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中小学生机器人

发布时间:2014-04-10 17:57:39  

普通高中机器人创新教育课程基地建设方案设计

机器人创新教育具有高度综合性渗透性、前瞻未来性、创新实践性,蕴涵着极其丰富的教育资源。 让智能机器人教育走进中小学,开发机器人文化的教育功能和发掘智能机器人的教育价值,对推进教育创新,促进教育改革和教育现代化,对创造型、研究型、专家型教师队伍的形成,对提高中小学生的创新和实践能力,同时对我国机器人事业的发展、人才高地的建设,具有重要的现实意义和战略意义。

通过创建机器人教育基地,构建合适的课程组织框架和实施支架,遵循创新机器人学习规律和方法,为学生科学素养的提高提供一个独特的平台,使机器人教育不仅会成为程序设计学习的载体, 也会成为课程整合的新载体,成为多种学习形式的载体,多种能力得以综合提高的载体。

一、 普通高中机器人基地建设的学科基础

通用技术选修模块三的内容是简易机器人制作,机

器人包括硬件系统与软件系统。通过上面的结构图机我

们可以清楚地看到信息技术选修模块一的内容是算法

与程序设计,也就是计算机编程,可以与机器人编程进

行整合,算法与程序设计同时还是高中信息奥林匹克竞

赛的基本内容。机器人硬件还涉及机械、电子、运动学、

动力学、控制理论、传感检测等。关系简图如右。

机器人体现的知识的综合性使它不仅会成为程序

设计学习的载体, 也会成为课程整合的新载体,为开创

新的教与学的方法、方式提供了新天地,成为多种学习

形式的载体,无论对学生信息素养的提升还是对学生创

造潜能的开发,实践能力的培养都有举足轻重的作用,是多种能力得以综合提高的载体,它给基础教育带来新的内容、新的思考和新的活力。

然而落实到操作层面待解决的问题很多。如机器人编程、信息学科的算法与程序设计中编程、信息学奥赛中的编程,算法相同但具体语言实现有区别,如何立足共同点,减少不同点,培养学生的迁移能力?机器人教学如何开展,才能让机器人成为程序设计学习的 1

载体?程序设计如何开展才能让程序真正成为机器人的灵魂?如何融合程序设计教学和机器人教学,从而避免程序设计教学中的重“软”轻“硬”、重模仿轻创新的弊端?如何把物理实验研究成果应用到机器人设计上?如何借助机器人教学进行更多项目的研究性学习探索?机器人如何同其它学科进行整合?如何在开展各种项目或比赛比赛过程中激发学生的创新能力、综合能力、协作能力和进取精神?

基于上述分析,有必要建立机器人创新教育课程基地,对机器人教学进行多方面的系统的研究。

二、机器人基地核心目标

1. 成为课程整合的基地

以通用技术与信息技术学科课程为基础,结合物理相关内容,构建为不同兴趣爱好和发展趋向的学生提供支持的多层次、多样化的机器人实验室系统,依托平台,强化动手实践和创新环节,以“体验知识、应用知识”的方式创新性地学习。依托基地,开发多种活动课程,为研究性学习提高支持,成为开发研究性学习新内容、新形式的重要动力与源泉。在实践的基础上不断总结,开发具有学校特色的系列校本课程。

2. 成为创新性人才培养的基地

通过创新机器人项目,为学生信息素养的提高,创新能力、实践能力提升提供一个独特的平台,让学生在体验科学与技术时感到愉快,培养学生的良好学习习惯、多学科综合运用能力、动手制作能力、创新性思维、团队合作精神及强烈的竞争意识。

机器人基地,在培养学生的同时,也不断提高科技辅导教师的理论水平和实践能力,打造一支涵盖多学科的善于开发学生创造潜能、培养学生创新精神和实践能力的高素质指导教师队伍培。

3. 成为教与学模式革新的基地。

在传统专业课程的基础上融入动手实践与创新环节是每个学校都在尝试的工作,机器人创新实验室在课程教学、项目创新设计等多方面体现特色,学创结合学中有创与创中有学。以项目学习为主导的学习方式,发挥学生

