论文部分内容阅读
上海市金山区第一少科站的机器人教育相对起步较晚，但起点较高，形成了在比赛中学习的风格。在近3年的各种比赛中，获得了国家级的奖项121个，在全国第二届“NOC机器人灭火”比赛中，获小学组冠军，第三届“NOC机器人循线”比赛中，获高中组冠军，包揽第五、第六两届“广茂达杯”中国智能机器人大赛灭火项目小学、初中、高中组的全国冠军。2006年4月，在美国举行的第十三届国际家用机器人灭火比赛中，取得了初级组、高中入门组、专家组三个冠军。总结成功之路，我们认为应在以下几点上下工夫。
一、重视机器人校外教育的意义
机器人校外教育一般是围绕机器人竞赛展开的，不仅活动主题有趣，更重要的是其问题解决方案是开放性的，学生可以用不同的方法达到同一个目标，因而能激发学生充分发挥想象力和创造力，有利于培养学生的开放性思维。学生通过动手实践获取知识，就像真正的工程师一样，针对项目主题进行研究、策划、设计、组装和测试。他们以小组为单位，使用传感器、马达及齿轮等组件设计自己的机器人，并为机器人编写程序，让它完成我们想让它做的事情。学生们通过主动探索和动手实践，亲身体验了抽象的理论如何变成触手可及的答案的过程，享受了成功的兴奋。在活动中，学生不仅可以学到有关机械、电子、计算机等技术知识，还可以培养多方面的能力和素养，如与人沟通合作的能力，合理分配、利用时间的能力，树立毅力与自信心，对他人的尊重等。
二、教学平台的选择和设计
机器人教育围绕厂家的产品转，这是眼下此项活动的一大难题。综观国内知名厂家的教育机器人，由于商业运作的原因，目前还没有一个是完全体现出教育价值的。厂家开发出的教育机器人各自为政，软硬件都各不兼容，往往是东家设计的游戏规则令西家的机器人“望洋兴叹”，南家对设备的要求使北家的机器人“动弹不得”。大家如想参加活动，各厂家的产品都必须买，各种软件都得学。
1.机器人的选择。
在反复比较了各种教育机器人的特点后，我们最后放弃了所有商品教育机器人，向同行学习，从较高的起点做起——开发自己的教育机器人。
我们利用AVR单片机芯片AT-mega8设计了小型多功能电路板及系列外围传感器电路，制作出了教育性能优异的智能机器人，为区机器人校外教育提供了一个良好的平台。由于都是自制配件，所以硬件具有很好的可扩充性和可塑性，适合学习有关的现代工业设计、机械、电子、传感器、计算机软硬件、人工智能等知识，并可在学习和实践的过程中形象直观地体味编程的乐趣，有效提高逻辑思维、判断能力和创新力。
2.编程环境的选择。
编程环境语言系统应该是具有结构化程序设计的语言系统，学生在学习编程的过程中要能够学到程序设计的三种基本结构，即顺序结构、选择结构和循环结构的功能。而我们选择的是AVR单片机专用的 BASCOM-AVR。它是BASIC的一种，完全可达到校外教育的目的。只要你会操作电脑, 就是只具有小学文化知识的人,都可以搞单片机开发应用、机器人创新设计。当然，随着学生编程水平的提高，也能用高级C语言ICC AVR C编译器、IAR AVR C编译器、Code Vision AVR C编译器和GNU C编译器等。
3.教材的选择和开发。
即教材的选用、改编和新编。课程选用是校本课程开发中最普遍的活动，是教师从课程资源中选择比较适合的课程的活动；课程改编是教师根据学生的实际情况和学校自身的现实条件，对已有的课程进行局部的内容修改或结构调整；课程新编是指教师根据需要与可能，开发的全新的课程。
我们根据机器人比赛的特点，围绕机器人校外教育的三方面内容，进行了较具体的课程新编。
(1)使学生了解智能机器人这个信息技术前沿领域的发展和应用状况，了解智能机器人的概念和工作方式，破除中小学生对智能机器人的神秘感，为进一步学习智能机器人技术的有关知识打下基础。
