校外機器人活動與學科課程整合教學初探

張超 謝鵬 李彥超

【摘要】機器人活動是當前學生科技活動的熱點。把校外單位開展機器人教育活動帶入校內，在北京多所中小學開展了機器人活動積累了一些經驗。分析機器人教育的現狀，開展校內外在教學活動中嘗試建立機器人知識與校內學科知識的聯系，并闡述了校內外結合的課程活動設計，能夠更好地服務學生學習發展。

【關鍵詞】校外機器人活動 學科教學 課程整合

機器人是一門綜合性學科，涵蓋數學、物理、信息技術等眾多學科知識。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揮出應有的教育作用。2020年，教育部提出“強基計劃”，更加重視學科知識應用型人才的培養。校外教師利用專業優勢主動聯系和配合校內教師把機器人活動與學科教學整合起來，互相滲透整合，既可以幫助校內教師豐富教學內容，也可以讓學生在校外活動中利用學科知識通過機器人手段解決問題。

一、機器人教育的現狀

中小學機器人教育一般通過工程結構搭建組裝機器人，計算機編程來控制機器人。在教學中運動到多種技術涉及多學科的知識融合，很好地鍛煉了學生的思維能力，創新能力，計算能力，以及團隊協作能力。校內校外單位，社會培訓機構均有開展，主要形式涵蓋各級競賽、校外活動課、興趣培訓班、信息技術選修課等。由于涵蓋廣泛，涉及知識豐富，教學模式多樣，器材種類繁多，缺乏相關評價方式的研究，百花爭艷的狀態，一直沒有形成統一的機器人課程標準。另外，師資力量薄弱相對，多數學校是一些信息技術或科學老師兼職工作。機器人競賽開展在初期確實加速了中小學機器人項目的普及，但現今因一些社會因素介入導致過分追逐競賽，限制了機器人教育教學資源的開發，忽視了綜合能力培養。

由此可見，校外教師在服務中小學生機器人教育上大有可為。我們可以主動向學校伸出“橄欖枝”，開展STEAM教育理念機器人課程，重視技術和知識與機器人的融合，開展情景教學和探究性學習活動，針對活動設計評價系統，并開發課程及活動資源，促進機器人教育良好的發展。

二、校外結合校內學科知識點，激發學習機器人興趣

校外不像校內有專業機構開發的規范教材，但校外機器人教學中一般采取“做中學”的形式，邊做邊學，分數成績排名不是指揮棒，不以成績論成敗的，更注重牢固基礎。校外教師在充分了解校內學科教材的基礎上，從中挖掘與機器人學科相關的知識，設計活動方案?；顒又型ㄟ^聯系、建構、反思、延續的過程，有意識地去貼近校內學科某個知識點?；顒又幸龑W生討論發言，回憶課本知識，幫助學生感受到基礎科學知識與機器人有相關性，自己學的課本知識有用武之地。從而實現讓學生像小發明家一樣，結合書本知識，以小組為單位合作，發揮想象力，動手實踐設計制作機器人，并為機器人編寫程序，解決實際問題。這樣既能讓學生了解知識，又能讓他們學會發現，學會探索，拉近與機器人的距離，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，在搭建機械結構時，發現多邊形的結構不穩定，容易發生形變。引導學生們觀看并繪制出所搭建結構的幾何圖形，引領他們聯系書本知識找到其中的穩定結構，回憶三角形的穩定性知識，從而利用斜拉固定制造三角形結構減少晃動。同樣，在講授剪叉伸縮式機械臂時，可引導學生觀看機械臂，結合平行四邊形的規則平移，來引導學生歸結出該類機械臂設計的細節兩邊平行且相等。在講授變量編程時，可以依托數學課的四則運算，讓學生實際操作變量的加減乘除，讓學生對變量的寫入讀取運算有更直觀的認識。

三、校內外共同挖掘機器人活動中的知識，充實學科課程資源

在機器人學習過程中，多以學習編程語言、工程結構、傳感器使用方法，系統調試為主，對于中小學生來說較為專業和枯燥。而我想對于孩子來說機器人應該是一種玩具，所以我想打破傳統對機器人項目的理解，通過活動把機器人與校本課程及學科知識相結合，創設情境激發學生的好奇心和求知欲。

在校內學科教師的支持下，發揮校外教師的專業性優勢和資源優勢，主動開展貼近校內課程的機器人活動方案或展演，幫助校內學科教師了解機器人。然后校內外教師面對面地坐下來，悉心研究、認真探討，找到機器人與學科課程的最佳契合點，讓機器人成為一種全新的教學載體。校內外教師一起結合校內學科課教材，針對某個知識點提出機器人的解決方案。進而開展校級市級研究課示范課，請教研員督導完善課程，開發校本課程。例如：運用機器人小車作為輔助教具，研究速度，路程，時間的關系。設計編寫機器人程序利用ph值傳感器，記錄酸堿中和實驗中的ph值變化。印證酸堿中和的結果。

