校外机器人活动与学科课程整合教学初探

张超 谢鹏 李彦超

【摘要】机器人活动是当前学生科技活动的热点。把校外单位开展机器人教育活动带入校内，在北京多所中小学开展了机器人活动积累了一些经验。分析机器人教育的现状，开展校内外在教学活动中尝试建立机器人知识与校内学科知识的联系，并阐述了校内外结合的课程活动设计，能够更好地服务学生学习发展。

【关键词】校外机器人活动 学科教学 课程整合

机器人是一门综合性学科，涵盖数学、物理、信息技术等众多学科知识。由于师资方面因素及功利性竞赛活动的影响，这项活动没有完全发挥出应有的教育作用。2020年，教育部提出“强基计划”，更加重视学科知识应用型人才的培养。校外教师利用专业优势主动联系和配合校内教师把机器人活动与学科教学整合起来，互相渗透整合，既可以帮助校内教师丰富教学内容，也可以让学生在校外活动中利用学科知识通过机器人手段解决问题。

一、机器人教育的现状

中小学机器人教育一般通过工程结构搭建组装机器人，计算机编程来控制机器人。在教学中运动到多种技术涉及多学科的知识融合，很好地锻炼了学生的思维能力，创新能力，计算能力，以及团队协作能力。校内校外单位，社会培训机构均有开展，主要形式涵盖各级竞赛、校外活动课、兴趣培训班、信息技术选修课等。由于涵盖广泛，涉及知识丰富，教学模式多样，器材种类繁多，缺乏相关评价方式的研究，百花争艳的状态，一直没有形成统一的机器人课程标准。另外，师资力量薄弱相对，多数学校是一些信息技术或科学老师兼职工作。机器人竞赛开展在初期确实加速了中小学机器人项目的普及，但现今因一些社会因素介入导致过分追逐竞赛，限制了机器人教育教学资源的开发，忽视了综合能力培养。

由此可见，校外教师在服务中小学生机器人教育上大有可为。我们可以主动向学校伸出“橄榄枝”，开展STEAM教育理念机器人课程，重视技术和知识与机器人的融合，开展情景教学和探究性学习活动，针对活动设计评价系统，并开发课程及活动资源，促进机器人教育良好的发展。

二、校外结合校内学科知识点，激发学习机器人兴趣

校外不像校内有专业机构开发的规范教材，但校外机器人教学中一般采取“做中学”的形式，边做边学，分數成绩排名不是指挥棒，不以成绩论成败的，更注重牢固基础。校外教师在充分了解校内学科教材的基础上，从中挖掘与机器人学科相关的知识，设计活动方案。活动中通过联系、建构、反思、延续的过程，有意识地去贴近校内学科某个知识点。活动中引导学生讨论发言，回忆课本知识，帮助学生感受到基础科学知识与机器人有相关性，自己学的课本知识有用武之地。从而实现让学生像小发明家一样，结合书本知识，以小组为单位合作，发挥想象力，动手实践设计制作机器人，并为机器人编写程序，解决实际问题。这样既能让学生了解知识，又能让他们学会发现，学会探索，拉近与机器人的距离，让他们用双手把生活中很多有趣的东西有形化、灵动化。

比如，在搭建机械结构时，发现多边形的结构不稳定，容易发生形变。引导学生们观看并绘制出所搭建结构的几何图形，引领他们联系书本知识找到其中的稳定结构，回忆三角形的稳定性知识，从而利用斜拉固定制造三角形结构减少晃动。同样，在讲授剪叉伸缩式机械臂时，可引导学生观看机械臂，结合平行四边形的规则平移，来引导学生归结出该类机械臂设计的细节两边平行且相等。在讲授变量编程时，可以依托数学课的四则运算，让学生实际操作变量的加减乘除，让学生对变量的写入读取运算有更直观的认识。

三、校内外共同挖掘机器人活动中的知识，充实学科课程资源

在机器人学习过程中，多以学习编程语言、工程结构、传感器使用方法，系统调试为主，对于中小学生来说较为专业和枯燥。而我想对于孩子来说机器人应该是一种玩具，所以我想打破传统对机器人项目的理解，通过活动把机器人与校本课程及学科知识相结合，创设情境激发学生的好奇心和求知欲。

在校内学科教师的支持下，发挥校外教师的专业性优势和资源优势，主动开展贴近校内课程的机器人活动方案或展演，帮助校内学科教师了解机器人。然后校内外教师面对面地坐下来，悉心研究、认真探讨，找到机器人与学科课程的最佳契合点，让机器人成为一种全新的教学载体。校内外教师一起结合校内学科课教材，针对某个知识点提出机器人的解决方案。进而开展校级市级研究课示范课，请教研员督导完善课程，开发校本课程。例如：运用机器人小车作为辅助教具，研究速度，路程，时间的关系。设计编写机器人程序利用ph值传感器，记录酸碱中和实验中的ph值变化。印证酸碱中和的结果。

现今的部分中小学面临“330”工程难题，给校外教育结合校内发展带来了新的机遇。校外教师发挥辐射引领作用配合开展校内活动课责无旁贷，与校内学科课程结合的活动课，不但让学生关注学科知识，更意在让他们利用校内课堂知识通过玩机器人去解决生活的问题，给他们机会“学而时习之”。例如，计算圆轮子的周长，控制轮子转动的圈数。可以制作一台机器人小车丈量操场的宽度。也可以制作一台机器人走迷宫，利用传感器测量距离。也可以帮助组织机器人兴趣小组活动，达到普及与提高并重的作用。

