(shè)和自身師資力量的培養(yǎng)[5]。本次研究力求明晰課程目標(biāo)，完善教學(xué)內(nèi)容，其評價(jià)方式也在探討中。行經(jīng)實(shí)踐的檢驗(yàn)后教材的編寫、教學(xué)設(shè)計(jì)的探索也將接踵而來。機(jī)器人教學(xué)對學(xué)生學(xué)業(yè)水平的提高正在進(jìn)一步的分析論證。同時(shí)，師范院校機(jī)器人教學(xué)的課程培養(yǎng)方案也在籌劃和實(shí)驗(yàn)中。

[1]肖前.馬克思主義哲學(xué)原理[M].北京:中國人民大學(xué)出版社,2004.

[2]蔡自興.機(jī)器人學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2000.

[3]王曉蕪.智能機(jī)器人教育探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)新模式[N].中國教育報(bào),2010－06－18,(3).

[4]J.Piaget.The Principles of Genetic Epistemology[M].London:Rout ledge＆Kegan Paul Ltd,1972.

[5]張劍平,王益.機(jī)器人教育的現(xiàn)狀、問題與推進(jìn)策略[J].中國電化教育,2006,(12):65－68.