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智能机器人——信息技术课程的有效延伸

摘要：本文就教学中智能机器人课程开展的情况，结合当前信息技术教育的特点和学生发展的实际情况，从智能机器人课程的特点、与当前信息技术教育的有机结合、实际案例三个方面，阐述了笔者的观点：智能机器人教育，是当代教育环境下信息技术课程的有效延伸。本文结合笔者实际教学过程与经验，对上述主题进行了比较详尽的论述。

关键字：智能机器人 延伸

随着各类中小学智能机器人竞赛的开展，智能机器人开始被教育界越来越广泛的接受与重视。然而，绝大部分的学校仅仅将机器人活动作为了学校品牌建立的手段，很少从本质上看待机器人教育对课程改革和学生发展的重要性。在实际工作中，很多学校采取了竞赛前突击训练的方式。在这种背景下，广大学生能力真正得到了提高吗？答案是否定的。这种模式的采用，仅仅让很少部分学生得以接触该项内容，并且仅仅是针对比赛的专项培训。今天的教育，正逐步向均衡教育发展，如何让更多的孩子接触智能机器人，让更多的孩子从小就树立正确的信息素养，是我们信息技术教育工作者必须面对的问题。
“四川省义务教育课程改革实验教科书《信息技术》（九年级下）”的出版，给我们的教学工作提供了很好的指导。智能机器人第一次写入了我省中小学教材。下面结合笔者的实际教学过程中的得与失，谈谈自己对智能机器人教学工作的认识。笔者认为，智能机器人——是当代技术发展前提下对信息技术课程有效延伸。
一、智能机器人课程的特点
笔者认为，智能机器人课程在课程通性的基础上，具有其独特的风格。只有我们首先了解这点，才能在课程开展中占据主导地位。从实际教学经验的积累过程中，笔者认为其特点主要表现在下面几个方面。
1、智能机器人的认识过程是一个从感性到理性的渐进过程。
我们认识智能机器人，首先需要从感性上激发学生的兴趣。笔者在教学过程中，首先是用展示的方式向学生明确什么是智能机器人。用具体的任务展示让学生明确智能机器人其实就是我们设计出来的为某种专项任务而生成的机器。笔者在实际教学中发现，智能机器人的课程是一个感性的认识——理性的分析——技术的完成的过程。
2、智能机器人，具有浓烈的信息技术项目工程的独特之处。
从教学过程中看，智能机器人的教学过程在中小学中普遍采取任务驱动方式。在基础知识掌握的情况下，完成一个智能机器人的设计工作，其实就是一项信息技术工程。从需求分析到整体设计，从顶至下形成初步方案，再拆整为零，最后组合调试。这就是笔者教学过程中采取的任务驱动教学模式。从过程来看，具有强烈的信息工程特色。
3、智能机器人，是一项具有浓厚综合性的教学科目。
与信息技术其他教学内容相比较，智能机器人具有很浓厚的综合性。它不仅仅牵涉到了程序设计，同时与之有关联的内容有：工程学、逻辑学、物理学，甚至还牵涉到了社会科学。从这点看，智能机器人的教学内容不仅仅停留在了程序设计上面，还应覆盖多门相关连的学科知识。
以上三点，是笔者在实际教学过程中对智能机器人课程的一个认识和总结。笔者认为，只有先行了解了这三大特点，我们才能在教学活动中有得放矢。
二、智能机器人教学与传统信息技术教学的有机结合
信息技术教育，不仅仅是计算机技术教育，更重要的是让学生学会在以计算机为代表的当代信息技术条件下如何利用这些工具更好地服务于生活。信息素养的培养，是信息技术教育的最终目的。只有明确了这个指导思想，我们的信息技术课程才能发挥其最大作用。
具体到智能机器人的教学中，我们必须以这个为指导，才能使学生通过系统的学习培养起如何利用理论知识解决实际问题的能力。这也正是我们所追求的信息技术课程最终教育目的。
智能机器人与信息技术教育不是分割开的，相反，两者具有着相当的连贯性。笔者认为，智能机器人是当代信息技术教育的延伸，是整个信息技术教育体系中的有机组成部分。智能机器人的教学与传统信息技术教学内容是一个整体，它们有着强烈的内部联系。
从智能机器人教学工作的三大特点我们不难发现，要有效进行智能机器人教学工作，我们必须将传统信息技术教育与之进行有机结合。只有这样，我们在开展教学工作中才能有效实现对传统信息技术教育的延伸。