現今的部分中小學面臨“330”工程難題，給校外教育結合校內發展帶來了新的機遇。校外教師發揮輻射引領作用配合開展校內活動課責無旁貸，與校內學科課程結合的活動課，不但讓學生關注學科知識，更意在讓他們利用校內課堂知識通過玩機器人去解決生活的問題，給他們機會“學而時習之”。例如，計算圓輪子的周長，控制輪子轉動的圈數?？梢灾谱饕慌_機器人小車丈量操場的寬度。也可以制作一臺機器人走迷宮，利用傳感器測量距離。也可以幫助組織機器人興趣小組活動，達到普及與提高并重的作用。

四、與小學科學課整合的課程實例

本次研究對象是北京市展覽路第一小學五年級學生，以機器人戰陡坡為例，為學生設計的一次別開生面的科學課期末活動。改變了以往書面的考試形式，變為一次探究的實驗，讓科學也可以演起來，玩起來，用起來。學生們收獲了喜悅，也增進了對科學的熱愛，體會到了課本所學知識的實用性，活動也最大限度解放學生的思維，完全保護學生的創意，不以設計的成敗與否為評價標注，失敗只要分析出原因，找到改進之道一樣是成功的開始。鼓勵學生回憶自己的科學課學習過程，和記錄本次活動中的研究過程，發現并矯正自己的不足，加深對科學課的課本知識理解，引導學生對課本知識理解之后的再認識，使學生意識到科學服務于生活。

（一）教學目標

1.知識與技能。學生搭建一個能爬坡的機器人，了解摩擦對于機器人爬坡的重要性并加以利用，了解齒輪傳動比對馬達輸出的影響。

2.過程與方法。學生通過聽講獲得間接認識，通過動手操作獲得直接認識。學生在解決具體問題時以小組合作探究式的學習方式進行學習。通過動手實踐，檢查設計方案、反復實驗、反思完善來制作機器人。

3.情感態度與價值觀。激勵學生根據事實大膽設想、大膽嘗試去用機器人手段解決實際問題積極思考。讓學生體驗理論來源于實踐，又指導實踐是科學研究的必經過程。養成嚴謹求實的科研作風，鍛煉細致深入的觀察、嚴謹科學的記錄、分析現象背后因緣的實踐科學思維能力。

（二）教學內容安排

教學內容是讓學生設計并搭建一輛能夠爬陡峭斜坡的機器人。并且在機器人爬到坡頂時要求機器人停止。課堂中準備了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。發放一種機器人動力輸出結構，輪式機器人。利用同一種結構采取不同的齒輪比完成測試。要求只要讓機器人完全行駛過斜面挑戰任務即可完成，如挑戰失敗，要求分析失敗的因素和自身方案的不足。

（三）教學過程

1.提出任務。展示3個不同坡度的斜坡，利用兩種結構，設計并搭建不同的齒輪傳動比的機器人，看看能否爬上陡坡。

2.分析任務。拿到機器人，思考怎樣的齒輪配比才能讓他更好的爬坡。

3.組內討論。提出自己的想法，聽取他人的意見。

4.提出問題。學生觀察、猜想、假設、提出問題，你認為你的機器人完成此任務的難點在哪里？機器人不同的齒輪傳動組合，各自的優點和缺點。完成此任務需要克服哪些困難？

5.結構設計。學生討論并發表自己的觀點。應當考慮的設計要素：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。小組分工合作完成此項任務。學生從教師機下載程序，并運行測試完成搭建和編程的小組到場地進行試驗和記錄與爬坡小競賽。

（四）學習效果評價設計

設計學生的實驗記錄表：（1）我們的預測;（2）我們想要這樣試驗;（3）試驗的結果;（4）我的們想法或發現包含對預測的結果，對其他組結果的分析。

學生在進行實驗測試時，教師以引導學生觀察記錄為指導要點，讓學生學會記錄搜集數據，嘗試進行分析，以便學生間的交流，和作為歸納結論的事實依據。學生進行匯報分享時，要求積累別的小組發言互相啟發，自由大膽地表述自己的看法。

本次活動以分組挑戰實驗引入，并以實驗的揭秘為主線貫穿全課。在學生認識齒輪的前提下，選擇學生感興趣的問題進行研究。通過小組討論完成實驗設計，分析實驗結果，最終通過討論和教師的引導結論。機器人器材，以其模塊化的搭建和編程控制，為學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生對齒輪傳動的理解，則可以編程設計每輛小車馬達開啟同樣的時間，搭建成相仿的結構，只供選取不同的齒輪比。如希望通過對比了解輪式、腿式、履帶式機器人爬坡的能力，則可直接提供相關模型的機器人，讓學生進行爬坡測試實驗，驗證其中的道理。如初中學生使用本案例，則可加入重心對機器人的影響。

五、總結

當然，由于機器人結合學校教材開發綜合性活動課程在國內還是處于起步階段，課程結合的探索也還在初步進行中，課程完全落地校內還需要付出更多的努力?；顒拥脑O計還需要校內外教師的溝通，課程體系設置，課程內容，課程時間，評價系統，等等。而且，機器人與學科教育的結合度要拿捏準確不應喧賓奪主，也不生加硬入。但從長遠看來，結合校內外優勢，給學科教育加入新“沃土”，完全可以實現互利互惠，平時注重以機器人為載體與其他學科融合的教學開發，從而為以后機器人教學進入課堂，作好充分的準備，是很好的途徑。廣大校內外教師可以在實踐中不斷探討積累，共同促進學生發展。

參考文獻：

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