构建“中学机器人校本课程”的实践研究
高山
摘要：机器人技术是一门综合学科，它包含数学、物理、电子、编程、机械等各种技术。在中小学机器人教学中，鼓励学生大胆想象，运用不同的方法和理念去解决生活中的实际问题，从而培养学生的计算思维和创新思维，提升其科学精神。文章详细讲述了学校机器人教育开展的课程框架模式、课程设置、课程实施，构建了中小学机器人教育体系，从课堂教学和课外活动两个维度阐明了两者的关系和相互作用，为学校进行机器人科技教育提供了充分的理论和实践基础，对学校机器人教育普及和创新人才培养有一定的参考作用。
关键词：中小学机器人普及教育;科学精神;机器人校本课程;机器人社团
中图分类号： G433 ? ? ? 文献标志码：B ? ? ? ? ?文章编号：1673-8454（2020）06-0035-04
2016年9月发布的《中国学生发展核心素养》指出，要以培养“全面发展的人”为核心，核心素养中包括创新实践和科学精神。科技的发展要从科技教育入手，要从娃娃学起，机器人教育可以让学生获得科学、技术、工程和数学等方面的知识，同时培养学生的创新精神、动手能力、编程能力和团队合作能力。中小学机器人教育落地到中小学校课程当中还存在不少问题，课程如何开展？教学内容如何设置？笔者根据多年教学经验，对校内机器人课程设置、课程内容、课程评价等方面进行了深入的探索和研究。
一、中小学机器人教育的现状和问题
机器人课程作为科技教育的重要内容，可以让学生综合学习科学、技术、工程和数学等各学科的知识，并在此过程中培养其创新与实践能力、计算思维能力和协作能力。《普通高中通用技术课程标准（2017年版）》指出，“机器人设计与制作”是选择性必修课程，高中学生可以选修这门课程。但我国目前还没有统一设定的中小学机器人课程标准。
目前，我国的中小学机器人教育普遍还停留在课外教育阶段，即以课外活动的形式开展机器人教育教学活动，目前主要有以下特点：①学生受众面小。机器人课程大都是在课外时间开展，学习的学生较少。②学校没有形成课程体系。机器人课程以竞赛活动为主，没有形成系统的、循序渐进的课程体系。③机器人教育评价方式单一。主要以竞赛成绩为评价依据，忽略了学生学习过程和个体发展。
二、以学生为主体的机器人课程模式
基础教育阶段，学校应将科技教育同艺术、体育一样作为培养学生全面发展的重要内容。具体到机器人课程中，教师可将学生使用机器人技术解决生活中问题的能力提升作为教学目标贯穿整个课程设计之中。
1.课程目标
机器人课程教学设计的目标为：①基于学生发展核心素养的要求，培养学生创新与实践的能力。学会分析问题、解决问题，将自己的想法转变为现实。②《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》提出，培养学生计算思维。通过编写程序解决机器人制作中的问题。③提升学生的科学精神。通过机器人课程让所有学生都感受科技带给生活、带给自己的改变，以机器人课程推动拔尖创新人才的培养！
2.机器人课程实施设计框架
根据学校的科技教育教学特点，我们可以通过课上教育与课下教育相结合的方式建设多元化课程体系。笔者认为，中小学校的机器人课程体系可以分为机器人普及性课程、机器人社团课程、机器人研究性学习课程三种类型在学校开设：在课上，全体学生学习机器人普及性课程，培养所有学生的创新与实践能力，提升其科学素养。在课下，通过机器人研究性学习活动和机器人社团活动，培养拔尖创新的学生开展进一步的机器人研究和制作，从而将机器人普及化教育推向创新人才培养的拔尖教育。
机器人普及课程的内容可选择学习乐高机器人或者开源硬件，学生通过课程学习基础的机器人单片机原理知识、机械结构和程序设计;机器人社团的课程是学习机器人竞赛课程，如VEX机器人竞赛课程，学生通过制作竞赛机器人，深入学习竞赛机器人的制作技术并参加全国机器人竞赛;机器人研究性学习课程是以小组学习的形式，由学生自发提出问题，在教师的引导下制作机器人，通过學生自主研究解决机器人制作问题的课程。
