小学科学机器人教学设计

小学科学机器人教学设计（共9篇）

1.小学科学机器人教学设计 篇一

小学机器人教学应用研究开题报告

兖州区矿山学校

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。从各地情况来看，较多的学校只是以课外活动、各种兴趣班、培训班的形式开展机器人教学。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。

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人课堂教学，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，也在高中“设计与应用科技”课程中增设了机器人制作的课程。小学普及机器人教学，指每位学生在小学阶段，都能在某一较长的时间里接受到机器人的教育，不局限于在我校进行，还希望是在区内、市内更多的学校能开展这项活动。

一、本课题研究的背景及意义。

随着社会的不断进步、发展，智能机器人无论在工业、农业，还是在生活和学习中，都有着广泛的应用和影响，它也是一个国家科技发展水平和国民经济现代化、信息化的重要标志。而机器人技术涉又及机械构造术、信息技术、通讯技术等多门学科知识，对广大中小学生来说即充满着好奇与兴趣，又具有挑战性。因此，把智能机器人引入中小学教育课程中，不仅有利于教师探索教育改革和培养人才，更有利于培养青少年创新精神和实践能力，同时也有利于推动我国智能机器人事业的发展和专业人才的培养。

然而，在各中小学校里，推行机器人教学却举步维艰，首先它还没有完整的教育机制作保障，其次是机器人设备价格昂贵，设备更新快，后期维护费用高，最后是老师和学生们自我感觉程序构造复杂，教师感觉学生都难以掌握及接受，等等。出于种种原因，学校开展机器人教育参差不齐，有的望而却步，有的虎头蛇尾，半途而废，有的为了竞赛活动，就只局限于对有特长和兴趣的个别学生进行教学，等等。难怪有人把它说成是“精英”教育，也有人戏称为“烧钱”教育。

二、课题研究的主要内容。

本课题致力于研究一种让大家都容易接受、并行之有效的适合在小学阶段普及机器人教学方案，形成教材及评价标准，利用现有的资源，让学生们都能享受到机器人的课程教育，培养科技人才。

1、如何有效地借助虚拟机器人软件进行教学活动。现在学校都基本上普及的电脑室，在仿真虚拟机器人的系统里利用电脑室进行教学，它投入少、更新快、可普及性强、入门低等特点，不仅可以顺应了学生学习的兴趣和动机,又丰富了学生的课外生活,锻炼学生的思维、空间想象能力和解决问题的能力，而且能够让学生掌握与机器人相关的知识,一定程度上解决当前实体机器人在教育上存在的一些问题，为进行实体机器人教学打下了良好的基础，这也是普及机器人教育的有效途径。

2、如何利用现在的资源进行实体机器人教学活动。在有条件的学校里，把虚拟机器人与实体机器人结合进行教学，避免只把机器人教育的目光完全锁定到虚拟软件上。在教学中注重为学生设臵和创造由外部环境和机器本身形成的千差万别的现实情况，让学生试着去排除和解决干扰，最后完成任务，从而培养学生科学探究精神和动手实践能力。

3、制定科学的机器人教学活动科学评价方案。有教必有评，以评促教，设定科学的评价方案，可以大大地提高机器人教育教学质量，也保证教学活动的有序进行。

三、课题研究的方法、思路及组织。研究方法以先个别后整体，先易后难为原则。首先以小组、个别班的形式入手，探索有实效性、普及性及可行性强的教学内容和方法，编写成册，然后整班、整级进行教学实践，最后形成校本教材。

现正由刘华杰、苗春雷和张东老师对五年级和第二课堂兴趣小组的多名学生进行常规性的教学活动，效果斐然。对于实体机器人的教学，我们正在探索之中，刘华杰、苗春雷、张东等老师，分小组分项目分对足球、灭火、FLL、DIY等机器人项目进行教学探讨，其中各学科老师负责的DIY机器人项目，动手能力强，可创造性高、成本低等特点，正适合学校普及教学活动，正逐渐地整理和形成一套有序而有效的教学方案，下学期准备尝试进行整班教学，形成普及性的教材。

