机器人教学在课程整合中的作用与实践

《机器人教学在课程整合中的作用与实践》 北京十二中学 郑剑春 2

机器人教学在课程整合中的作用与实践 教育部颁布的高中技术课程标准中，把“人工智能初步”和“简易机器人制作”设为技术领域的选修模块，意味着我国的人工智能和机器人教育在大众化、普及化层面上进入了一个新的阶段。自２０００年开始教育部组织的《中小学生电脑制作活动》将机器人比赛做为一个重要的组成内容，目前已经进行了第九届，九年来机器人教育日益受到了各级学校的重视，各省市都开展了机器人的教学工作，为提倡和促进机器人教育的发展，教育部每年都将全国机器人比赛成绩前几名的学生保送大学，今年已经将这一名额扩大到前四名、并将前八名学生给予高考加分奖励。虽然人工智能与机器人教育的一些相关问题尚有待进一步实践和研究，但是机器人进入校园并成为影响学生学习的一个重要平台、对学生的兴趣爱好产生了深远的影响。

1. 机器人进入教学是信息技术发展的必然结果 信息技术的发展使得信息教育不仅仅局限于计算机软硬件的学习，而且了包括计算机技术、通信技术、微电子技术和传感技术。以往的信息教学总会侧重于计算机教学，而对于通信技术、微电子技术和传感技术就难以进行深入的研究，而学生亦无动手实验的机会，无法体验计算机语言、程序的作用，从而加深印象获取一种从感性到理性的认识。 智能机器人是一种全新的综合教学平台，因其结构与功能涉及物理、机械、电子、传感、通信、以及语言程序各个领域，因而构成了一 3

个开放的多学科实验室，学生可以利用这一平台充分发挥想象力去设计各种智能装置，实现自己的创意。智能机器人走进信息技术课，不但为信息技术课的教学增添了新内容，同时也为信息技术课的教学模式和教学方法提供了创新的舞台。 以前C语言教学一直是信息课程序设计的难点，我们在教学实践中将Robotc选为高中机器人程序设计的控制软件，通过机器人学习程序设计，由于学生编写的程序能得到及时的验证和反馈，极大的激发了学生的学习积极性，使得计算机语言的学习不再枯燥无味，学习也就有了兴趣。 目前我国机器人教学已经历了近十年的探索和实践，作为信息技术教育的一种有效载体，机器人已从最初的简易机器人进入了多功能智能机器人的时期，在教学理念和实践探究上人们也有了更加明确的认识，结合教育改革的背景，培养学生的创新精神和综合实践能力已成为机器人教育的重要内容，发挥机器人在教学中的作用不仅有利于学生的身心和智力的发展，而且对于各学校校本课程的开发，研究创新活动的开展都有重要的意义。

2. 机器人教学与教育方式的变革 学习的过程是一个想像、创造、尝试和反思的过程，任何一个学科都要求学生发挥学习的主体作用，而实验、尝试、分享和交流是学生积累自信、形成自我评价与反思的重要环节。以传统的教学模式面对现在 4

所需的教育内容和教育对象都是不够的，不能为学生提供充分的发展空间、不能创造条件发现并培养学生的潜能。 以往物理实验过程是先由教师将实验设备准备好，讲清注意事项，由学生来验证某一物理定律。这样的过程学生参与少而且与科学发现的过程相违背，不利于学生探索精神、创新精神和创新能力的培养。 机器人进入课堂所带来的不仅是实验手段和教学方法的改进，更重要的是它带来了一种教育理念和人才培养方式的变革。与传统的教育方式相比，在新课程背景下教育更加提倡知识与技能、过程与方法、情感态度价值观的培养。 机器人拼装、编程、调试过程是一个十分复杂的过程，需要多人分工合作，合作过程也就需要同学之间进行有效地沟通、表达、取得共识的过程。这一过程培养了学生的独立思考、判断和动手能力。 学生学习机器人过程中会不断遇到新的困难，新的知识的挑战，如需要了解机器人单片机、传感器、驱动电路的性能和工作原理，掌握重心、摩擦力、光电效应、转动惯量等物理知识，掌握结构化的程序设计思想，掌握各种算法。这已不是传统的课堂教学所能满足的了，它必将带来教与学的变革。 机器人教学具有实践性强、探索性强和综合性强的特点，作为一个新的教育内容必然对教育方式有所要求，在学习过程中需要学生充分利用已有的知识，并不断自我拓展新的知识与能力，在老师引导下，从机器人的拼装、程序的编写到反复试验、调试都以学生为主，以目标驱动为指导的学习过程，要求不同知识水平的同学能够分工协作，共同完成 5

某一项目的工作，这一过程中学生会面对各种各样的问题，他们会在协作中学习交往，在交往中学会评价，在尝试中建立自信，在积累中懂得反思，在这个过程中教师只是指导者，在完成任务的整个过程中学生始终都处于主动地位，通过尝试、分享、合作、反思提高了学生的分析问题解决问题的能力，使学生成为了知识的建构者和主人。