这三种课程是相互联系、相互促进的。其中，机器人普及课程要面向全体学生，是课程体系的基础和保证;机器人社团课程是培养拔尖学生，并参与各种机器人竞赛，是课程体系的发展和亮点;机器人研究性学习课程主要面向对机器人有兴趣的学生，是课程体系的有力补充。
三、机器人课程设置
机器人技术是一门综合学科，它包含数学、物理、电子、编程、机械等各种技术，机器人课程鼓励学生大胆想象创新，运用不同的方法和理念去解决生活中的实际问题，从而培养学生的计算思维和创新思维，提升其科学精神。
1.落实普及课程，开展特色教育
信息时代，科技全面发展，对青少年的未来发展提出了更高的要求，中小学校要应对时代发展的需求，全面培养中小学生的动手与实践能力、程序设计与计算思维能力、勇于创新与解决问题的能力。在中小学阶段，科技教育开展应该面向每一个学生，机器人课程作为科技教育的重要组成内容，它并不只是针对少数优秀学生的课程，而应让每一名学生去学习和参与，因此机器人课程首先要实现校内普及化。
什么是普及课程？它体现在两个方面 ，一是要面向全体学生开设课程，二是每周要有固定的教学课时进行授课。在普及课程内容方面，我们要根据学校机器人教育教学情况，采用适合本地区学情的教程。笔者认为，乐高机器人课程比较适合中小学校进行机器人教育教学工作：①乐高机器人的学习可以锻炼学生的动手能力与编程能力，也能够培养学生的科学精神、技术能力以及数学能力。②乐高EV3机器人是乐高最新推出的智能机器人套装，它使用积木进行搭建，简单易学，能够用它搭建出复杂的机械结构。并且乐高机器人使用图形化的编程方式，对于机器人初学者来说是一个非常不错的学习平台。
笔者根据北京市第二中学的实际情况编写的乐高EV3机器人教学校本教程如图1和图2所示。该乐高教程共有10课，教学内容从结构设计到程序编写，由浅入深。在教程中鼓励学生去想象、思考，从而建构出自己的机器人。并且告知学生机器人的制作不是一蹴而就的，需要不断的优化与实践。因此，在教程中特别设立了“优化与改进”一项，使得每一课中制作的机器人都是通过逐步改进才最终达到理想状况的。每一课都有问题的讨论与作业的设置，让学生主动学习、主动探究是笔者在本课程中一直坚持的教学理念。
在机器人教学中，教师应将教程与机器人平台紧密地联系起来，使用机器人平台完成每节课的教学目标，机器人教程有以下几方面的特征：以机器人作为授课平台，以项目式学习进行课堂教学，课程中体现探究学习和合作学习，鼓励学生想象与创新。
在课程内容上，机器人教育主要让学生掌握机械结构的知识，理解单片机和传感器的原理及使用，能够自主编写程序控制机器人完成各种任务。因此，机器人普及课程应从机械结构、单片机与传感器以及程序设计三方面内容进行整体设计，如表1所示，由浅入深，以基于项目式的教学方法循环渐进地开展教学。
在教学方式上，每节课基于一个项目主题，通过项目的制作学习机器人相关的知识，学习方式不是被动地接受，而是主动探究，通过项目的制作学生主动建构知识。通过这种方式获得的知识，学生更容易理解和记忆。如图3中制作的乐高机器人作品“门”，学生通过门的制作学习乐高零件的使用，学习连杆结构的应用;如图4中制作的乐高机器人作品“马”，学生通过马的制作学习直流电机的原理以及齿轮传动的结构。
项目式学习突出学生的主体地位，教师在教学过程中主要起到引导作用，把握教学过程和教学方向。以“门”的制作为例，这是机器人学习的初始课程，课程以生活中的门引入，让学生仔细观察门的组成结构与部件，使用乐高零件制作门的结构，然后教师引导学生继续制作门锁。门锁是本节课的重点，学生在机器人制作的过程中发现问题、探究问题，实践检验，最后完成门锁的制作。通过这一系列的学习过程，提高学生解决问题的能力，培养其创新与实践的能力。