与机器人教学相关的内容繁多，学无止境，我们还创设条件，组织全体师生到户外实践活动，了解更多在我们身边的应用机器人的案例。如参观科技馆内的投篮机器人、弹钢琴机器人，参观毛织厂里的电脑自动织机，等等，扩大学生视野，激发兴趣，开启智慧，提高学生的科学素养。

四、课题研究进度。1、2012年9月-2013年7月，完成我校六年级学段的学生虚拟机器人教学活动，对教学内容、教学方法、教学评价等进一步完善。

2、2012年9月-2013年7月，多小组的形式对实体机器人教学的探索，特别对DIY机器人项目整理并完善，然后实行普及教学。3、2013年9月-2014年1月，尝试对班级学生进行实体机器人教学活动，并对教材进一步的整改和完善。4、2014年1月-2014年7月，顺利完成对整个六年级进行实体机器人教学活动。

5、从2014年9月起，学校每年能正常地对六年级全体学生进行机器人的教学活动，上半学期进行虚拟机器人教学，下半学期进行实体机器人教学。计划在2013年期间举行1-2次全镇或全市性的机器人示范交流活动。

五、课题成员分工。课题负责人：张书虎

课题组成员及具体分工：刘华杰 苗春雷 张冬

课题负责人老师：参与及指导教师进行机器人教学活动，探索和研究机器人教学活动内容和教学方法，编写虚拟和实体的机器人校本教材，并组织成员对教材不断充实和完善，收集及整理优秀课例和论文，编写“小学机器人课程教学评价手册”，撰写课题研究报告。

张书虎副校长：负责组织和引导课题活动、组织交流及教学评价，各项工作活动的落实与监督，如教学课时安排、听课、评课，等等。苗春雷、张东老师：负责机器人教学活动，对课本教材不断地进行充实和完善，协助做好“课程评价标准手册”，组织特长学生对机器人进行深入研究及实践。

刘华杰老师：负责对机器人进行构图设计及创造，活动拍照摄影等档案整理。

苗春雷、张东老师：以小组形式组织兴趣特长的学生对现有的机器人进行学习研究、结构升级、搭建、焊接、调试、维修等，比如我们现有的机器人有如DIY、足球、投篮、人型等机器人。

张冬老师：安排及组织学生对各类机器人进行认识和探究，扩大视野，激发兴趣，引导和鼓励学生对机器人进行大胆的设计和创造。

刘华杰老师：指导学生利用与机器人有关的知识进行改进和完善，特别是对日常生活和学习中不完整、不完善的工具或物品，形成自己的小发明、小创造

六、预期成果。

1、激发学生兴趣、开发学生潜能，开启学生智慧。

2、完成一套完整的适合普及小学机器人教育的教材——《机器人基础教学》虚拟篇和实体篇。

3、完成机器人教学活动评价手册。

4、整理机器人教学活动优秀案例集、课例集、论文集等等。

5、《小学机器人教学应用研究》研究报告。

6、能在全区乃至全市范围内举行普及机器人教学展示活动，起着引领和示范指导作用。

七、保障条件。

1、时间的保障

由学校统一安排机器人教学课程，在六年级学段每周设臵一节机器人教学活动时间，每周五学校第二课活动时间，成立机器人兴趣小组并进行机器人教学活动，每天下午第三节，安排机器人特长兴趣小组的学生进行机器人的学习与探索。

2、物质保障

2012年，在兖州区教体局的大力支持下，投入专项资金建立机器人制作室，配备多煤体教学平台、用于编程调试机器人的电脑、教学机器人及训练场地等设备。以后每年学校投入约1.5万元用于设备的更新和维护，还有印制教学课本、电教设备、机器人设备更新维护、专家讲座指导，等等。

