如何开展机器人教学，提高学生的科学素养

华中科技大学附属中学 周志巍

摘 要：在知识经济时代，科学素养已成为广大国民素质的重要方面，已成为一个深入人心的教育口号。一个国家国民科学素养的高低，直接影响这个国家的科学技术的发展。可以说国家的综合国力与国民素养具有密切的关系。正因为如此，增强学生的科学方面的思想教育及其环境建设，使学生从小就可以受到科学方面的思想培养，把这种科学的教育思想渗透到教育教学的过程中来，增强学生的创新意识，创新精神和动手操作等实践能力。机器人教学，可以培养学生的创新意识，增加学生的科学兴趣，从而培养学生的科学素养。本文从我校开展机器人教育的实际出发，从各个角度总结经验，希望可以让更多的人理解机器人教育，让更多的人了解它可以带给学生们的价值，希望它可以为学生的未来埋下一颗科技的种子，创新的种子！

关键词：创新；机器人教学；竞赛；中学；科技素养

这些年来，我们国家的中小学机器人课外教育教学和竞赛活动飞速发展，越来越多的学生从对机器人的不太了解，到基本上了解和掌握机器人的设计理念原理，掌握机器人的相关操作，并进行相关活动及任务，他们在这个过程中锻炼了思考和动手操作能力，提高了创新意识培养了科学素质。国家将继续认真的、努力的开展机器人教育走入中小学课堂。通过这样的教育活动使学生获得机器人的知识以及动手操作的能力，并在这个同时引发学生们的创新精神和创造发明的能力。[1]

机器人的实践活动是一项汇集多种学科内容和相关技能的科技类的活动，目的就在于培养学生综合的实践能力和创新意识，它综合了趣味性、知识性、娱乐性于一身，在实践过程中非常受中小学生的喜爱。因此在中小学开展机器人教学是非常必要的一项活动。

国务院颁发的《全民科学素质行动计划纲要（2006－2010－2020 年）》指出：“提高公民科学素质，对于增强公民获取和运用科技知识的能力、改善生活质量、实现全面发展，对于提高国家自主创新能力、建设创新型国家具有十分重要的意义。”

一、我国机器人教育的发展与现状

随着世界范围内机器人教育的兴起，我国的中小学机器人教育也有了很大的发展。教育机器人逐步成为中小学信息技术课程、通用技术课程中不可缺少的部分。在这个领域已经有学者提出机器人与理科教学整合的思路，机器人模块与各个学科教育相结合，能够丰富很多学科的教育教学，比如数学、物理等学科。研究表明，课外活动不受限制，活动的范围相对广泛，内容也很丰富多彩。教育机器人作为学校课外活动的载体，不仅使课外活动同时具有科学性和趣味性，而且可以培养学生的创新精神、综合实践能力和协作能力。目前，机器人教育中相关的课外活动形式主要包括:兴趣小组，以小组为单位，进行程序的编写、机器人的组装，组成完成具备某种功能的机器人；参加各种层次和类型的机器人竞赛活动。这样的日常活动对于学生创新意识、创新精神与创新能力的培养有着显著的意义。[2]

机器人教学不仅提高了学生的动手能力，还培养了学生的创新能力。在教学中，教师可提出一些新的课题，组织学生一起探讨、研究，活动的主题显得新颖、有趣。尤为重要的是其问题解决方案是开放性的，学生可以分组学习、研究，得到不同的解决方案，用不同的方法达到同一个目标。因而智能机器人活动能激发学生充分发挥想象力、创造力，有利于培养学生的开放性思维。学生通过主动探索、动手实践，亲身体验抽象的理论如何变成了触手可及的答案，享受成功的兴奋。当前培养学生的科学素养是全面实施素质教育的要求，是时代和名族发展、科学技术对未来人才的需要。“机器人兴趣小组”的开展时其中一种提高学生科学素养的有效措施。

二、在机器人教育中培养学生科学素养的若干策略

我校是具有教育超前意识的现代化学校，科研水平较高，为了适应未来科技社会对人才培养的需要。我校于 2010 年开始针对初二、高一学生进行机器人兴趣小组活动，并将机器人兴趣小组课程延伸到机器人竞赛当中。我们充分的认知到开展多种展示和鼓励学生参加竞赛活动，是普及智能机器人教育的一个很重要途径，机器人竞赛项目里有很多的内容要求学生的创意设计是极富创造性和挑战性。通过不断的组织丰富多彩的高水平青少年机器人竞赛，不但是对机器人教育的一种鼓动，还激发广大青少年对机器人项目和科技项目的兴趣，提高青少年的人文与科学素养，并很好的为机器人研究和开发培养后备力量。[5]