(2)使学生掌握为一种智能机器人下载程序的方法，了解智能机器人的传感器和驱动装置的作用。理解体会程序是智能机器人的灵魂，了解体会智能机器人是怎样在人的指挥下工作的。学习为一种智能机器人编写程序，通过为机器人编写程序学到科学而高效的思维方式，提高规划能力和学生的分析问题、解决问题的能力。
(3)通过完成项目任务和比赛，使学生在为机器人扩充功能的过程中学习有关电子电路方面的知识，在组装扩展机器人的过程中培养学生的动手能力、协作能力和创造能力。
三、机器人校外教育的实践
● 要制订工作计划、准备活动场地，并以参加比赛或实施项目为主题开展活动，公开招收有兴趣、思维活跃、勇于挑战的学生。
● 教师要有充分的教学准备，要收集、开发、组织机器人教学资源，设计、建立与完善学习环境与情境，其中包括自主学习环境（基本学习内容、扩展学习内容，检索、查询、获取相关知识和学科前沿知识），交流与协作学习环境（学生之间，学生与教师、专家之间）和动态教学评估的环境（随时动态地进行教学的调查与评估，畅通教师与学生间的信息和心灵交流的通道）。
● 教师要在教学中注重学生良好的品德教育，充分展示教师的人格魅力，发挥教师的主导作用。在实践中有意识地培养学生的自主意识、良好的言行习惯、不断创新的精神和协作能力、诚信互助的行为美德。
我的具体做法是——
(1)学生分工。
①以小组为单位，2～4人一个小组进行分工合作，可以发挥学生的团结协作精神，共同完成项目。
②可以进行结对分组，将特长学生安排到各小组中，从而起到带头作用。
(2)课型结构。
①理论篇：机器人知识的介绍、讲解。
②动手篇：机器人的拼装。如粘橡胶防滑圈、做蜡烛台。
③编程篇：如何让机器人动起来。
学习为机器人编写程序的过程可以用拟人的方法循序渐进进行。例如，可以将机器人的硬件看作一个刚刚出生的孩子，而学习为机器人编程序的过程是学生赋予机器人行走、避障、避碰、说话、听话、观察等人类行为功能的过程。学生在学习的过程中始终感受着失败的遗憾和成功的喜悦，这些感受必然提高了学生的学习兴趣。
④综合篇：课内比赛、小组活动、品德教育。
(3)评价方式。
①重视过程性评价和阶段性评价。
这种评价有利于学生学会实践和反思、发现自我、欣赏别人。同时，要强调评价的激励性，鼓励学生发挥自己的个性特长，施展才能，努力形成激励广大学生积极进取、勇于创新的氛围。
②以学生自我评价为主。
学生自我评价，其压力较小，学生可充分畅谈自己参与活动的体验、经验和教训，自由地交换意见。同时，这种集体和个人的自我评价也可使学生享受到健康民主风气的熏陶和教育。
③评价的开放性。
本课程具有开放性的特点。评价也应具有开放性，在学生自我评价的基础上，应尽可能采用集体讨论和交流的形式，将个人和小组的经验及成果展示出来，并鼓励相互之间充分发表意见和评论。这样的评论不仅可以使学生吸收他人的有益经验，而且还可促使学生加深对问题的认识，有助于培养学生敢于和善于发现问题，并发表个人见解的优良品质。
四、机器人校外教育所需场地的解决方案
在机器人教学初期，我们深为缺乏机器人活动和比赛的场地发愁。通过实践，我们探索出以下几种解决方案。
【方案一】 在教室内就地取材，制作临时使用场地。
例如机器人走迷宫，可以让学生用自己的凳子随意在地面上组合成一个迷宫。这不仅解决了场地问题，而且学生在组合迷宫的过程中，既要设计机器人行进的路线，分析自己搭建的场地是否合理，又要反思自己的编程设计能否解决问题，这对提高学生的分析能力、巩固知识很有帮助。
【方案二】 采用简易材料制作短、中期活动场地。
例如在“机器人铁骑神枪”项目中，我们使用“即时贴”在地面上制作出了20多米长的、简易的大型环型跑道场地，可谓低成本、高效率。