在此，笔者结合自身的教学工作，提出以下几点建议：
1、 以传统程序设计作为智能机器人教学工作的铺垫。
2、 以器材的物理特性、机械特性和信号传输方式作为机器人搭建的基础知识。
3、 以任务驱动方式作为主要授课模式。
4、 在一个具体任务的完成过程中，将信息工程学的相关内容贯穿其中，以传统信息技术教学中的信息工程理论作为指导思想。
5、 强调智能机器人是建立在现代信息技术基础之上。通过任务的分析和完成，强化和深入传统信息技术课程中对学生信息素养的培养。
三、以任务驱动教学为载体
智能机器人的教学过程，是一个活动的过程。在进行具体的教学中，笔者认为，只有以任务为驱动，在合理的任务环境下才能激发学生的兴趣。如果采用传统的教学方式，过于注重理论，对于中小学生特别是义务教育阶段来说，学生很难接受。因为理论化的智能机器人教学内容不符合他们现在的年龄特点。笔者认为，在基础理论掌握的前提下，中小学智能机器人的教学应以具体任务为载体，让学生在活动中掌握基本思想。
下面，以笔者教学过程中的具体操作过程为例，详细阐述如何实现有效的智能机器人教学。
首先，对教材进行分析与研究。通过对“四川省义务教育课程改革实验教科书《信息技术》（九年级下）”一 书的全篇细读，我们可以很容易发现该教材编写的思路：从激发学生兴趣入手，淡化深入的理论化知识，强调学生的能力培养，充分发挥学生的自主学习能力。从内容上看，本教材主要从激发学生兴趣、机器人物理机械结构基本构成、结构化程序设计思想、如何利用现有器材完成具体任务四个方面进行教学。这是我们在进行智能机器人教学工作中第一步需要完成的——明确整体教学思路。
第二，如何激发学生兴趣，是我们进行后续教学工作的有力保障。
兴趣，是信息技术课程的第一保障。在教学中，很多教师在实际过程中往往却忽略了这点。结合实际工作过程的得失，笔者认为，激发学生的兴趣，必须分阶段的结合实际案例，以具体的事例来吸引学生。
第三，在第一阶段的基础上，形成一套完整的教学步骤。该步骤应针对中小学生的年龄特点，分阶段、成梯形递进。
第一阶段，带领学生进入机器人的世界。笔者利用我校机器人实验室和长期积累的各项比赛成果展示，组织学生现场观摩智能机器人成品的任务展示（如机器人灭火项目，由学生亲自以声控方式启动机器人）。随后，组织学生利用互联网查询如何定义智能机器人，要求学生对智能机器人的发展进行查阅，同时将这些资料整理成文档。
第二阶段，了解智能机器人的运行机制。通过第一阶段，学生产生了浓厚的后续兴趣。趁热打铁，笔者紧接着引导学生了解智能机器人的工作原理——机械结构设计+程序设计。
在这个阶段，应该引入智能机器人的感官系统——各类传感器。此阶段强调学生的自我认识。常用传感器应结合实际例子来进行讲解。这里，以灰度传感器的认识为例。通过事先准备好的寻迹机器人的演示，引出问题：我们的智能机器人是如何识别轨迹的？通过问题答案的寻找，启发学生认识灰度传感器的功能。
第三阶段，结构化程序设计思想的形成。通过第一、第二阶段的学习，学生已经初步掌握了智能机器人工作原理。在这一阶段，主要任务是认识结构化程序设计的一般思路和方法。针对该阶段理论性比前两个阶段明显，理解更加困难的特点，笔者结合实际的教学工作，建议采取结合实际案例分析的方法，帮助学生理解和掌握。
从教材和实际教学过程看，自顶向下的结构化设计思想是最适合该阶段教学的。在这个过程中，我们不仅仅要传授给学生流程图这个基本的程序设计方法，更重要的是要培养学生对实际问题的分解能力。我们在教学中，应从易到难，成梯度上行，注重具体问题分解能力的培养。
下面以走迷宫为例，简述如何具体实现这部分的教学。
首先，引导学生分析问题，并通过对迷宫场地的分析找出解决问题的关键点应该是什么。（场地以全国中小学电脑制作机器人大赛--机器人灭火竞赛场地为例）。通过对现行场地的分析，找到初步解决方案——左手法则。随后，指导学生利用流程图形成问题解决的大致框架（如下图所示）。
开始：启动机器人
前方有无障碍
N
前进
左方有无障碍
Y
前进
左转弯
N
Y
是否为终点
机器人停止运行