1.通过机器人竞赛培养学生的创新能力

机器人竞赛是机器人活动的主要形式之一， 竞赛活动是普及智能机器人的重要途径，可以与综合实践活动课程、机器人兴趣小组有机结合。目前，机器人竞赛除灭火，走迷宫， 足球等传统竞技类项目外，创新项目设计已逐渐开始出现在中国智能机器人大赛、中国青少年机器人竞赛、全国中小学信息技术创新与实践活动等国内影响较大的机器人竞赛中。机器人创新项目竞赛主要是为了鼓励机器人爱好者在机器人开发和使用中自主创新, 以创新为主题, 设计制作各种新颖的机器人项目, 实现机器人的机械、电子、气动、软件以及传感器等方面的扩展应用，从而推动机器人应用的不断发展。

我校在机器人活动中做了以下两点：

（1）建立兴趣小组、建立科学的培训体系

根据以往的经验，我认为，培养一个高水平的选手，一般要经过比较长时间的反复训练。在我校每年我们会以兴趣小组的形式在学生中进行选拔，因为机器人项目繁多，所以开始的时候让学生按兴趣自主选择，每星期周一、周五各开设一节兴趣小组课程开展学习制作活动。[3]机器人培训内容分为结构搭建、程序设计和专题竞赛制作两个阶段，需要大量时间去调试，否则是很难取得好的成绩的。在培训的过程中会涌现出一些优秀的选手，这些优秀学生是最好的“师资”，我们想了许多办法来发挥他们的作用，同时也促使他们自已更快地进步。如：让他们担任攻题小组的组长，帮助其他同学共同解决难题；让他们当小老师，组织他们去低年级兴趣班上课或进行指导；应当承认，这些措施对历年来我们所取得的成绩也是功不可没的。

（2）发挥榜样的作用，建立后继有人的人才梯队

我校历年来机器人竞赛的优异成绩及获奖同学的成功之路，通过各种方式来激发同学们参加机器人竞赛的热情，使越来越多的同学加入到机器人兴趣小组这一活动中来。目前我校初二到高一，从低级到高级，已建立起一个完整的人才梯队结构，使我校机器人竞赛活动、兴趣小组课程的可持续性发展成为可能。

2.通过问题解决来发展学生的生活技能

机器人创新项目竞赛注重实用性，更加与真实世界接近，竞赛主题需具有现实意义，可设计为现实生活切实存在的问题。运用科学技术解决日常生活及社会问题的能力是具有科学素养的人应具备的关键特征之一，学生在设计机器人完成任务、解决问题的同时发展了自己的生活技能，加深了对机器人技术应用的理解，并通过亲身实践了解科学、技术与社会之间的关系。[4]

3.培养和提高学生分析问题和解决问题的能力。

机器人创新项目竞赛中问题的呈现方式与一般竞技类项目不同, 解决问题的途径不止一种, 它需要分析、综合各个因素才能得出合适的解决方法。通过开展机器人创新项目竞赛, 有利于培养和提高学生分析和解决问题的能力, 从而提高学生的科学素养。

4.培养学生团队沟通与协作的能力。

机器人竞赛强调团队的沟通与协作， 在创新项目竞赛过程中尤其明显。机器人创新项目竞赛的评价注重过程，不仅是机器人的现场表现，而是对机器人做较为综合的评价， 包括各个组员在项目研究中所做出的贡献，特别重视学生在活动过程中的参与意识。

三、培养学生科学素养的辅助策略

1. 提高教师的业务水平，定期进行培训。

提高学生的科学素养, 首先要培养具有创新精神、实践能力的现代教师。教师作为教育的实施者, 在教育的实施中起着关键的作用。对学生科学素养培养效果的好坏, 很大程度上取决于教师的水平。在师资队伍的建设上, 我校教师定期参加课程研修班, 集中培训, 交流经验, 增强教师的专业水平。依托华中科技大学通过共同体的形式, 建立了高校与中小学的共同体, 相辅相成, 开展机器人教育。

