基于数学任务情境的乐高机器人课程初探

邱雅番

摘 要 随着机器人教育在我国基础教育的不断探索与实践，机器人走进了中小学的课堂，走进了不同的学科。笔者通过研读小学数学教材，以新课程标准为依据，将数学与机器人教学结合，设计出基于数学任务情境下的机器人课程，旨在让学生通过机器人制作与任务完成，形成数学学习的积极性和主动性。对一线从事机器人教育的教师具有一定的参考价值和实践指导意义。

关键词 机器人与数学 乐高机器人 情境教学

中图分类号：G424 文献标识码：A

Lego Robotics Course Based on Mathematical Task Situation

QIU Yafan

(School of Education, Fujian Normal University, Fuzhou, Fujian 350007)

Abstract Robotics education in basic education in China continues to explore and practice, the robot into the primary and secondary school classroom, into the different disciplines. Through the study of elementary school mathematics textbooks, the new curriculum standards based on the combination of mathematics and robot teaching robotics curriculum design based on the context of mathematical tasks, designed to allow students to be completed by robot production and tasks, the formation of mathematics learning enthusiasm and initiative. First-line robot education teachers with a certain reference value and practical significance.

Key words robot and mathematics; Lego Robotics; situational teaching

当前，已经有越来越多的英国教育专家强调指出，以往小学数学内容枯燥，缺乏适宜的教学方法，很难激励孩子们的学习兴趣。①对于我国来说，在新课改之前存在同样的情形。但随着近年来课程改革的不断进展，数学的新课标强调重视学生的经验、强调数学内容要通过问题情境引入、强调让学生经历解决问题的过程，这就使得数学的应用，从传统上数学课程内容的终端，一下子置换到了起点。②秉着新课程的这个理念下，笔者尝试将中小学盛行的机器人融入到小学数学的教学中，以此来讨论机器人对提高学生数学学习兴趣和促进数学知识理解和应用方面的影响。

1 机器人与数学整合的理念

1.1 机器人做中学的理念

随着近年来，机器人教育在我国基础教育的不断探索与实践，机器人教育从机器人竞赛逐渐走向了机器人教学与教育研究。机器人的教育价值使它既可以作为家庭的益智玩具，也可以作为学校课外活动的载体，还可以作为基础教育课程的载体。③建构主义是指从自己的经历和思考中建立自己的知识和表征的观点。④这启示我们，在数学的学习过程，也应该提供给学生去经历、去思考的平台和机会，在已有经验的基础上建构起新的知识体系。而机器人活动不仅让学生拥有高昂的学习乐趣，更提供了他们进行主动建构知识的平台。

1.2 在有意义的情境中学习数学

贾斯珀系列（Jasper series）是20世纪80年代以来美国建构主义教学模式的典范案例之一。其中，他们提出了惰性知识的概念：指人们刻意回忆时能够回忆起来的知识，但这种知识却不能被自发地用来解决问题。而克服惰性知识的形成的其中一个手段就是在有意义的情境中学习。⑤因此，如果还沿用传统的数学教学模式，无疑产生了大量的惰性知识。

机器人与数学课程的整合理念恰恰就是想让孩子们把学到的数学惰性知识通过应用转化成活的知识，去解决生活的问题。我们不在于让学生只学数学，而在于教他们用数学去解决他们的问题。

2 机器人与数学的课程设计

表1 机器人与数学课程目录

选择乐高这一国际品牌的教育机器人套装的NXT蓝牙机器人系列，以及配套的图形化编程软件作为开展此活动的机器人载体。在研读小学数学三年级至六年级的课本，以及教学参考书和新课程小学数学标准，了解小学生数学知识应用状况的基础上，选择适合与机器人教学融合的教学内容，设计出基于数学任务情境下的机器人教学课题，如表1所示。

第一章主要任务是：制作一台机器人，并编写一个程序，让机器人逐步完成自动计时、测距、计速的功能，并将结果转换成一定的单位显示到NXT控制器的屏幕上。掌握这些之后，进行出租车计价器的综合设计，应用路程与单价的关系简单地实现价格的计算，并同步在屏幕上显示（如图1）。本章涉及到的数学知识：圆的周长（小学数学六年级上册）、乘（小数）、除（小数）、毫秒、路程、速度等数学概念和公式，应用到的编程模块有：定时器模块、变量模块、数学模块、数字转文本模块，以及各模块之间数据连接。自动测距的参考程序如图2所示。