3. 机器人对其它学科的影响 智能机器人是一个开放的实验室，具有开放性可扩展性，一些高质量的机器人已经具有了这样一种性质，不仅可以完成规定的任务，而且提供了再次开发的功能，通过教师和学生动手组装、设计可以改变其性能并完成不同任务。专家断言：目前智能机器人正在进行着一个PC化的过程，如同个人电脑的普及一样，机器人正在走进课堂和家庭。如何应对这样一个新的事物，更好的发挥其优势，正是每一学科教师应当思考的问题。教师对这一新事物的理解与接受不仅会影响自身专业的发展，如同PC和网络对教学内容和教育方式的冲击一样，机器人同样会影响现有的教育模式，从而影响学生对专业知识学习的兴趣。美国布莱德利大学Josiah D. Miller, Mike R. Hoehn, Dean J. Campbell根据X射线粉末衍射仪的操作原理，使用乐高积木来为学生搭建一个简单和安全的衍射仪。X射线衍射仪和乐高模型的原理相似，实验中使用比衍射仪中X射线更为安全的可见激光来进行模拟。 6

乐高积木搭建的简单和安全的衍射仪 借助智能机器人的平台一些中学开发了互联网远程实验室(eChemLab.net)，它融合了远程控制、自动化、P2P、人员安全优先等先进概念，通过Delphi 6.0构建的Win32程序直接控制CLI和RCX硬件，弥补了RoboLab在高端应用方面的不足，使得Lego硬件的性能得到完全发挥。简而言之，其用意在于使远程网络用户可以看到机器人所看、并实时控制其行动（同时支持预置程序编辑、控制）。 机器人具有开放和可扩展性，使得多种软件产品能与之兼容，并用于机器人程序的编写，如微软等公司已有一些产品可用于机器人的开发，用于乐高机器人控制的编程软件Robolab除了具有强大的编程功能以外，还具备数据采集的功能，为实验室提供了一个非常好的平台，利用这一平台以及将Labview引入的虚拟仪器用于实验，物理、生化等教学实验不仅具有更加直观的特点，而且强化了学生的动手能力，也促进了交叉学科的联系和发展。 7

利用乐高采集数据图示 在数学领域，利用模糊数学原理，设计和制造模糊控制智能机器人。应用模糊控制的原理能模拟人的经验和推理，对模糊性现象做出不同反应，在立体几何教学中，利用模型搭建的方法可以训练学生进行空间关系的思维能力。

利用乐高搭建的数学模型：八字结 八字结是一种绳结，可用于防止绳索脱离某一装置，因而对航海及攀岩十分重要。数学中的八字结是一有四个交叉点的特殊结。 8

利用乐高搭建的数学模型：克莱因瓶 克莱因瓶（Klein bottle）是指一种无定向性的平面，比如2维平面，就没有“内部”和“外部”之分。克莱因瓶最初的概念提出是由德国数学家菲利克斯·克莱因提出的。克莱因瓶和莫比乌斯带非常相像。

利用乐高搭建的数学模型：莫比乌斯带模型 莫比乌斯带（M?bius strip或者M?bius band），又译梅比斯环或麦比乌斯带，是一种拓扑学结构，它只有一个面（表面），和一个边界。它是由德国数学家、天文学家莫比乌斯（August Ferdinand M?bius）和约翰·李斯丁（Johhan Benedict Listing）在1858年独立发现的。 9

有些学校在物理教学中应用乐高平台，由学生搭建实验装置，进行如《机械能转换》《光能转换为动能》等实验。还有一些学校进行物理研究性学习等活动，如探讨能源的开发与合理利用，进行电磁场的研究等。这些都凸显了智能机器人在多学科领域的交融与创新功能，学生在这样一个平台上可以充分发挥创造性进行研究，由此可见，智能机器人的引入有利于科技创新活动的开展，而且可促进各学科相互渗透和交融。这一学科的特点随着机器人教研活动的开展正在更多的为人们所认识，并将其更多的应用于各学科的建设之中。如果我们仅仅将它视为一种学生活动、一种竞赛活动实质上是限制了机器人教学和科研的开展。

基于乐高的电磁学实验 机器人教学是教育改革的大势所趋，是信息化发展的要求，将机器人引入各学科教学不仅会带来教与学的变革，而且会促进学科的交融和创新。让学生通过动手参与实践这样一种有趣的活动，引发他们浓厚的学习兴趣及对科技的强烈爱好，不但使学生在自己的成长过程中有所收 10

益，而且在未来能使学生以自身的行为、思维习惯对社会的发展有所贡献。 智能机器人的出现已经影响了我们的课堂，影响了我们的学生。它已经不仅是一项信息技术的内容，而且会影响各学科的发展，每一学科教师都应了解机器人的工作原理，以及会因此对我们生活与工作带来的变革，寻找一种积极、互动、有效的教学方式，以及将教育与现实、未来发展相结合的教学渠道，与时俱进，将其引进到学科教学中去不仅可以改进我们的教学工作，而且会在学生的活动中更好地发现他们天才的潜能。 我们在机器人的教学中重视发挥各学科教师的整合作用，以机器人教学、科研为导向，联合了一些专家、学者开展了《机器人在各学科中科研和教学的研究》，极大的拓展了教研活动的内容，使得教师知识得以更新。在教学中一些教师已能利用机器人的特点改进传统的实验设计，从而获得更加直观、科学的实验效果。 在机器人教学中我们重在普及，使之成为信息技术教育的重要组成部分，这可以通过学校的选修课程来开展；在此基础上立足于科技创新，重视学生创新意识的培养，为他们提供实验的条件；重视交叉学科的相互渗透和融合，寻找与通用技术，物理实验、科研活动的相互支持与生长点，在多学科教师的参与下探索出具有学校特色的机器人教学活动和校本课程；同时积极参加了一些比赛和交流活动，开拓视野，为教师和学生提供交流和学习的平台。以教学为基础，创新为主体，建立成一个集教学、科技创新、比赛三位一体的教学模式并以此辐射和带动智能机