初中機器人校本課程設計研究

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摘要：科學素養在現代社會中起著至關重要的作用，機器人教育是實現學生科學素養培養的重要載體和有效途徑。本文從課程目標、課程內容、配套教學資源、學習評價四方面對校本課程的設計進行了相應的探索和論述。

關鍵詞：機器人課程；科學素養；校本課程

一、初中生科學素養培養的必要性

科學素質是公民素質的重要組成部分。國際上普遍將科學素養概括為三個組成部分，即科學知識、科學的研究過程和方法、科學技術對社會和個人所產生的影響。調查表明，2018年我國具備科學素質的公眾比例達到了8.47%，比2015年第九次調查的6.20%提高了2.27個百分點，但我們的基本科學素養仍有很大的提升空間。科學素養水平的高低直接關系到一個國家的綜合國力，青少年科學素養是我國公民科學素養的組成部分。青少年時期的科學教育對一個人科學素養的形成具有決定性的作用，所以要十分重視對初中生科學素養的培養。

二、依托機器人教育培養科學素養的可行性

近年來，隨著國家基礎教育新課程改革的不斷深入實施，我國中小學機器人教育有了較快發展，其教育價值已逐步獲得社會的認可。機器人課程是一門涉及機械學、電子學、工程學、自動控制、物理、計算機和人工智能等多方面知識的實踐課程。機器人課程是科學知識天然的整合體，通過這個載體，學生們可以體會和應用所學的信息技術、數學、物理等內容，這種整合是渾然天成的，是有機結合在一起的。學生在設計機器人活動中，需要經歷“提出問題-分析問題-解決問題”的過程，可以讓學生了解科學探究的基本過程和方法，提高科學探究能力。機器人活動的設計，基本上都是用于解決個人日常生活、工作或社會中的一些問題，從而使學生更為關注科技對社會的影響。可以看出，機器人教育和科學素養培養有著密切的關聯，機器人教育是實現學生科學素養培養的重要載體和有效途徑。機器人教育可讓學生了解更多的科學知識，發展學生的科學思維和科學探究能力，非常適合培養學生的科學素養。在機器人教育推廣中，課題組通過文獻研究、實地觀察和交流訪談發現，機器人教育尚存在一些問題。部分學校的機器人教學中并沒有教材，這樣的學校多以各種機器人競賽規則為指導進行機器人教學。還有一部分學校利用所使用機器人廠家編寫的說明書作為教學內容，而產品說明書的編寫缺乏一定的教育性。我國目前尚沒有形成一套全國通用的中小學機器人課程教學體系，因此各地都在積極探索、建立適合本地區的機器人課程體系。將科學素養培養作為機器人校本課程開發的重要目標，不僅能夠從科學素養培養的角度指導機器人校本課程的設計，還能夠為科學素養的培養提供載體。

三、機器人校本課程的設計

1.課程目標的設計。課程目標規定了不同教育階段的學生通過課程學習以后，在某些方面期望實現的程度。課程內容和教學方法都需要根據課程目標進行設計，課程目標在課程開發活動中的地位十分重要，是所有課程開發活動的基礎。根據《義務教育小學科學課程標準（2017）》中科學素養的界定，同時結合初中生的認知特點，課程具體設置了四個不同維度的學習目標，分別是：科學知識、科學探究、科學態度、科學與社會。（1）科學知識目標掌握機器人基礎概念、發展歷程、工作方式、硬件（控制器、舵機、傳感器、電源、馬達）；掌握編程知識：基本語法規則、程序控制、程序調試；掌握相關機械知識及原理，知道杠桿、輪軸、滑輪、齒輪的原理及使用；認識傳動裝置，了解齒輪傳動、帶傳動、鏈傳動、蝸桿傳動的區別和聯系；掌握運動、能量轉換、力、速度、功率、電等物理知識。（2）科學探究目標根據主題任務的設定，綜合利用相關器材來搭建機器人，能運用科學探究方法解決問題。能夠圍繞已提出和聚焦的問題設計研究方案，通過收集和分析信息獲取證據，經過推理得出結論，并通過有效表達與他人交流自己的探究結果和觀點。提高學生的動手能力、合作能力、創新能力、想象力、邏輯思維能力、解決問題能力。（3）科學態度目標對自然現象保持好奇心和探究熱情，樂于參加機器人設計活動，并能在活動中克服困難并完成預定的任務。善于從不同角度思考問題并發表自己見解，樂于傾聽不同的意見，勇于修正與完善自己的觀點。（4）科學與社會目標知道所學的科學知識在日常生活中的應用，理解社會需求是推動科學技術發展的動力，科學技術是社會發展的重要推動力量。2.課程內容設計。課程的內容遵循“基礎+體驗+提高”的結構進行設計。如圖1所示：（1）基礎部分主要是機器人的基礎知識，包括基礎概念、發展歷程、硬件（控制器、舵機、傳感器、電源、馬達）、工作方式，通過這部分內容的學習，可以讓學生對機器人有初步的了解，為下一部分實例的學習打下基礎。（2）體驗部分主要是通過一些具體的實例，讓學生完成機器人機械部分的搭建和程序控制。每個實例的組織順序為“知識基礎-機器人搭建-程序控制-拓展任務”。知識基礎是關于此實例需用到和需了解的知識，有一定的知識儲備才能掌握了相關的操作技能；機器人搭建是機器人的組裝過程，其中要充分利用梁、齒輪、軸、蝸桿、齒條、馬達等各種構件的力學原理來實現簡單的運動；程序控制是在積木拼搭和機械拼搭的基礎之上通過程序設計控制機械實現更加復雜各種運動；拓展任務是在前期案例的基礎上，布置更復雜、需要合作完成的創造型任務主題，讓學生自主實踐，在協作學習中進行探索，完成項目的同時，發展創新思維，培養動手能力和創造力。本課程把機械搭建和程序設計知識分散到各個實例中，讓學生在完成具體任務的過程中學到知識和技能，避免了分別進行學習而導致知識割裂，不能靈活應用的問題。具體分配如表1所示。（3）提高部分在體驗的基礎上設計一些綜合性的任務讓學生完成，在這一部分，學生不但需要操作機器人，還需要熟悉和了解對相應的主題背景，在這個過程中掌握科學知識和發展科學素養。3.教學資源設計。課程資源主要包括圖片、動畫、視頻以及相關的拓展文字資料。課程資源既可作為教師上課的輔助材料，也可作為學生自學的材料。基礎部分要提供相應的微課視頻，可以為教師實施翻轉課堂提供基礎；體驗部分，要提供此部分機器人對應生活中的形象照片或視頻，以提高學生的學習興趣，同時提供機械原理的演示動畫、機器人搭建步驟的操作過程視頻，程序編寫的錄屏講解視頻；提高部分，要提供相應主題的拓展資源。4.評價設計。本課程目的是培養學生掌握相關知識，提高學生的動手實踐能力和科學素養，因此對學生的學習情況進行評價是不可少的。自我評價不是采用測試題的形式，而是通過自我評價的形式來讓學生養成復習知識、自我綜合、自我反思的習慣。每次課后，學生都要完成自我評價表，如表2所示。老師要關注學生的自我評價表，及時掌握學生的學習情況以及存在的問題，并制定出相應的調整方案。

四、總結

當今世界各國綜合國力的競爭，首先表現為科技實力的競爭。學校要十分重視對學生科學素養的培養。隨著各種各樣的教育機器人陸續走進中小學，以機器人課程為載體來實現學生科學素養的培養是可行和可靠的。

參考文獻

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作者:李春艷 單位:河北科技師范學院