图1 出租车计价器在NXT屏幕显示的效果及公式

图2 自动测距参考程序

第二章主要任务是：制作一台可以数出地上有几条黑线的机器人。设计思路是机器人采集到黑线后变量自动加一，然后循环进行，实现变量中的数字不断累加（程序如图3）。在实现数线的基础上增加数字判断：进行定线举旗、定线踢球等趣味性、竞争性的活动。

图3 机器人数线、并进行定线举旗的参考程序

第三部分主要任务是：在NXT控制器屏幕上显示点、线、图形，以及动态地显示动画形象。本节最主要涉及到的数学知识：位置（六年级上册第一单元），而这个知识为以后学习坐标、函数的学习做很大的铺垫。比如一个点的坐标是A（x,y），当y不变，x循环加一，这个点的运动轨迹就是一条横线，那如何让轨迹就变成一条竖线呢？如果x+1，y+1，或者x+1，y+2进行循环累加呢？如果把点换成一只小鸟，一个小人又会怎样呢？这样就激发了学生的大胆想象，各种有趣的动画就产生了。这里需要第三方开发的一个共享软件nxtRICedit.exe，可以随意画出自己的图片素材和中文，然后导出、添加到NXT软件目录下的图片库中即可实现编程了（图4）。

图4 学生在nxtRICedit软件中设计 “愤怒的小鸟”形象

第四部分主要任务是回顾前面所学的各种数学知识和编程知识，提出自己的设计项目然后在团队合作下实现它。例如：同学进行了愤怒小鸟简单版游戏的设计、打地鼠游戏、自动升旗装置、出租车计价器升级版等作品。

3 机器人与数学课程的实施建议

《机器人与数学》是在数学任务情境的驱动下，以机器人课程的形式，学生通过机器人平台、搭建机器人模型、设计程序，应用数学知识完成任务的课程。实施本课程过程中，需要考虑以下条件：

（1）设备的要求。NXT机器人套装数目根据学生人数配备，两人一套，尽量采用小班化教学，以不超过20人为宜。

（2）对学生能力的要求。要求学生在乐高机器人结构搭建和基础编程方面有一定基础，学段最好在四年级以上。

（3）对工程手册的要求。一个团队的整个工程设计过程是非常重要的。因此要求每位学生每堂课都要填写工程手册，包含以下内容：本节课任务、可能用到的数学知识和编程知识、程序流程图、设计进展和过程、成果描述、自我评价、家长评价、指导教师评语。

（4）课程环节力求能够做到贯穿于课前、课中、课后。课前预习，通过搜集资料寻找解决问题需要的数学知识。课中分享与应用，在师生的头脑风暴下分析问题，在机器人设备的支持下解决问题。课后反思：教师上传课堂照片、课程资料等到各学生博客上，以供学生和家长在博客上提出问题、写感受、写评价等。

4 总结与反思

本课程已经在福州市创未来机器人培训学校的课程中进行了实施。通过教师的多次实践和改进，本课程获得了一定的成效，总结在以下几方面起到了积极的作用：运用机器人教学设备提供的亲身搭建、感知，团队合作，逼真的数学学习情境，使学生在不断的任务解决中，实现对数学知识的应用；通过不断的提出问题与解决问题，从而建构出分析、解决问题的方法；通过不断地提出一些挑战性的问题，鼓励学生不断的提出自己的学习目标；通过复杂的任务情境，将分散的数学知识点串联起来，进行数学知识的综合应用；在头脑风暴的学习氛围中，学会互相尊重，学会团队合作与沟通。

同时，本课程存在着一定的局限性。正如格拉摩根大学一位专家家指出，虽然教学实践表明人工智能机器人肯定能吸引小学生积极参与和有目的探究相关的数学知识，但这并不是说，机器人必然会永远保持高度吸引力。⑥我们教师在尝试把机器人作为吸引他们兴趣、承载知识的一个载体，但是它不是学习目的。而本文提出的机器人与数学课程存在内容还不够丰富，与数学知识的整合还不够全面，机器人编程难度较大等问题，在此希望其他一线教师和业内人士予以补充、指正，使机器人与学科的整合能够得到更好的发展。

注释

①⑥章鹏远.人工智能机器人与小学数学教学[J].小学教学研究,2005(6)

② 余文森.个体知识与公共知识——课程变革的知识基础研究[M].北京:教育科学出版社,2010.4:252.

③ 王益,张剑平.美国机器人教育的特点及其启示[J],现代教育技术,2007(11).

④ (美)马丁(Martin,D.J.).建构儿童的科学:探究过程导向的科学教育[M].北京:北京师范大学出版社,2006:200.

⑤ 王文静,郑秋贤.贾斯珀系列──基于情境认知的美国数学学习案例研究[J].教育发展研究,2001(8).