3、成立机器人实验室教育教学工作组。张书虎副校长为课题组顾问。苗春雷老师为组长，课题组成员参与到机器人的教学活动中，保证机器人教学活动的顺利进行。

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索！现在进行普及机器人教学的研究，也算是一个新的起点，课程改革的新亮点，借此机会，恳请各位专家、领导和老师们提出宝贵的意见或建议，谢谢大家！

2013年4月6日

2.小学科学机器人教学设计 篇二

一、面向对象方法的概念

面向对象方法是一种以现实世界实体或概念实体为认识基础的方法。对象可以表示真实世界中的事物，如：猫、汽车、书包等;也可以表示纯概念性的实体，如：手机号码、姓名等。同时每个对象又可以由多个其他对象组成，如：汽车是一个对象，由发动机、变速箱、轮胎等对象组成。每个对象包括：实体、属性、行为等几个方面。对象是一类事物的描述，这类事物的具体个体称为对象的实体。如：教学中的机器人，“机器人”是一个对象，具体的“1号”机器人、“2号”机器人等就是“机器人”这个对象的实体。一个对象可以有1—n个实体。属性是封装在对象中的数据，如：机器人的重量、电动机的功率。行为是指对象所能完成的事情，通常是被动对象为其他对象提供的服务行为。对象之间通过消息传递来实现相互之间的通信。由于对象的独立性、封装性、可重用性，使得完成并发操作变得逻辑清晰、容易实现，系统部件的设计可以重复使用，从而减少了机器人设计中设计、测试等工作量，进而大大加快设计、实现进度。

二、机器人平台的对象组成

机器人通常由机身、能源系统、控制系统、动力系统、传感器等组成，我们以面向对象方法来认识机器人。机器人是一个大的对象，由机身(对象)、能源系统(对象)、控制系统(对象)、动力系统(对象)、传感器(对象)组成，而这些子对象又可以由更小的子对象组成，如：控制系统可以由微控制器、存储器、输入输出端口等组成。其中控制系统是机器人的大脑，是机器人的指挥中心。我们学生用的机器人一般采用的是控制系统集中控制机器人的各个部件，控制系统和其他各个系统间通过模拟信号传递信息，是一种传统的结构化设计方式。当机器人部件进行删减或者机器人的功能结构比较复杂时，这种传统的结构化设计方式将导致工作量异常的大，造成系统实现时间的拖延、实现费用的超支。虽然不会有任何的“银弹”会使机器人系统的设计变得简单，但是由于对系统认识的不断深入和开发方法的不断改进出现了一些新的方法，其中面向对象方法是一种出色、快捷的方法。

三、机器人平台面向对象化改造

机器人一般分成集中式控制和分散式控制。现代实用机器人采用“总线+数字化部件”的分散式结构，系统各个部件之间通过总线传递数字信息，提高了系统的抗干扰性，增加了可靠性及保险性。面向对象方法更适用于这种结构。在小学机器人教学中，我们对教学机器人平台改造，向实用机器人结构靠拢，以每一个部件为一个对象。出于对整个系统成本及复杂度的要求，我们选用I2C总线为系统的通信总线，现在流行的微处理器基本都带有I2C总线或与之等效的TWI总线。我们以能源系统为例，能源系统是机器人的关键性基础部件，将能源系统作为一个对象，能源系统中采用一个微处理器对能源系统进行监控、处理，电源类型、电源容量、电源温度、输入电压、输入电流、输出电压、输出电流等作为对象的属性，电源的数字开关、强制散热风扇开关、输出电压控制、输出电流控制、I2C总线通信等作为对象的行为。其他的系统也采用相同的方法进行模块化、数字化改造。在控制系统中建立相应的软件模块，控制系统通过I2C总线同其他模块进行通信，控制系统通过I2C总线发出：get (moduleID, propertyID)、set (moduleID, propertyID)等命令。整个系统的各个对象模块通过I2C总线松散耦合，对象之间通过对象的接口进行通信，对象模块隐藏内部的设计，使整个机器人的设计变得简洁、高效。