【方案三】 用专用材料制作长期使用的标准比赛场地。
由专业人员制作一些国内常规比赛必用的场地或典型项目的场地，如机器人迷宫场地、可变化组合的两用机器人灭火场地、机器人足球场地等。这些场地不仅可以用于教学，也可以做赛前调试用，实用价值较大。
总之，在机器人活动场地的问题上，我们的经验是“师生参与，设计制作，因地制宜，灵活实施，逐步到位”，从而以较低的成本达到了较为满意的效果。
五、“机器人”科技教师应具备的基本条件
● 树立以学生为本的教育理念。学生是学习的主体，所有的知识、技能和对技术的领悟，均由学生自己在实践中获得。教师是学生的良师益友，他的责任是给学生创造合适的学习环境和条件，在实践中不断地给予点拨指导，鼓励学生不畏艰难，充满自信，磨炼意志。
● 具有创新意识和奉献精神。在工作实践中，我们感到吸取别人的长处是一方面，更重要的是自己要敢于创新与探索，突破框框，形成独特的教学风格与个性特色。几次全国大赛已证明，我们自己开发的有关机器人灭火的软件编程在竞速上名列前茅，取得了决定性的成功。同时，我们感到只有百分百地投入和努力，不断摸索、不断实践，吸纳先进的技术与方法，善于破解难题，才能有望取得成功。这过程很难用固定的工作量来计算和衡量，有时大赛前，我白天与学生们一起操作、分析，晚上连续熬夜破解技术难关，人虽然很劳累，但看到学生在比赛中表现出的“大将风度”，最终取得优异成绩的时候，心中就备感欣慰。
● 不断学习进修，追求超越。信息技术教师只要有兴趣、有目标、肯学习、愿付出，就都能成为一名优秀的机器人科技指导教师。俗话说：给学生一杯水，教师必须有一桶水，而且是一桶鲜活的水。是的，我在搞机器人教学中，因为喜欢，会想方设法搜取多方面的资料来了解机器人科技活动的先进性能、形式内容及未来发展，如参阅各公司发布的样本、浏览网站或向有经验的教师请教，向各公司技术支持工程师咨询，参观开展机器人教学活动的先进学校，借鉴其他学校和教师的经验等，不断充实自己，在知识、技术、方法、运用方面不断积累，进而达到能在自己的教学中运筹帷幄、得心应手的地步。
一、重视机器人校外教育的意义
机器人校外教育一般是围绕机器人竞赛展开的，不仅活动主题有趣，更重要的是其问题解决方案是开放性的，学生可以用不同的方法达到同一个目标，因而能激发学生充分发挥想象力和创造力，有利于培养学生的开放性思维。学生通过动手实践获取知识，就像真正的工程师一样，针对项目主题进行研究、策划、设计、组装和测试。他们以小组为单位，使用传感器、马达及齿轮等组件设计自己的机器人，并为机器人编写程序，让它完成我们想让它做的事情。学生们通过主动探索和动手实践，亲身体验了抽象的理论如何变成触手可及的答案的过程，享受了成功的兴奋。在活动中，学生不仅可以学到有关机械、电子、计算机等技术知识，还可以培养多方面的能力和素养，如与人沟通合作的能力，合理分配、利用时间的能力，树立毅力与自信心，对他人的尊重等。
二、教学平台的选择和设计
机器人教育围绕厂家的产品转，这是眼下此项活动的一大难题。综观国内知名厂家的教育机器人，由于商业运作的原因，目前还没有一个是完全体现出教育价值的。厂家开发出的教育机器人各自为政，软硬件都各不兼容，往往是东家设计的游戏规则令西家的机器人“望洋兴叹”，南家对设备的要求使北家的机器人“动弹不得”。大家如想参加活动，各厂家的产品都必须买，各种软件都得学。
1.机器人的选择。
在反复比较了各种教育机器人的特点后，我们最后放弃了所有商品教育机器人，向同行学习，从较高的起点做起——开发自己的教育机器人。