2. 多渠道开展丰富多彩的机器人活动。

作为学生来讲，他们光在比赛中得到经验是远远不够的，他们需要的是开拓视野，得到能值得深入的经验，在这方面需要请这方面的专家进行讲座和指导，专家不但可以对学生的当今进行指导，而且也可以对他们的未来提出更深层次的指教，这样的座谈或者讲座不但对学生是种冲击，对老师来说更是一个不可多的的机会。

四、中学机器人兴趣小组活动开展所需解决的问题

1.影响机器人教育的几点问题

随着智能机器人的发展，机器人教育被更多是报以尝试的态度被更多的关注着，相关领域的教育活动也在有条件的学校开展着，但是还是有一些制约这门学科发展的因素需要我们足够的给予重视。

智能机器人缺少科学、可行、实效的教学目标。按照学制的阶段性划分不明确，存在重复学习相同知识的现象，从而导致机器人教材特色不明显。

智能机器人教育往往没有固定的教学设计和规划。导致许多教学只能按照产品使用说明书进行教学，不能按照学生接受能力有秩序的开展知识体系教学。

目前学校教育使用的机器人很纷杂，缺少规范。并且绝大部分并不兼容，开放度低。还有就是教学用机器人单机价格偏高原因是销售数量上不去，导致厂商只能抬高价格。

2. 推进机器人教育的几点思考。

（1）注重当前机器人的研发目前应用于中小学教育的机器人功能限制性较强，一般会让人们对该项目的兴趣减退。为了减少这种现象的发生，这就需要将现有的机器人产品不断的推陈出新。从机器人的技术方面上看，教育用的机器人应该有更好的可扩展性与开放性，应该具有更强的交互性，人机界面的友好，程序界面的简易化对教育机器人来说是非常重要的。

（2）如何应用教育机器人开展好教学如何更好的使机器人教育与基础教育理论相结合成为现在应该深入探讨的一个问题。我认为，在中小学阶段，可以将智能机器人教学与“通用技术”课程有机结合；在高中阶段，可以将智能机器人与“人工智能”、“计算机算法”、“机器人制作”、“电子控制”等课程相结合，积极开设“人工智能与机器人教育”。实际上，智能机器人所有的知识体现是有综合性的，使它不仅能成为学生技术成长的良好载体，也可以成为科技课程整合的载体。

（3）如何进行机器人协作搭建将机器人教育深化落实需要各个相关部门的通力协作，既教育主管部门、学校相关部门、社会科技团体、机器人生产厂商之间达到良好的沟通、协作。相互配合将机器人教育提高到一个高度。

3.机器人教学的几点建议综上所述，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。我认为每一位老师都应对这一新事物给予充分的关注，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。不应将机器人教育仅仅视为信息技术、通用技术的内容，每一学科教师都应了解机器人的工作原理，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发现他们天才的潜能。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器人在各学科中的应用。

结 论：

智能机器人课程教程虽只是刚刚开了个头，但我在课程实践和思考中得到了许多的收获：我对教学、教材、教育等这些名词的含义有了新的了解，对课程的理念有了新的理解，教师的责任在于促进学生的发展，和对其各种能力的培养；认识到教师扮演的角色在教学中要有很大改变，要变教学的主导者为学生学习的指导者，学生主动建构知识的帮助者、促进者；智能机器人课程在教学中的实践，使我自身向教师专业化的道路迈进了坚实的一步；师生的教与学是互动的，学生在教师的发展中成长，教师在学生的成长中发展。

[1]彭绍东《信息技术教育的新发展——机器人教育》，湖南师范大学教育技术系. 2002，6

[2] 刘宏中.智能机器人教学评价的思考与实践 . 江北区洪塘中学.信息技术教育 2007,8

[3]郭善渡 大力推进智能机器人进入中小学的进程——郭善渡先生谈机器人教育. 信息技术教育 2005，11 郭善渡:教育研究中心研究员，中国教育学会中小学信息技术教育专业委员会理事兼机器人学组负责人.

[4]陈爱斌《人工智能》课程教学的实践与探索 《株洲工学院学报》2006.6.

[5]高铁生.国外机器人的发展概况和动向 .国防科技大学计算机研究所. 计算机世界报 1994,34