四、机器人平台面向对象方法的学习和应用

通过数字化、模块化改造后的机器人各系统，在教学过程中展示给学生的是一个个相对独立的模块，模块内部的结构可以随教学的深入将逐步地向学生讲解，让学生参与到底层设备的设计、实现中来。在教学过程中不断培养学生独立解决问题的能力。以对象为基础的模块化设计可以大大降低整个系统设计、调试的复杂程度。学生所使用的是经过改造过的机器人平台，首先根据任务的需求制定任务需求说明书，然后根据任务需求分解到各个功能模块，对平台提供的模块进行辨析，确认模块是否能满足需求，如：我们进行的一项任务中，要求机器人能够对所行进的路线绘制数字地图，就要求传感器系统能够对行进的距离计数、对每一次转向的角度进行计数，而平台并没有提供这些功能，这时就需要对传感器模块进行扩充，同时控制软件中应增加相应的软件控制模块。学生遇到了这样的问题，首先自己查找资料制定自己的解决方案，然后进行小组讨论，在讨论会上每个小组提出自己的方案，教师进行指导，提出一个或多个优化方案。在这个问题中对行进距离计数一般采用根据轮子转的圈数进行计算：D=2*PI*R*(N+K/M), D为行进距离，R为轮子的半径，N为转过的圈数，K为转过的脉冲数，M为分辨率。我们可以选用增量式光电编码器、磁编码器、模型码盘等，最后我们选用了两只增量式光电编码器，同时实现距离计数和转向角度计数，加入到传感器模块中。因为基于对象的模块化设计，在增加传感器模块的功能时，仅仅需要修改部分软件的代码并测试，对象重用性的优点明显地体现了出来。

3.小学科学机器人教学设计 篇三

关键词：机器人教学；虚拟仿真；Virtools；碰撞检测；路径搜索

中图分类号：G434 文献标识码：B 文章编号：1673-8454（2008）04-0058-04

虚拟机器人又可称为软件机器人或仿真机器人，外形像人的虚拟机器人也称为拟人机器人（Humanoid Robot），它是由用户编程生成的机器人源文件，可在计算机仿真环境中运行。随着机器人的技术发展和应用推广，虚拟机器人以它独有的优势逐渐被人们关注，取得了不少的研究成果，也开发了一些虚拟平台，为虚拟机器人的应用提供了基础。

本文在分析机器人的研究现状及研究必要性的基础上，比较了相关的开发工具，针对中小学生开设机器人课程的教学实际，提出了一种新的面向中小学的虚拟机器人及其教学平台的设计与实现方法。即利用3DS MAX创建场景和机器人，设计机器人的基本动作行为，在Virtools DEV环境中实现机器人与三维虚拟场景的行为交互。整个过程无需编程，只要按照设计思想，采用类似搭积木的形式组织和连接各个行为模块，即可实现预想的虚拟机器人的行为活动设计。这种实现方法，沉浸感强、交互性好、设计方便，特别适合于中小学的机器人教学，教师或学生都可以自己动手来完成，在实现的过程中感受学习的快乐，增加学习的趣味性，培养创新思维。

一、中小学机器人教学的现状与反思

随着机器人学与机器人技术的普及与推广，国内外中小学都以不同形式、不同程度地开展机器人教育。我国各地的重点中小学均开展了机器人兴趣小组活动，组织中小学生参加国内外的各种机器人竞赛，北京、上海、广东、浙江、江苏、湖北等省市已经先后将教育机器人纳入地方课程。可见教育机器人已逐渐成为中小学信息技术课程和综合实践课程的良好载体。因此虚拟机器人是实体机器人的一种补充载体，可以“虚实结合，以虚代实”开展教学，为教学创造更丰富的实践条件。

