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摘要:随着科学技术的快速发展,机器人已经从科学家的实验室走进了学校的课堂。在机器人课堂教学中,教师起着主导作用。本文在对中小学机器人教育开展情况和教学内容研究的基础上,提出了机器人教师应该具备的知识结构和能力结构体系并对相关内容进行了阐述,最后对这种知识与能力的培养进行了详细阐述。
关键词:机器人教育;机器人教师;知识结构;能力结构
中图分类号:G451 文献标识码:A 文章编号:1673-8454(2009)20-0081-04
一、中小学机器人教育开展概述
从信息技术发展的角度,人们把20世纪80年代称为PC时代;把90年代飞速发展的互联网时代,称为Inter时代;有人预言21世纪将是PR(个人机器人)时代。信息技术的数字化、网络化、智能化发展趋势表明,PC可能被PR取代,Internet也可能成为PR大脑的一部分。机器人正在逐步走进我们的生活,我国的许多学校正在开展各种形式的机器人教育。
机器人教育是指学习、利用机器人,优化教育效果及师生劳动方式的理论与实践。[1] 纵观各地中小学机器人教育的方式,大体可以分为几种:
第一种,通过学校、少年宫、少科站等单位吸收机器人爱好者,组成智能机器人学习小组,以学员制进行活动,并可代表地区参加各类竞赛活动。这种形式是机器人进入中小学生视野最初、最多,也是最有效的方法。目前由于教学条件的限制,大多数学校还处于这个阶段。
第二种,把智能机器人作为信息技术课的内容之一列入中小学信息技术教育课程,这种形式正在形成期,教材的编写、课程的常规性开设正在起步。当然,这无疑会为信息技术学科带来新的活力,对目前信息技术教育重软件应用、轻编程开发的局面也会有所改善。
第三种,机器人教育以研究性课程的形式进入中学,由于研究性学习课程越来越受到重视,也由于机器人教育的长期性、个性化,决定了如果通过研究性学习形式推广,会更有利于对学生创新能力的培养。
图1是针对中小学机器人教学形式的调查,从图中我们可以看出,目前许多学校开展机器人教育的形式主要是信息技术课的一部分内容。教育机器人作为教学内容进入中小学,无论国内还是国外,目前都处于起步阶段。通常的做法是由学校购买若干套机器人器材,由信息技术课程教师或综合实践课程教师进行指导,组织学生进行机器人组装、编程的实践活动,然后参加一些相关的机器人竞赛。目前,只有极少数的地区和学校将机器人教学纳入了正规课堂教学。[2]
2000年,北京市景山学校以科研课题的形式将机器人普及教育纳入到信息技术课程中,在国内率先开展了中小学机器人课程教学。2001年,上海市西南位育中学、卢湾高级中学等学校开始以“校本课程”的形式进行机器人活动进课堂的探索和尝试。2005年,哈尔滨市正式将机器人引入课堂教学,在哈尔滨师范附小、60中、省实验中学等41所学校开设了“人工智能与机器人”课程,用必修课形式对中小学生进行机器人科学方面的教育。此外,香港在高中及高等教育新学制的改革中,在高中“设计与应用科技”课程中增设了机器人制作的课程。机器人教育成为信息技术教育的新载体,并成为信息技术教育改革的一个新的模块。教育部于2003年4月正式颁布《普通高中技术课程(实验)标准》,首次在“通用技术”科目中设立了“简易机器人制作”模块,它是基于计算机技术的学习平台、将机械传动与单片机的应用有机组合的一个选修课程模块。该模块为学生提供了运用当代先进技术和先进思想方法进行设计、制作,以解决实际问题的机会。与此同时,新的高中课程标准在“信息技术”科目中也设立了“人工智能初步”选修模块,迈出了我国高中阶段开展人工智能教育的第一步。
通过笔者进行访谈和实地调查某些小学,例如西安交通大学附属小学(南校区)已经将机器人教育独立为一门学科,并根据乐高和其他厂家的教学机器人的说明书,开发出了适合本校学生的校本教材,在学校的一到六年级都开设了机器人教学,走在了全国机器人课堂教学的前列。
二、中小学机器人教学内容
要开展机器人教育,首先必须解决的问题是有关机器人教育的教学内容。机器人学科是一门交叉性极强的综合性学科,它涉及到了机械制造、自动控制、传感器技术、计算机软件技术、计算机硬件技术等许多学科。[3] 一个机器人包括两个主要部分:机器人的身体和某种形式的人工智能系统。不同的身体部分都可以叫做机器人,如关节手臂被用于焊接和上漆,因此这就决定了机器人教学在内容上的复杂性。我国现阶段中小学开展智能机器人教学,一般包括以下四方面的知识内容:[5]
1.了解机器人概况