主动性,在动手能力、知识学习、创新能力培

养等方面都大大加强。机器人的课堂教学和课

外进修学校、研究课中的机器人科技活动及竞

赛活动结合,机器人的普及教育与参与竞赛挑

战极限结合。

4. 成为机器人科技竞赛基地

竞赛不是课程基地建设的主要目的,但确实是技术交流、对外合作、展示风采的重要途径。智能机器人比赛对智能机器人教育起着不可替代的推动作用。在准备比赛和参赛的过程中学生可以获得各种体验如:与他人协作的体验;取得成功的体验;经历挫折的体验,这些体验和经历,会使学生学到很多在课堂上学不到的知识。在学生参赛的过程中渗透的教育是无形的,而教育在学生素质培养所取的成果是有形的。

5. 成为机器人示范与交流的中心

将基地建设成为学科中心,为本区域新课程实施提供实验和借鉴。带动周边学校创新机器人学科教学模式的改变,带动其它学科创新实践教学。

将创新机器人学科基地建设成 2

为本区域学科课程资源中心。利用名校优势,搜集整理各种教学资料、提供网上交流平台、为本区域提供共享资源。

将基地建设成为学科教学交流中心,促进本区域学科建设整体、均衡发展,从而促进学校内涵发展,全面提升全区高中教学质量。通过多种交流渠道,展示基地建设成果。同时为有需要的学校提供场馆、技术支持。

三、建设内容

1.实验室建设

①技术课标实验室

教学对象:部分学生。

修习方式:自主选修。

教学方法:教师指导,学生实验。

教学目的:完成课程标准设定的实验,认识创新机器人在现代技术发展中的地位和作用,掌握机器人搭建、编程的一些基本技能,会使用基本的实验仪器,能独立完成全部搭建实验,发展学生科学探究的兴趣和爱好。

教学内容:信息技术选修模块一《算法与程序设计》与《简易机器人制作》内容进行整合,完成课程教材上规定的学生必做实验。

②电子技术实验室

教学对象:对电子、传感器技术感兴趣的学生。

修习方式:课外活动社团。

教学方法:学生组建课题研究小组自主探究,教师辅导。

3

教学目的:以机器人为依托,学以致用,从机器人硬件入手探究起物理方面的各种相关因素。让学生体验物理学科知识的实际应用,学会知识的迁移,激发学生的创新意识。

教学内容:除了物理学科中与电子、传感器相关的基础实验外,还选做以下实验,金属箔式应变片温度影响、直流全桥的应用电子秤、扩散硅压阻式压力传感实验器的压力测量、扩散硅压阻式压力传感器差压测量、电容式传感器的位移特性、电容传感器动态特性、直流激励时霍尔式传感器的位移特性、霍尔式传感器振动测量、霍尔测速、磁电式转速传感器的测速、压电式传感器振动、光电转速传感器的转速测量、CU50温度传感器的温度特性、Pt100温度传感器温度特性、湿度传感器的实验、温度仪表PID控制等实验。

③虚拟机器人实验室

教学对象:对虚拟机器人深有兴趣、有一定编程基础的学生。

修习方式:兴趣小组。

教学方法:学生组建课题研究小组自主探究。

教学目标:构建一个基于网络化的教学实验环境,突破了实物机器人的限制,让学生从原来枯燥的程序教学中解脱出来,确立游戏趣味主题,建立理想的物理模型,更直观地观察物理现象,使程序设计更具知识性、趣味性。通过玩、学习、玩、学习这样一个渐进式的过程来完成对知识点的学习。

教学内容:认识虚拟机器人软件的组成,学习机器人场地与机器人模型的结构。学习对机器人场地和机器人模型的导入与新建、编辑、调试、运行的方法。学习超声波传感器、光电传感器、红外传感器的运用,学习机器人程序的编写。综合应用所学知识完成趣味主题。