在开展机器人教育活动的同时，推动了机器人产品的发展，国内外出现了不少相关产品，国外产品如乐高机器人、RB5X、IntelliBrain Robot等，国内有能力风暴机器人、广州中鸣机器人、Sunny618机器人、通用Robot教学机器人等。

由于机器人产品缺少规范，各种品牌的机器人存在价格昂贵，而且各自为政、互不兼容，开放度低，适应于不同学段的性价比高的教育机器人产品却很少，严重影响了学校开展大范围的机器人活动，同时还面临着机器人产品的零件管理、产品升级、维护等困难。推广和应用虚拟机器人教学，可以避免使用实体机器人所带来的诸多制约，改善机器人教学条件，特别对资金紧缺的中小学，开展虚拟机器人教学，可以为广大学生提供更多的学习和实践机会。

虚拟机器人同样具备实体机器人的教育性、创新性、趣味性、安全性、智能性、人机友好性、知识丰富性等，教师和学生可以在虚拟机器人的开发和设计中，拓展思维，提高设计及操作技能，培养自主创新能力。同时虚拟机器人还具备目前实体机器人所缺乏的开放性、扩展性和可重用性。

研究虚拟机器人，为实体机器人的设计和开发提供理论基础，促进机器人学科的发展。虚拟机器人及其场景提供了机器人行为与控制的测试平台，成为研究实体机器人的有效工具。例如，在虚拟环境下，设置不同条件的测试控制策略，可以有效分析机器人对传感器噪声、运动算法及其控制等的影响，比实体环境下更便于开展研究。

二、国内外研究现状

设计和实现虚拟机器人及其仿真平台，目前有两种方法，一种是借助已有的虚拟机器人开发平台，在平台上进行虚拟机器人的制作和动作设计，如国内外比较有代表性的虚拟机器人平台有AI-CODE[1]、Robocode[2]以及双龙公司的SL-DIY系列[3]，它们为机器人提供了制作环境和竞技环境，适合各种科技活动以及比赛，采用这种方法，设计与开发必然会受到平台的制约，有一定的局限性。另一种是通过软件编程来实现，如借助3DS MAX 建模、用OpenGL、和Visual C++编程来实现[4]；用VRML、Java3D动态建模，通过Java Applet实现虚拟机器人与场景之间的交互[5][6][7][8]；用OpenGL，Open Inventor，Cortonas SDK程序来实现[9]等等。这些方法也存在弊端，要求设计者有较高的语言编程能力，不适合大众化使用。

本文采用3DS MAX与Virtools DEV工具相结合的形式[10]，较符合使用“大众化技术”来实现虚拟机器人的设计原则。采用Virtools DEV作为开发平台，理由有四：

第一，Virtools的三维引擎已经成为微软XBox认可系统，已有赛伯丽亚（Syberia）[11] 和国际象棋在线（Online Chess Kingdoms）[12]等成功的开发案例，效果很好；

第二，Virtools在3D互动展示方面技术强大、组成完善；

第三，除了主开发平台Virtools DEV以外，还有5个可选模块提供选择：网络服务模块（Server Pack）、物理属性（Physics Pack）、人工智能（AI Pack）、游戏开发（XBox Kit）和虚拟展示模块（VR Pack）；

第四，界面直观、使用方便。Virtools DEV包含有500多个行为模块 ( Building Blocks，简称BBs)，避免了繁复冗长的动态交互设定与程序代码的撰写，只需通过简单的“拖、拉、放”就能完成对象的物理属性和行为的设定。

三、教学平台开发

教学平台开发流程如图1所示。首先在3DS MAX中创建机器人模型，设置机器人的基本动作，如前进、后退、左右转弯、跑步等；创建机器人的活动场景，然后将场景及动作文件分别导出并保存为*.NMO文件；其次在Virtools DEV环境中，建立项目分类资源库，将*.NMO文件分别导入资源库的场景、机器人、基本动作文件夹中，在3D Layout编辑面板中将基本动作赋给机器人；然后进行机器人与场景的物理化设置，如设置机器人所行走地面的属性、设置机器人与固定对象的碰撞群、机器人与移动对象（其它机器人）的碰撞群，规划机器人的移动路径等等；最后分别编辑相关对象的脚本流程，实现机器人与场景对象及机器人之间的交互行为仿真。