我们利用AVR单片机芯片AT-mega8设计了小型多功能电路板及系列外围传感器电路，制作出了教育性能优异的智能机器人，为区机器人校外教育提供了一个良好的平台。由于都是自制配件，所以硬件具有很好的可扩充性和可塑性，适合学习有关的现代工业设计、机械、电子、传感器、计算机软硬件、人工智能等知识，并可在学习和实践的过程中形象直观地体味编程的乐趣，有效提高逻辑思维、判断能力和创新力。
2.编程环境的选择。
编程环境语言系统应该是具有结构化程序设计的语言系统，学生在学习编程的过程中要能够学到程序设计的三种基本结构，即顺序结构、选择结构和循环结构的功能。而我们选择的是AVR单片机专用的 BASCOM-AVR。它是BASIC的一种，完全可达到校外教育的目的。只要你会操作电脑, 就是只具有小学文化知识的人,都可以搞单片机开发应用、机器人创新设计。当然，随着学生编程水平的提高，也能用高级C语言ICC AVR C编译器、IAR AVR C编译器、Code Vision AVR C编译器和GNU C编译器等。
3.教材的选择和开发。
即教材的选用、改编和新编。课程选用是校本课程开发中最普遍的活动，是教师从课程资源中选择比较适合的课程的活动；课程改编是教师根据学生的实际情况和学校自身的现实条件，对已有的课程进行局部的内容修改或结构调整；课程新编是指教师根据需要与可能，开发的全新的课程。
我们根据机器人比赛的特点，围绕机器人校外教育的三方面内容，进行了较具体的课程新编。
(1)使学生了解智能机器人这个信息技术前沿领域的发展和应用状况，了解智能机器人的概念和工作方式，破除中小学生对智能机器人的神秘感，为进一步学习智能机器人技术的有关知识打下基础。
(2)使学生掌握为一种智能机器人下载程序的方法，了解智能机器人的传感器和驱动装置的作用。理解体会程序是智能机器人的灵魂，了解体会智能机器人是怎样在人的指挥下工作的。学习为一种智能机器人编写程序，通过为机器人编写程序学到科学而高效的思维方式，提高规划能力和学生的分析问题、解决问题的能力。
(3)通过完成项目任务和比赛，使学生在为机器人扩充功能的过程中学习有关电子电路方面的知识，在组装扩展机器人的过程中培养学生的动手能力、协作能力和创造能力。
三、机器人校外教育的实践
● 要制订工作计划、准备活动场地，并以参加比赛或实施项目为主题开展活动，公开招收有兴趣、思维活跃、勇于挑战的学生。
● 教师要有充分的教学准备，要收集、开发、组织机器人教学资源，设计、建立与完善学习环境与情境，其中包括自主学习环境（基本学习内容、扩展学习内容，检索、查询、获取相关知识和学科前沿知识），交流与协作学习环境（学生之间，学生与教师、专家之间）和动态教学评估的环境（随时动态地进行教学的调查与评估，畅通教师与学生间的信息和心灵交流的通道）。
● 教师要在教学中注重学生良好的品德教育，充分展示教师的人格魅力，发挥教师的主导作用。在实践中有意识地培养学生的自主意识、良好的言行习惯、不断创新的精神和协作能力、诚信互助的行为美德。
我的具体做法是——
(1)学生分工。
①以小组为单位，2～4人一个小组进行分工合作，可以发挥学生的团结协作精神，共同完成项目。
②可以进行结对分组，将特长学生安排到各小组中，从而起到带头作用。
(2)课型结构。
①理论篇：机器人知识的介绍、讲解。
②动手篇：机器人的拼装。如粘橡胶防滑圈、做蜡烛台。
③编程篇：如何让机器人动起来。
学习为机器人编写程序的过程可以用拟人的方法循序渐进进行。例如，可以将机器人的硬件看作一个刚刚出生的孩子，而学习为机器人编程序的过程是学生赋予机器人行走、避障、避碰、说话、听话、观察等人类行为功能的过程。学生在学习的过程中始终感受着失败的遗憾和成功的喜悦，这些感受必然提高了学生的学习兴趣。
④综合篇：课内比赛、小组活动、品德教育。
