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初中机器人校本课程设计研究

摘要:科学素养在现代社会中起着至关重要的作用,机器人教育是实现学生科学素养培养的重要载体和有效途径。本文从课程目标、课程内容、配套教学资源、学习评价四方面对校本课程的设计进行了相应的探索和论述。

关键词:机器人课程;科学素养;校本课程

一、初中生科学素养培养的必要性

科学素质是公民素质的重要组成部分。国际上普遍将科学素养概括为三个组成部分,即科学知识、科学的研究过程和方法、科学技术对社会和个人所产生的影响。调查表明,2018年我国具备科学素质的公众比例达到了8.47%,比2015年第九次调查的6.20%提高了2.27个百分点,但我们的基本科学素养仍有很大的提升空间。科学素养水平的高低直接关系到一个国家的综合国力,青少年科学素养是我国公民科学素养的组成部分。青少年时期的科学教育对一个人科学素养的形成具有决定性的作用,所以要十分重视对初中生科学素养的培养。

二、依托机器人教育培养科学素养的可行性

近年来,随着国家基础教育新课程改革的不断深入实施,我国中小学机器人教育有了较快发展,其教育价值已逐步获得社会的认可。机器人课程是一门涉及机械学、电子学、工程学、自动控制、物理、计算机和人工智能等多方面知识的实践课程。机器人课程是科学知识天然的整合体,通过这个载体,学生们可以体会和应用所学的信息技术、数学、物理等内容,这种整合是浑然天成的,是有机结合在一起的。学生在设计机器人活动中,需要经历“提出问题-分析问题-解决问题”的过程,可以让学生了解科学探究的基本过程和方法,提高科学探究能力。机器人活动的设计,基本上都是用于解决个人日常生活、工作或社会中的一些问题,从而使学生更为关注科技对社会的影响。可以看出,机器人教育和科学素养培养有着密切的关联,机器人教育是实现学生科学素养培养的重要载体和有效途径。机器人教育可让学生了解更多的科学知识,发展学生的科学思维和科学探究能力,非常适合培养学生的科学素养。在机器人教育推广中,课题组通过文献研究、实地观察和交流访谈发现,机器人教育尚存在一些问题。部分学校的机器人教学中并没有教材,这样的学校多以各种机器人竞赛规则为指导进行机器人教学。还有一部分学校利用所使用机器人厂家编写的说明书作为教学内容,而产品说明书的编写缺乏一定的教育性。我国目前尚没有形成一套全国通用的中小学机器人课程教学体系,因此各地都在积极探索、建立适合本地区的机器人课程体系。将科学素养培养作为机器人校本课程开发的重要目标,不仅能够从科学素养培养的角度指导机器人校本课程的设计,还能够为科学素养的培养提供载体。

三、机器人校本课程的设计

1.课程目标的设计。课程目标规定了不同教育阶段的学生通过课程学习以后,在某些方面期望实现的程度。课程内容和教学方法都需要根据课程目标进行设计,课程目标在课程开发活动中的地位十分重要,是所有课程开发活动的基础。根据《义务教育小学科学课程标准(2017)》中科学素养的界定,同时结合初中生的认知特点,课程具体设置了四个不同维度的学习目标,分别是:科学知识、科学探究、科学态度、科学与社会。(1)科学知识目标掌握机器人基础概念、发展历程、工作方式、硬件(控制器、舵机、传感器、电源、马达);掌握编程知识:基本语法规则、程序控制、程序调试;掌握相关机械知识及原理,知道杠杆、轮轴、滑轮、齿轮的原理及使用;认识传动装置,了解齿轮传动、带传动、链传动、蜗杆传动的区别和联系;掌握运动、能量转换、力、速度、功率、电等物理知识。(2)科学探究目标根据主题任务的设定,综合利用相关器材来搭建机器人,能运用科学探究方法解决问题。能够围绕已提出和聚焦的问题设计研究方案,通过收集和分析信息获取证据,经过推理得出结论,并通过有效表达与他人交流自己的探究结果和观点。提高学生的动手能力、合作能力、创新能力、想象力、逻辑思维能力、解决问题能力。(3)科学态度目标对自然现象保持好奇心和探究热情,乐于参加机器人设计活动,并能在活动中克服困难并完成预定的任务。善于从不同角度思考问题并发表自己见解,乐于倾听不同的意见,勇于修正与完善自己的观点。(4)科学与社会目标知道所学的科学知识在日常生活中的应用,理解社会需求是推动科学技术发展的动力,科学技术是社会发展的重要推动力量。2.课程内容设计。课程的内容遵循“基础+体验+提高”的结构进行设计。如图1所示:(1)基础部分主要是机器人的基础知识,包括基础概念、发展历程、硬件(控制器、舵机、传感器、电源、马达)、工作方式,通过这部分内容的学习,可以让学生对机器人有初步的了解,为下一部分实例的学习打下基础。(2)体验部分主要是通过一些具体的实例,让学生完成机器人机械部分的搭建和程序控制。每个实例的组织顺序为“知识基础-机器人搭建-程序控制-拓展任务”。知识基础是关于此实例需用到和需了解的知识,有一定的知识储备才能掌握了相关的操作技能;机器人搭建是机器人的组装过程,其中要充分利用梁、齿轮、轴、蜗杆、齿条、马达等各种构件的力学原理来实现简单的运动;程序控制是在积木拼搭和机械拼搭的基础之上通过程序设计控制机械实现更加复杂各种运动;拓展任务是在前期案例的基础上,布置更复杂、需要合作完成的创造型任务主题,让学生自主实践,在协作学习中进行探索,完成项目的同时,发展创新思维,培养动手能力和创造力。本课程把机械搭建和程序设计知识分散到各个实例中,让学生在完成具体任务的过程中学到知识和技能,避免了分别进行学习而导致知识割裂,不能灵活应用的问题。具体分配如表1所示。(3)提高部分在体验的基础上设计一些综合性的任务让学生完成,在这一部分,学生不但需要操作机器人,还需要熟悉和了解对相应的主题背景,在这个过程中掌握科学知识和发展科学素养。3.教学资源设计。课程资源主要包括图片、动画、视频以及相关的拓展文字资料。课程资源既可作为教师上课的辅助材料,也可作为学生自学的材料。基础部分要提供相应的微课视频,可以为教师实施翻转课堂提供基础;体验部分,要提供此部分机器人对应生活中的形象照片或视频,以提高学生的学习兴趣,同时提供机械原理的演示动画、机器人搭建步骤的操作过程视频,程序编写的录屏讲解视频;提高部分,要提供相应主题的拓展资源。4.评价设计。本课程目的是培养学生掌握相关知识,提高学生的动手实践能力和科学素养,因此对学生的学习情况进行评价是不可少的。自我评价不是采用测试题的形式,而是通过自我评价的形式来让学生养成复习知识、自我综合、自我反思的习惯。每次课后,学生都要完成自我评价表,如表2所示。老师要关注学生的自我评价表,及时掌握学生的学习情况以及存在的问题,并制定出相应的调整方案。

四、总结

当今世界各国综合国力的竞争,首先表现为科技实力的竞争。学校要十分重视对学生科学素养的培养。随着各种各样的教育机器人陆续走进中小学,以机器人课程为载体来实现学生科学素养的培养是可行和可靠的。

参考文献

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作者:李春艳 单位:河北科技师范学院

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