四、教学平台中关键环节的实现

1.场景及机器人建模

3DS Max是一个功能非常强的三维建模工具。利用3DS MAX完成场景及机器人建模，并完成场景的材质、贴图及灯光设定；采用骨骼工具（Bone Tools）对机器人设置骨骼，并完成机器人行走的关键帧设定，如等待、前进、左右转弯、后退等。通过安装好的插件导出文件，并以Virtools DEV的资源文件格式*.NMO保存；然后将*.NMO文件导入到Virtools DEV的3D Layout(三维编辑区)进行交互设定。

在Virtools DEV中用Resources/ Create New Data Resources创建新的资源库，把创建好的各种*.NMO资源文件拷贝到资源库相应的文件夹中，Virtools DEV将自动分类并加载，为在Virtools DEV中进行拖放操作做好前期准备。

2.设置地面属性

机器人在地面上行走时，必须先确认机器人站在地面上。如果场景设计时，将地面设置成光滑地面、高低不平地面，甚至是不许走入的地面如水面、地沟等，则要求机器人应具有辨别允许行走的地面、地面边界以及不允许行走的地面的能力，这就需要解决机器人与地面的坐标定位以及行走范围问题，这种复杂的地形设计，采用软件编程实现起来会相当繁琐。而对于Virtools DEV，只需几个行为模块即可完成。

(1)设置地面及其边界

选择场景中需确认的地面对象，右键单击弹出快捷菜单，选择并执行增加属性（Add Attribute），在Add Attribute对话框中选择Floor Manager项目里的Floor选项，这样，所有被选中的对象都具有地面属性，而且被选中对象的大小也就确定了地面的边界。

(2)机器人行走在地面上

机器人的行走，可以通过键盘控制它的走向及其相关的动作。设计流程如图2所示。对机器人设置3个行为模块：一是Character Controller模块，设定机器人的动作，如等待、前进、后退、左转、右转等；二是Keyboard Controller行为模块，设定键盘操作键去控制机器人的每项动作；三是Enhanced Character Keep On Floor行为模块，确保机器人无论走到哪里，地面的平整度如何，都能够走在地面上，若设置Enhanced Character Keep On Floor的属性参数“Keep In Floor Boundary”为有效时，机器人走到地面边缘就会自动停下来，不会走出虚拟场景之外。

3.碰撞检测机制

机器人在行走过程中，不可避免地会碰到环境中的各种障碍物，如墙体、场景中的静态对象，也可能是其它行走中的机器人。实体机器人对碰撞的解决主要通过传感器测定机器人与碰撞物之间的距离或视角范围来实现。

一般地，碰撞检测的算法有AABB、OBB、Sphere、DOP、Prism、Convex Hull、Cylinder、Spherical Shell等，在Virtools DEV中，可以实现机器人与静态对象、机器人与机器人之间的碰撞检测。对于静态对象的碰撞，只要将静态对象设为碰撞体，机器人设置防止碰撞（Prevent Collision）行为，即可实现碰撞检测；对于机器人之间的碰撞，则可采用球包围盒（Sphere）检测方法来实现。图3所示为机器人与静态对象之间碰撞检测的控制流程框图。