④竞赛探究实验室

教学对象:对程序的编写感兴趣或者对创新机器人有兴趣的学生群体。

修习方式:课外小组。

教学方法:组建各类科技代表队,项目设计、实验、模拟比赛、 研讨会等。

教学目标:通过竞技团队的合作,努力在竞技中胜出。在活动过程中培养学生的团体协作能力,培养学生不屈不挠的精神。通过竞技培养与选拨创新人才。

教学内容:根据各团队的目标选修学习的内容,一个团队可以根据队员的爱好与特长分工合作,选择专攻目标,充分体现个性发展,提倡团结协作,团体作战。

⑤研究性学习实验室

预留,在项目进行过程中根据需要创建。

2. 编写系列校本教材

分期编写《省句中机器人创新教育课程》系列教材,为本项目的科学实施和正常运作创造良好的平台,构建丰富的软件资源。为每类实验室编写至少1本校本教材,如《简易机器人课程实验教材》、《机器人编程基础教材》、《机器人电子与传感器技术》《虚拟机器人实验教材》等,收集并较为详细地介绍各类实验的原理、器材、方法步骤、探究要求、数据处理,并附上相关实验的背景性、拓展性知识。对于竞赛探究类实验,还将着手编制项目教材,例如《灭火机器人程序优化方案分析》,程序设计中的《基础语言与算法教程》、《初赛知识集锦》、《复赛冲刺》等校本教材。

3. 建设网络平台

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构建一个完整的网络化信息平台,这一平台包括项目管理、机器人实验室、程序设计园地、电子技术角、研究性学习六五个部分。

①项目管理

该部分包括项目基本信息、实验网上管理以及实验成果交流等内容。其中,实验网上管理网络在引入“江苏省现代教育技术装备管理系统V2.3”的基础上,逐步做到网上通知、网上登记、网上辅导。实验教学实现网络化,以适应校内外实验资源共享。学生可利用基于校园网的创新机器人实验教学网络预约与管理系统,选择实验项目和实验时间等。

②机器人实验室部分

虚拟机器人实验室是网络多系统+机器人实验室的完美结合。其主要功能有:利用电子课件进行实验课前预习;在机器人实验室利用网络电子课件指导课堂实验操作;课后复习、网上交流;利用网络编程环境可以实现机器人仿真编程,从而大幅度的扩充实验内容。用户通过搭建机器人、场地,编写机器人的控制程序,仿真现实情况下机器人在特定环境中的运行情况。

③程序设计园地部分

该部分包括信息发布系统与论坛、在线测试系统。信息发布系统频道根据教学内容分成语言教学、算法教学、数据结构教学,历届奥赛题集锦多个频道,每个频道再根据知识体系进行细分。论坛用于师生交流、学生程序展示与保存。

④电子技术角、研究性学习根据实际教学需要设置相关频道与栏目。

4.创建适合本校创新人才培养的管理体系与评价体系

① 建立科学的学生选拔机制

② 在专家引领下不断探索适合创新人才培养的管理方式

③ 在教学实践中慢慢构建不只是以竞赛获奖为目的,而是注重培养学生的创新精神

和实践能力,培养学生实践能力及克服困难的精神和意志的评价体系。

四、待解决的问题

机器人课程基地建设无疑意义是重大的,但面临的困难也是不可小觑的。首先是师资缺乏,其次是可借鉴的已有的经验不多,再次在高考指挥棒下的机器人各项活动开展也会面临很多问题??

困难不足畏惧,因为我们已经在路上!

参考文献:

[1] 高中《信息技术》选修模块之“智能机器人”课程标准

[2] 乐高教育探究实验室配置方案及课程介绍

[3] 智能机器人创新实验室 上海英集斯自动化技术有限公司

[4] 基于软件仿真平台下的简易机器人编程教学 李志

[5] 《简易机器人制作》 湖北省教学研室编华中科技大学出版社

[6] 《普通高中技术课程标准(实验)》 人民教育出版社

[7] 《中小学机器人教育探讨》《实验教学与仪器》 2010年04期 刘婵

5

[8] 《给创新教育找个支点》《教育》2008年28期 张晓震 6

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