中小学机器人教育课程解读

☆钟志强 张毅宁

（鞍山师范学院物理科学与技术学院，辽宁鞍山 114007）

据教育部《中小学信息技术课程指导纲要（试行）》（教基[2000]35号），中国教育学会中小学信息技术教育专业委员会《中小学信息技术课程指导纲要（试行）》解读，《中小学机器人课程指导纲要（征求意见稿）》（2004年12月）国内专家学者有关研究，经鞍山市中小学生机器人教学调研，鞍山师范学院2012校级科研项目之《鞍山市中小学生机器人教育问题与对策》课题组认为：人工智能技术是信息技术发展的一次重大飞跃，信息技术教育未来发展的趋势必然是向机器人教育重心转移。人工智能机器人教学集中承载着中小学信息技术教育的诸多核心价值，是全面培养学生信息素质、提高其创新精神和综合实践能力的良好载体。中小学机器人教育是以现有教育机器人产品的程序设计为核心，以培养学生逻辑思维为主线，通过研究性学习的教学实践活动，完成多学科教学内容的学习，最终实现培养创新人才教学目标。课题组初步确定其研究成果之课程体系的课程性质、目标、对象、内容。诚咨国内同仁、中小学机器人教育一线教师意见。

一、课程性质

事物的性质是事物本身所具有的与他事物不同的外部特征，也是反映与其他事物间存在各种关系的事物的各种属性和把这种事物与其他事物区别开来的本质属性[1]。课程性质是指该课程表现的课程内容的基本状况，反映其所在学科体系的位置或作用，是与其他课程区别的本质特征。

中小学机器人教育与大学机器人教育区别较大。大学机器人教育列入了人工智能、自动化等相关专业的课程之中。机器人学科教学是指把机器人学看成是一门科学，其内容涉及机器人学的概况、数理基础、运动学、动力学、位置和力控制、高级控制、传感器、高层规划、轨迹规划、程序设计等内容[2]。

当前，信息技术、通用技术、综合实践等课程已经是我国中小学教育的重要组成部分，但在课程内容的选取上，明显缺乏前瞻性和有效培养学生创新精神和综合实践能力的针对性（2008,郭善渡）。例如：目前中小学各学段的信息技术课程，绝大部分内容是Office等应用软件的使用。有人讥讽这是在为微软公司办培训班，背离了基础教育的宗旨。中小学机器人教育课程的核心是智能技术，其外延则涵盖了机械制造、电子通讯、生物仿真等多个学科和技术领域。从信息技术的内涵讲，应主要包括传感技术、程序设计等方面。

二、课程目标

中小学机器人教育课程是为了进一步落实信息技术教育的选修课程，以培养学生良好的信息素养、创新精神和实践能力为主要目标。机器人教育以培养学生逻辑思维为主线，以综合性、实践性和探究性为学习特征。不要求学生立刻参加各种机器人竞技大赛和将来投身机器人开发行业，而是培养学生对智能机器人的兴趣，让学生了解和掌握以智能机器人为载体的通用技术与信息技术的基本知识和技能，了解技术的发展及其应用对人类生活和科学的深刻影响。还要使学生学会运用信息技术增进交流与合作，拓展视野，形成解决实际问题的能力和终身学习的能力[3]。

三、教学对象

机器人教育教学对象是对机器人制作感兴趣的四年级开始的小学生、初中生。不同阶段的学生，其认知水平不同，要实施机器人教育，必须根据不同阶段的学生分析其认知发展规律。著名的儿童教育学家和心理学家皮亚杰认为[4]：儿童的认知是由他自身与外部世界不断地相互作用而逐渐形成的一种结构。以运演（operation）作为标志，可以把儿童的认知发展过程划分为四个阶段。感知运动阶段（0至2岁），前运演阶段（2至6岁），具体运演阶段(7至11岁)，形式运演阶段（11／12进入）。运演并非指形式逻辑中的运演和一般数学上的运演，而是指心理运演，即指对表象、概念等符号表征系统在心理上进行的、内化了的操作。