(3)评价方式。
①重视过程性评价和阶段性评价。
这种评价有利于学生学会实践和反思、发现自我、欣赏别人。同时，要强调评价的激励性，鼓励学生发挥自己的个性特长，施展才能，努力形成激励广大学生积极进取、勇于创新的氛围。
②以学生自我评价为主。
学生自我评价，其压力较小，学生可充分畅谈自己参与活动的体验、经验和教训，自由地交换意见。同时，这种集体和个人的自我评价也可使学生享受到健康民主风气的熏陶和教育。
③评价的开放性。
本课程具有开放性的特点。评价也应具有开放性，在学生自我评价的基础上，应尽可能采用集体讨论和交流的形式，将个人和小组的经验及成果展示出来，并鼓励相互之间充分发表意见和评论。这样的评论不仅可以使学生吸收他人的有益经验，而且还可促使学生加深对问题的认识，有助于培养学生敢于和善于发现问题，并发表个人见解的优良品质。
四、机器人校外教育所需场地的解决方案
在机器人教学初期，我们深为缺乏机器人活动和比赛的场地发愁。通过实践，我们探索出以下几种解决方案。
【方案一】 在教室内就地取材，制作临时使用场地。
例如机器人走迷宫，可以让学生用自己的凳子随意在地面上组合成一个迷宫。这不仅解决了场地问题，而且学生在组合迷宫的过程中，既要设计机器人行进的路线，分析自己搭建的场地是否合理，又要反思自己的编程设计能否解决问题，这对提高学生的分析能力、巩固知识很有帮助。
【方案二】 采用简易材料制作短、中期活动场地。
例如在“机器人铁骑神枪”项目中，我们使用“即时贴”在地面上制作出了20多米长的、简易的大型环型跑道场地，可谓低成本、高效率。
【方案三】 用专用材料制作长期使用的标准比赛场地。
由专业人员制作一些国内常规比赛必用的场地或典型项目的场地，如机器人迷宫场地、可变化组合的两用机器人灭火场地、机器人足球场地等。这些场地不仅可以用于教学，也可以做赛前调试用，实用价值较大。
总之，在机器人活动场地的问题上，我们的经验是“师生参与，设计制作，因地制宜，灵活实施，逐步到位”，从而以较低的成本达到了较为满意的效果。
五、“机器人”科技教师应具备的基本条件
● 树立以学生为本的教育理念。学生是学习的主体，所有的知识、技能和对技术的领悟，均由学生自己在实践中获得。教师是学生的良师益友，他的责任是给学生创造合适的学习环境和条件，在实践中不断地给予点拨指导，鼓励学生不畏艰难，充满自信，磨炼意志。
● 具有创新意识和奉献精神。在工作实践中，我们感到吸取别人的长处是一方面，更重要的是自己要敢于创新与探索，突破框框，形成独特的教学风格与个性特色。几次全国大赛已证明，我们自己开发的有关机器人灭火的软件编程在竞速上名列前茅，取得了决定性的成功。同时，我们感到只有百分百地投入和努力，不断摸索、不断实践，吸纳先进的技术与方法，善于破解难题，才能有望取得成功。这过程很难用固定的工作量来计算和衡量，有时大赛前，我白天与学生们一起操作、分析，晚上连续熬夜破解技术难关，人虽然很劳累，但看到学生在比赛中表现出的“大将风度”，最终取得优异成绩的时候，心中就备感欣慰。
● 不断学习进修，追求超越。信息技术教师只要有兴趣、有目标、肯学习、愿付出，就都能成为一名优秀的机器人科技指导教师。俗话说：给学生一杯水，教师必须有一桶水，而且是一桶鲜活的水。是的，我在搞机器人教学中，因为喜欢，会想方设法搜取多方面的资料来了解机器人科技活动的先进性能、形式内容及未来发展，如参阅各公司发布的样本、浏览网站或向有经验的教师请教，向各公司技术支持工程师咨询，参观开展机器人教学活动的先进学校，借鉴其他学校和教师的经验等，不断充实自己，在知识、技术、方法、运用方面不断积累，进而达到能在自己的教学中运筹帷幄、得心应手的地步。