然而，这仅仅是一个大体的框架。笔者在教学中以小组为单位，充分发挥学生的能动性，要求学生通过合作探究完成对框架的完善，达到训练学生综合分析能力和信息捕捉能力。
通过两个课时的分析与探究，可以很好地对问题进行详细的分解和完善。在这个过程中我们需要坚持的是，教师仅仅是引领者，必须重视学生分析能力的培养，引导学生学会利用信息技术工程学的一些理论来分析和处理实际问题。
这是笔者在进行教学过程中利用综合性案例——机器人走迷宫对第三阶段教学任务——结构化程序设计思想进行教学的过程。我们可以从中找出进行教学工作的一些经验。
第四阶段，程序编写。笔者认为，对于九年义务教育阶段学生来说，这部分内容应做适当难度的降低。计算机程序设计，是一套完整的学科知识。依靠学生现有的知识结构和有限的课时，我们不可能要求学生完全掌握该部分知识。笔者建议，对于程序设计，我们在课堂教学中应该注重基础性内容，不应当片面的追求深度。对于部分基础较好的学生，不妨采用课后对其进行较为深入教学的方法。这样，我们可以有效兼顾不同层次学生的需要。同时，有效避免了过多的程序设计理论知识对义务教育阶段学生带来的枯燥与乏味。
第五阶段，综合设计。通过前面的铺垫，在这一阶段，笔者以具体任务的实现来纽带，将上面四个基础阶段的内容进行有效整合，通过实际项目来实现对学习内容的巩固与加深。
在这一阶段，我们发现有必要打破上面的步骤，以信息工程学理论为指导，培养学生正确的信息技术工程设计思维与方法。
1）、需求分析：找出工程的功能和性能要求，并生成需求报告。
2）、概要设计：通过需求报告，对任务建立初步模型，包括机械结构雏形和程序基本流程图。
3）、详细设计：深入分析工程需求报告，对需求与功能进行细化，完成系统的详细设计方案（主要是完善程序基本流程图），形成工程设计方案说明。
4）、完成机械结果的搭建：对照工程设计方案，以任务的完成为目的，合理利用各种已有的传感器和配件，完成机器人机械结构的搭建。在这个阶段，我们应该注意结构对任务完成的影响。笔者建议，可以与简单的功能程序（如，直走等）结合起来，在具体的模拟环境中验证结构的合理性。
5）、完成具体的程序设计： 以工程设计说明中的程序详细流程图为基础，采取结构化设计方法，对每个独立工作进行单独编程与测试，保证每个子任务的正确执行。再将子程序通过正确的接口形成整个完整的程序代码。
第六阶段，机械结构与程序的整体调试。在这个阶段，我们应该注重学生严谨的科学的信息技术调试能力的培养。
以上六个阶段，笔者在教学过程中以教材为参考，但不局限与教材，将教学内容进行重整，使整个教学过程更加系统，线索更为明确。教材服务于教学，但教学并能不局限于教材。
第四，作为信息技术教师，特别是从事机器人教学工作的信息技术教师，我们必须不断提高自己的业务能力和理论水平。当代技术的快速发展，对我们提出了超越任何时候的更高要求。这要求不仅仅体现在教学内容的变化上，更体现在如何利用现有课程体系延伸与拓展信息技术教育。笔者认为，在传统教学模式的基础上加强对机器人部分教学内容的深入研究，可以有效实现对中小学信息技术教育的拓展。我们在日常工作中，除了对本学科内容深入研究，还必须提高对教育理论的再认识。只有在一定的理论支持下，我们才能更有效的组织教学。

通过教学实践，笔者发现以上四点可以有效实现利用机器人这个新兴教学工具，实现对中小学信息技术课程的有效延伸。面对新的教学环境和教学内容，我们必须不断的加强学科教学研究，用充实的理论为指导，以学生的发展为目标，不断的完善教学体系，发展教学手段。只有这样，不断的延伸与扩展信息技术教育，我们才能更好的适应当代社会发展对教育提出的要求。

参考资料：
1、《信息技术教育学》，主编 刘成章 高等教育出版社
2、《四川省义务教育课程改革实验教科书信息技术（九年级下）》，
3、《四川省义务教育课程改革实验教科书《信息技术》(九年级下册)解读》，李维民著
4、《软件工程，原理、方法与应用》（第二版），史济民等著 高等教育出版社