小学三年级前，由于儿童认知发展在具体运演阶段，心理操作已有可逆性与守恒性，但还离不开具体事物的支持,心理操作的内容与形式还不能分开,尚处于低级的阶段。所以，不建议开设机器人教育课程。小学三年级后（一般都在10岁后），儿童认知在形式运演阶段，心理操作已经脱离具体事物的束缚,内容与形式之间已完全区分,运演已达到可以通过命题和假设来进行的高级阶段。此时，开设机器人教育课程合乎学生认知发展水平。

机器人课程教学对象不特别针对智力超常生，爱好特长生，没有学校学习成绩限制。学习成绩会影响课程内容学习速度，不会影响学习的发生和最终结果。

四、教学目标和内容

1.小学阶段（四年级开设）教学目标

（1）了解机器人的应用，学习简易机器人的组装，培养学习使用机器人的兴趣。

（2）了解机器人的基本工作原理，学习各种机械传动装置、常见传感器和通讯方式的基础知识和使用技能。

（3）掌握机器人运动相关数学知识。如：角度分类与测量，基本几何图形的性质等。拓展形象思维和直觉思维训练。

（4）初步掌握学习图形化编程语言。如：会编写具有变量、函数、循环和判断语句的简单程序指挥机器人做预定的动作。培养逻辑思维能力。

（5）在学习和使用智能机器人时学会与他人合作，遵守游戏规则。

（6）在教师的指导下，自行开发简单机器人程序。培养创新意识。

2.小学阶段教学内容

小学阶段机器人教学内容纳入信息技术或综合实践课，可使用 20～40学时；使用 LEGO＿MINDSTORM＿NXT教学机器人并利用MINDSTORM＿NXT图形化编程语言实现以下教学内容。机器人小车搭建查看其使用说明。具体内容如表1。

表1 小学阶段机器人教学内容

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3.中学阶段（初中）教学目标

（1）了解智能机器人的发展变化及其对工作和社会的影响。

（2）掌握机械传动装置、常见传感器和通讯方式的协同工作的方法；初步了解机器人多机协同工作的工作原理。

（3）能够综合运用与机器人完成任务相关的物理学知识。如：力，速度，距离，摩擦力，惯性，杠杆等。加强逻辑思维培养。

（4）初步掌握代码语言（java或c语言）基本原理和过程，会编写简单语言程序指挥机器人做预定的动作。

（5）在合作学习的基础上，能够独立查阅相关资料结合任务完成研究性学习，培养创新精神。

4.中学阶段教学内容

中学阶段机器人教学内容纳入信息技术或综合实践课，可使用 20～40学时；使用 LEGO＿MINDSTORM＿NXT教学机器人，并以LeJOS NXJ编程语言为主完成教学内容。机器人小车搭建查看其使用说明。具体内容如表2。

表2 中学阶段机器人教学内容

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以上二个阶段共二十个模块层级递进，综合考虑学生的心智发展和其它学科学习状况，在教学知识体系和操作方法上设计前后有序。教学题目由教师演示，并由学生模仿完成；教学作业与同主题教学目标知识认识水平相当。在教师帮助提示下，尽可能经学生自主研究完成；备用教案使用目的是根据学生学习速度调整学习内容,并且开阔机器人对应模块技术运用眼界。考虑学习的器材供应量和学生学习的速度亦可适当延长课时。

五、下一步工作

目前，中小学机器人教育的开展,在一定程度上是由教育机器人企业在推动。虽然企业为此做出的贡献应当予以肯定,但随着机器人教育的逐渐深入与普及,目前亟需教育行政部门、教学研究机构给予充分的关注、协调与引导，并加强校本课程建设和自身师资力量的培养[5]。本次研究力求明晰课程目标，完善教学内容，其评价方式也在探讨中。行经实践的检验后教材的编写、教学设计的探索也将接踵而来。机器人教学对学生学业水平的提高正在进一步的分析论证。同时，师范院校机器人教学的课程培养方案也在筹划和实验中。

[1]肖前.马克思主义哲学原理[M].北京:中国人民大学出版社,2004.

[2]蔡自兴.机器人学[M].北京:清华大学出版社,2000.

[3]王晓芜.智能机器人教育探索创新人才培养新模式[N].中国教育报,2010－06－18,(3).

[4]J.Piaget.The Principles of Genetic Epistemology[M].London:Rout ledge＆Kegan Paul Ltd,1972.

[5]张剑平,王益.机器人教育的现状、问题与推进策略[J].中国电化教育,2006,(12):65－68.