机器人与机器人之间的碰撞，一般发生在两者相向而行或者同向而行且两者速度不等的情况下。两个动态对象之间的碰撞，最大的特征是两者都处于运动过程中，其位置随时都有可能发生变化。本文采取双重判断法，即距离判断和球包围盒判断两者相结合。机器人之间的距离较远时采用距离判断法，距离较近时采用球包围盒判断法。如果两者之间的距离经过检测（Test）接近预设的距离时，机器人的任何一方都可以控制放慢速度继续原来的动作行为，或者改变行走方向；当检测到的实际距离在碰撞直径与预设距离之间时，可以采取放慢速度继续原来的动作行为，或者改变行走方向；当检测到的实际距离等于碰撞直径时，则停止原动作，或改变行走方向。为了减小两者相碰的概率，可以设置碰撞半径大些（一般情况下，直径设为机器人身体活动的最大范围），使得碰撞检测具有缓冲性。实现流程如图4所示。

在Virtools DEV中，赋予机器人Test、Keyboard Controller、Object Slider三个行为模块以及设置Object Slider的两个参数Radius和Group，所有的距离判断都由Test完成。

4.路径搜索

机器人在虚拟环境中行走，根据应用情况，可以有两种路径选择，一种是通过键盘控制机器人的走向，在人与机器人的交互下完成；另一种是让机器人自动行走，无需人的干预。对于第二种情形，机器人自行选路行走，体现出机器人的智能性，对这种情况需要预先规划路径。最基本的路径搜索算法是从机器人的当前位置向目标作投射得到一条直线，如果直线上有障碍物，则随机移动，如果直线上无障碍物，则沿直线向目标移动，这种方法可能会碰到死角问题。为了避免出现这种情况，一般采用A*算法解决。

在Virtools DEV中，搜索路径的方法也是A*算法，它的基本实现思想是：在地面上创建网格，选择网格的交点作为路径节点，连接各路径节点，形成路径图。机器人行走时，通过键盘操作，设定行走的目的点，机器人便会根据A*算法，算出从源点到目的点之间的多条可选路径中的最短路径，然后沿最短路径走到目的点。

设计中所用的行为模块有：创建节点路径（Create Nodal Path）、等待鼠标单击（Mouse Waiter）、获取鼠标坐标（2D Picking）、获取最近节点（Get Nearst In Group）、设置节点坐标（Set Position）、对象移动（Character Go to Node）等。

五、结束语

利用3DS MAX建模和Virtools DEV工具交互式控制的方法实现机器人教学平台，具有模型逼真形象、无需编程、真实感强等特点，比较适合中小学的机器人教学。对于落后地区或条件不好的中小学，用虚拟机器人教学代替实体机器人教学，既能节省仪器设备开支，又能提前让学生接受机器人教育，具有非常重要的现实意义。应该说，今后的机器人教学平台必然向分布式、智能化发展，而Virtools提供网络服务器和人工智能可选模块，方便易用，为以后机器人教学平台的扩展和应用提供了延续性。

参考文献：

[1] 第五届NOC虚拟机器人足球比赛规则[DB/OL]，http://www.ai-code.org/article/40.html;

jsessionid=36751FE97E3F14C34E738C9FB093AFD0.jvm13.

[2] Robocode机器人仓库[DB/OL]：http://robocoderepository.com.

[3] 虚拟机器人平台的技术综合性[J]，信息技术教育，2005 .(11):99.

[4] 姚智斌.一种新型快速的机器人三维图形仿真建模方法[J].中国制造业信息化，2005,(10):116-118.

[5] Vinu Vijaykumar, Niladri Kansari, James F. Groves, John C. Bean .The Creation of Web-Based Interactive Virtual Experiments on Microelectronics for Early Engineering Students[C].32nd ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference, November 6－9, 2002, Boston, MA:T4F3-T4F7.

[6] J.Fischman. Working the Web With a Virtual Lab and Some Java[J]. Science, 1996,(273)：591－593.

[7] D.Shawver, S. Stansfield. The First Workshop on Simulation and Interaction in Virtual Environments[C]. US. The University of Iowa, 1995. 120－125.