这一部分内容主要是给学生介绍机器人常识性的知识,主要包括机器人的定义、机器人本质和原理、机器人的诞生与发展以及在现实生活中的应用等内容,有条件的教师还可以利用互联网让学生搜集一些不同类型的机器人图片和资料,以此来激发学生对机器人的兴趣。
2.熟悉机器人硬件
因为每个学校所使用的教学机器人品牌和类型都不尽相同,所以在学习了机器人常识知识之后,需要给学生介绍所使用的机器人的基本知识,使学生了解、熟悉机器人的硬件结构体系,能够在脑海中形成一个机器人工作的结构示意图。
3.掌握机器人编程
这部分内容主要包括编程语言及编程环境的使用,简单程序的编写,面向实际问题(如直线行走、绕圈等)的编程设计,开发实用的机器人程序,掌握为一种智能机器人下载程序的方法,了解智能机器人的各种传感器和驱动装置的作用,理解并体会程序是智能机器人的灵魂,了解机器人是怎样在人的指挥下工作的。
4.应用机器人项目
根据机器人项目的要求,应用机器人基本知识完成任务。例如,走迷宫、灭火和循线走图形等实验项目。
三、机器人教师的知识结构和能力结构
所谓结构是指各个组成部分的搭配和排列,就知识本身而言,每个知识体系、每门学科,知识与知识之间都有特定的内在联系。知识结构指知识的搭配和排列,[4]教师的知识结构是指作为教师应掌握的相应知识,这些知识是教师进行教学工作的前提条件。教师的能力结构是指教师在全面完成教育教学工作中所应具备的综合能力,它是充分发挥教师主导作用的基础。机器人教师的知识和能力结构就是在机器人教学活动过程中所必须具备的相关教学内容知识和能力体系。
机器人教师的知识和能力是机器人教学开展的前提和必要条件,但由于机器人教育是一个新兴领域,师范院校开设这个专业目前几乎还是个空白。根据最近的调查结果显示,发现目前机器人教师的专业背景不尽相同,有76.3%的教师来自计算机专业,18%的教师是物理专业,其他专业背景很少,仅占5.7%。来自不同专业的机器人教师是否能胜任教学,这是我们普遍关注的问题。
根据机器人教学内容和实践,我们认为中小学机器人教师需要具备的知识结构和能力结构见图2。 1.基础知识和基本能力是教师开展工作的前提
中小学机器人教师和其他学科教师一样,需要具备教育学和心理学理论基础,这是进行教学工作的基础。教师要教书育人,就必须懂得教育规律,掌握教育理论,用教育学、心理学、教学法的理论来武装自己。教育实践证明:科学的教学理论,可以给教师以正确的教育观点,使教师了解教育工作的基本规律和基本方法,以指导教师进行科学的教育工作,加强工作的科学性和预见性,减少盲目性,从而取得最优化的教育效果。
关键词:机器人教育;机器人教师;知识结构;能力结构
中图分类号:G451 文献标识码:A 文章编号:1673-8454(2009)20-0081-04
一、中小学机器人教育开展概述
从信息技术发展的角度,人们把20世纪80年代称为PC时代;把90年代飞速发展的互联网时代,称为Inter时代;有人预言21世纪将是PR(个人机器人)时代。信息技术的数字化、网络化、智能化发展趋势表明,PC可能被PR取代,Internet也可能成为PR大脑的一部分。机器人正在逐步走进我们的生活,我国的许多学校正在开展各种形式的机器人教育。
机器人教育是指学习、利用机器人,优化教育效果及师生劳动方式的理论与实践。[1] 纵观各地中小学机器人教育的方式,大体可以分为几种:
第一种,通过学校、少年宫、少科站等单位吸收机器人爱好者,组成智能机器人学习小组,以学员制进行活动,并可代表地区参加各类竞赛活动。这种形式是机器人进入中小学生视野最初、最多,也是最有效的方法。目前由于教学条件的限制,大多数学校还处于这个阶段。
第二种,把智能机器人作为信息技术课的内容之一列入中小学信息技术教育课程,这种形式正在形成期,教材的编写、课程的常规性开设正在起步。当然,这无疑会为信息技术学科带来新的活力,对目前信息技术教育重软件应用、轻编程开发的局面也会有所改善。
第三种,机器人教育以研究性课程的形式进入中学,由于研究性学习课程越来越受到重视,也由于机器人教育的长期性、个性化,决定了如果通过研究性学习形式推广,会更有利于对学生创新能力的培养。
图1是针对中小学机器人教学形式的调查,从图中我们可以看出,目前许多学校开展机器人教育的形式主要是信息技术课的一部分内容。教育机器人作为教学内容进入中小学,无论国内还是国外,目前都处于起步阶段。通常的做法是由学校购买若干套机器人器材,由信息技术课程教师或综合实践课程教师进行指导,组织学生进行机器人组装、编程的实践活动,然后参加一些相关的机器人竞赛。目前,只有极少数的地区和学校将机器人教学纳入了正规课堂教学。[2]