实践证明，乐高课程适合中小学生或者机器人初学者学习。在学习完课程内容后，学生能够基本掌握乐高机器人的搭建技巧以及程序编写的方法，自主搭建属于自己的机器人。
2.鼓励学生自主探究，开展研究性学习课程
机器人研究性学习课程是机器人课程体系的有利补充，研究性学习活动通常是基于问题展开的，学生以小组协作的形式进行学习、探究，最后解决问题。通常机器人研究性学习课程通过三个步骤去实现：确定研究课题、课题制作和研究成果。
（1）确定研究课题
研究题目的确定十分重要，我们可以从学生生活中遇到的实际问题出发，确定主题，并通过制作机器人去解决问题。以“蓝牙车锁”为例，问题的由来是因为一名学生在放学后总是找不到自己的自行车，因此他想制作一款蓝牙车锁，可以通过蓝牙控制车锁发光、发声，这样他就可以方便地找到自己的自行车，并且可以远程开锁。在确定研究题目后，教师要引导学生撰写开题报告，开题报告要从工具、时间、可行性等方面论证研究项目的可操作性。
（2）课题制作
在研究性课题确定后，根据研究时间和研究计划开始展开机器人的制作。学生通过机器人搭建、机器人编程，最终解决研究性课题中的问题。作品制作的时间一般在1-2个月左右，以”蓝牙車锁“为例，学生制作了乐高自行车和涡轮结构的车锁，使用图形化语言进行蓝牙程序的编写，经过调试完成蓝牙车锁的制作。图5、6展示的是学生制作完成的蓝牙自行车锁。
机器人制作在研究性学习中占用的时间较多，只有让学生充分掌握了简易机器人的制作，才可以提高课题作品的制作效率，缩短机器人制作的时间，从而确保研究性学习课题的顺利完成与结题。
（3）研究成果
机器人研究性学习是以解决问题为出发点，制作能解决生活中实际问题的机器人，以“蓝牙车锁”为例，研究成果是蓝牙车锁的实物模型和研究论文，主要包括研究背景、研究摘要、研究内容、创新点、讨论、结论6个部分的内容。表2是北京二中教师近几年辅导学生的研究课题及研究成果。
3.培养拔尖创新人才，开展机器人社团课程
机器人社团课程主要利用学生的课外时间，每周开展一次活动，它就像一个小班级一样，里面有社团的规章制度，学生推选社长、宣传委员、生活委员等去协助教师更好地对社团进行管理。机器人社团活动的学生主要从机器人普及课程中选拔。在普及课程中，学生能够初步了解机器人的各种知识，掌握与机器人制作相关的基本技能。教师则可以在课堂教学中发现“科技新苗”，在社团中重点培养这些有特长的学生，学生在社团活动中可以充分发挥自己的想象力，完成各种创意机器人的设计和制作。其开展形式包括机器人竞赛活动、高校专家讲座、学生科技展示活动等，主要师资力量有学校专职教师、高校专家顾问、科技企业技术顾问等。
四、以学生为主体的评价量规
为保障学生的学习效果，机器人课程教学需要制定详细的量化标准，教师不但在教学过程中对学生给予关注和指导，而且要根据作品评价标准给出学生该课程的成绩。表3是机器人课程的评价量规。
学生项目完成的成绩=机械结构（20%）+程序编写（20%）+功能实现（20%）+实用（20%）+美观（20%），最后的百分制成绩即是每个学生的量化成绩。
五、研究结论
学校开展机器人课程要实现课程的普及化教育和拔尖创新教育，二者是相互联系、相互促进的，两种教育形式缺一不可，如果只有普及化教育，会使学校缺少竞争力和特色;如果只有拔尖创新教育，而没有普及化教育，虽然学校可以在短时间内获得竞赛成绩，但基础不牢固，就像摇摇欲坠的高楼一样，有可能随时坍塌。
引入机器人教育必将给中小学校科技教育加入新的科技“土壤”，成为培养学生创新能力和信息素养的优秀平台。将机器人教育教学活动作为重要的科技教育元素注入到学校文化当中，丰富学校的科技教育活动，从而实现学生的全面发展和个性化发展。让每一位学生学习机器人课程知识，培养学生创新与实践的能力，提升其科学精神，同时推动拔尖创新人才的培养。
参考文献：
[1]一帆.《中国学生发展核心素养》总体框架正式发布[J].教育测量与评价，2016（9）：33-34.
（编辑：鲁利瑞）