四、与小学科学课整合的课程实例

本次研究对象是北京市展览路第一小学五年级学生，以机器人战陡坡为例，为学生设计的一次别开生面的科学课期末活动。改变了以往书面的考试形式，变为一次探究的实验，让科学也可以演起来，玩起来，用起来。学生们收获了喜悦，也增进了对科学的热爱，体会到了课本所学知识的实用性，活动也最大限度解放学生的思维，完全保护学生的创意，不以设计的成败与否为评价标注，失败只要分析出原因，找到改进之道一样是成功的开始。鼓励学生回忆自己的科学课学习过程，和记录本次活动中的研究过程，发现并矫正自己的不足，加深对科学课的课本知识理解，引导学生对课本知识理解之后的再认识，使学生意识到科学服务于生活。

（一）教学目标

1.知识与技能。学生搭建一个能爬坡的机器人，了解摩擦对于机器人爬坡的重要性并加以利用，了解齿轮传动比对马达输出的影响。

2.过程与方法。学生通过听讲获得间接认识，通过动手操作获得直接认识。学生在解决具体问题时以小组合作探究式的学习方式进行学习。通过动手实践，检查设计方案、反复实验、反思完善来制作机器人。

3.情感态度与价值观。激励学生根据事实大胆设想、大胆尝试去用机器人手段解决实际问题积极思考。让学生体验理论来源于实践，又指导实践是科学研究的必经过程。养成严谨求实的科研作风，锻炼细致深入的观察、严谨科学的记录、分析现象背后因缘的实践科学思维能力。

（二）教学内容安排

教学内容是让学生设计并搭建一辆能够爬陡峭斜坡的机器人。并且在机器人爬到坡顶时要求机器人停止。课堂中准备了3个不同坡度的分别为30度，45度和15度斜坡，斜坡斜面长度为1米，要求记录爬坡的时间。抽签3选1，决定要完成的坡度。發放一种机器人动力输出结构，轮式机器人。利用同一种结构采取不同的齿轮比完成测试。要求只要让机器人完全行驶过斜面挑战任务即可完成，如挑战失败，要求分析失败的因素和自身方案的不足。

（三）教学过程

1.提出任务。展示3个不同坡度的斜坡，利用两种结构，设计并搭建不同的齿轮传动比的机器人，看看能否爬上陡坡。

2.分析任务。拿到机器人，思考怎样的齿轮配比才能让他更好的爬坡。

3.组内讨论。提出自己的想法，听取他人的意见。

4.提出问题。学生观察、猜想、假设、提出问题，你认为你的机器人完成此任务的难点在哪里？机器人不同的齿轮传动组合，各自的优点和缺点。完成此任务需要克服哪些困难？

5.结构设计。学生讨论并发表自己的观点。应当考虑的设计要素：齿轮的传动比;小齿轮带动大齿轮，得到较大的扭矩。大齿轮带动小齿轮，得到较大的输出速度。

6.解决任务。小组分工合作完成此项任务。学生从教师机下载程序，并运行测试完成搭建和编程的小组到场地进行试验和记录与爬坡小竞赛。

（四）学习效果评价设计

设计学生的实验记录表：（1）我们的预测;（2）我们想要这样试验;（3）试验的结果;（4）我的们想法或发现包含对预测的结果，对其他组结果的分析。

学生在进行实验测试时，教师以引导学生观察记录为指导要点，让学生学会记录搜集数据，尝试进行分析，以便学生间的交流，和作为归纳结论的事实依据。学生进行汇报分享时，要求积累别的小组发言互相启发，自由大胆地表述自己的看法。

本次活动以分组挑战实验引入，并以实验的揭秘为主线贯穿全课。在学生认识齿轮的前提下，选择学生感兴趣的问题进行研究。通过小组讨论完成实验设计，分析实验结果，最终通过讨论和教师的引导结论。机器人器材，以其模块化的搭建和编程控制，为学生搭建了一个方便的测试平台。利用控制变量的方法，活动的探究程度可控，如本次活动只希望考核学生对齿轮传动的理解，则可以编程设计每辆小车马达开启同样的时间，搭建成相仿的结构，只供选取不同的齿轮比。如希望通过对比了解轮式、腿式、履带式机器人爬坡的能力，则可直接提供相关模型的机器人，让学生进行爬坡测试实验，验证其中的道理。如初中学生使用本案例，则可加入重心对机器人的影响。

五、总结

当然，由于机器人结合学校教材开发综合性活动课程在国内还是处于起步阶段，课程结合的探索也还在初步进行中，课程完全落地校内还需要付出更多的努力。活动的设计还需要校内外教师的沟通，课程体系设置，课程内容，课程时间，评价系统，等等。而且，机器人与学科教育的结合度要拿捏准确不应喧宾夺主，也不生加硬入。但从长远看来，结合校内外优势，给学科教育加入新“沃土”，完全可以实现互利互惠，平时注重以机器人为载体与其他学科融合的教学开发，从而为以后机器人教学进入课堂，作好充分的准备，是很好的途径。广大校内外教师可以在实践中不断探讨积累，共同促进学生发展。

参考文献：

[1]沈莲.小学智能机器人校本课程建设的实践与探索[J].小学科学，2012，（05）.

[2]高山.构建“中学机器人校本课程”的实践研究[J].中国教育信息化，2020，（03）.