2000年,北京市景山学校以科研课题的形式将机器人普及教育纳入到信息技术课程中,在国内率先开展了中小学机器人课程教学。2001年,上海市西南位育中学、卢湾高级中学等学校开始以“校本课程”的形式进行机器人活动进课堂的探索和尝试。2005年,哈尔滨市正式将机器人引入课堂教学,在哈尔滨师范附小、60中、省实验中学等41所学校开设了“人工智能与机器人”课程,用必修课形式对中小学生进行机器人科学方面的教育。此外,香港在高中及高等教育新学制的改革中,在高中“设计与应用科技”课程中增设了机器人制作的课程。机器人教育成为信息技术教育的新载体,并成为信息技术教育改革的一个新的模块。教育部于2003年4月正式颁布《普通高中技术课程(实验)标准》,首次在“通用技术”科目中设立了“简易机器人制作”模块,它是基于计算机技术的学习平台、将机械传动与单片机的应用有机组合的一个选修课程模块。该模块为学生提供了运用当代先进技术和先进思想方法进行设计、制作,以解决实际问题的机会。与此同时,新的高中课程标准在“信息技术”科目中也设立了“人工智能初步”选修模块,迈出了我国高中阶段开展人工智能教育的第一步。
通过笔者进行访谈和实地调查某些小学,例如西安交通大学附属小学(南校区)已经将机器人教育独立为一门学科,并根据乐高和其他厂家的教学机器人的说明书,开发出了适合本校学生的校本教材,在学校的一到六年级都开设了机器人教学,走在了全国机器人课堂教学的前列。
二、中小学机器人教学内容
要开展机器人教育,首先必须解决的问题是有关机器人教育的教学内容。机器人学科是一门交叉性极强的综合性学科,它涉及到了机械制造、自动控制、传感器技术、计算机软件技术、计算机硬件技术等许多学科。[3] 一个机器人包括两个主要部分:机器人的身体和某种形式的人工智能系统。不同的身体部分都可以叫做机器人,如关节手臂被用于焊接和上漆,因此这就决定了机器人教学在内容上的复杂性。我国现阶段中小学开展智能机器人教学,一般包括以下四方面的知识内容:[5]
1.了解机器人概况
这一部分内容主要是给学生介绍机器人常识性的知识,主要包括机器人的定义、机器人本质和原理、机器人的诞生与发展以及在现实生活中的应用等内容,有条件的教师还可以利用互联网让学生搜集一些不同类型的机器人图片和资料,以此来激发学生对机器人的兴趣。
2.熟悉机器人硬件
因为每个学校所使用的教学机器人品牌和类型都不尽相同,所以在学习了机器人常识知识之后,需要给学生介绍所使用的机器人的基本知识,使学生了解、熟悉机器人的硬件结构体系,能够在脑海中形成一个机器人工作的结构示意图。
3.掌握机器人编程
这部分内容主要包括编程语言及编程环境的使用,简单程序的编写,面向实际问题(如直线行走、绕圈等)的编程设计,开发实用的机器人程序,掌握为一种智能机器人下载程序的方法,了解智能机器人的各种传感器和驱动装置的作用,理解并体会程序是智能机器人的灵魂,了解机器人是怎样在人的指挥下工作的。
4.应用机器人项目
根据机器人项目的要求,应用机器人基本知识完成任务。例如,走迷宫、灭火和循线走图形等实验项目。
三、机器人教师的知识结构和能力结构
所谓结构是指各个组成部分的搭配和排列,就知识本身而言,每个知识体系、每门学科,知识与知识之间都有特定的内在联系。知识结构指知识的搭配和排列,[4]教师的知识结构是指作为教师应掌握的相应知识,这些知识是教师进行教学工作的前提条件。教师的能力结构是指教师在全面完成教育教学工作中所应具备的综合能力,它是充分发挥教师主导作用的基础。机器人教师的知识和能力结构就是在机器人教学活动过程中所必须具备的相关教学内容知识和能力体系。
机器人教师的知识和能力是机器人教学开展的前提和必要条件,但由于机器人教育是一个新兴领域,师范院校开设这个专业目前几乎还是个空白。根据最近的调查结果显示,发现目前机器人教师的专业背景不尽相同,有76.3%的教师来自计算机专业,18%的教师是物理专业,其他专业背景很少,仅占5.7%。来自不同专业的机器人教师是否能胜任教学,这是我们普遍关注的问题。
根据机器人教学内容和实践,我们认为中小学机器人教师需要具备的知识结构和能力结构见图2。 1.基础知识和基本能力是教师开展工作的前提
中小学机器人教师和其他学科教师一样,需要具备教育学和心理学理论基础,这是进行教学工作的基础。教师要教书育人,就必须懂得教育规律,掌握教育理论,用教育学、心理学、教学法的理论来武装自己。教育实践证明:科学的教学理论,可以给教师以正确的教育观点,使教师了解教育工作的基本规律和基本方法,以指导教师进行科学的教育工作,加强工作的科学性和预见性,减少盲目性,从而取得最优化的教育效果。