[8] Virtools DEV SA. Comprehensive Life Platform for Creating Highly Interactive 3D Applications [DB/OL].http://www.virtools DEV.com/solutions/products/virtools_4.asp, 2007.08.20.

[9] 徐益，颜文俊，诸静.机器人三维图形仿真的实现[J].计算机仿真，2003,(7)，72-75.

[10] 刘明昆.三维游戏设计师宝典—Virtools开发工具篇[M]. 成都：四川出版集团四川电子音像出版中心，2005.8:120~137.

[11] 爱迪斯通.《塞伯利亚之谜2》[DB/OL]. http://www.virtools.com.cn/web/seeUse.aspID=133 2007.08.10.

[12] 爱迪斯通. 运用Virtools开发的第一款 PSP 游戏“Online Chess Kingdoms”[DB/OL].

4.小学科学机器人教学设计 篇四

随着新技术的不断发展，机器人技术越来越多地渗透到各个领域，从军事防卫到生活应用，都能看到机器人的身影。信息技术作为一门以培养学生创新能力、提升信息素养为宗旨的学科，对新技术的学习一直未曾停步。将机器人技术引入信息技术课堂，已经成为当前学科建设的重点内容之一。

● 基于信息技术课堂的机器人教学现状分析

1.主流教材设置情况

根据《中小学信息技术课程指导纲要（试行）》的相关规定，当前各省都采用了自己省辖范围内的省编教材为信息技术课的指定用书。其中多个省份的中小学信息技术教材中，均有“机器人基础”单元的内容。例如，北京地区采用的清华大学出版社出版的信息技术教材，其中六年级的第二学期安排了《机器人单元》教学内容；江苏省采用的是江苏科技出版社编写的信息技术教材，其中在小学六年级及初中九年级，分别设置了一个学期的有关机器人的学习内容。这说明在中小学教材体系中，已经逐渐将机器人学习纳入到常规的信息技术教学内容中。

2.实施教学的可行性分析

机器人教学进入中小学课堂，重点面临的是师资问题，能否建立一支具有合格水平的教师队伍，是机器人教学的关键。以笔者所在的江苏省为例，江苏省的省编教材自2008年引入实体机器人教学内容后，随即于2009年建立了26所省级机器人实验学校，并号召各地级市均挑选一所中学和一所小学加入省级机器人试验学校中。期间每年都组织相应的教师培训课程，进而培养出一批具有较高教学水平的骨干教师。除实验学校外，也有很多学校加入到实体机器人的教学中去，江苏省教研室也积极进行项目推进，组织了多次相关的教师赛事。

● 信息技术课堂中进行机器人教学的环境支持

1.计算机教室的硬件支持

在多数小学无法提供专用机器人实验室的情况下，在计算机教室中实施机器人教学是较为常见的教学方式，而教室基本需要满足如表1所示的硬件要求。

2.机器人器材供给

当前小学机器人教学中，使用较多的器材分为“积木类”和“集件类”两种。“积木类”以乐高机器人为代表，采用积木原件为单位进行搭建；“集件类”以紫光三角机器人为代表，将大部分组件进行固化，形成一个较为完整的机器人小车，并在此之上进行简单的拓展搭建。两种机器人类型各有利弊，适合不同生源数的学校。简而言之，小班化教学适合搭建为主的“积木类”机器人，大班化教学适合编程为主的“集件类”机器人。两者互为补充，相得益彰。

● 机器人教学实施措施

1.教学设计架构

机器人教学有较强的实践应用特性，在教学设计中应注重层层递进的设计关系，保证教学过程以金字塔型的层次进行推进。

案例1：机器人技术起始课《初识机器人》。

在本课的设计中，包括认识机器人的原理、用途、分类等较为琐碎的内容，在普通线性结构的设计中，存在课时紧张的问题。因此，教师可以运用金字塔型的教学设计架构来达到提高教学效率的目的。如图1所示，架构一个认知金字塔，能够帮助学生清晰地了解机器人不同的分类，建立形象的知识框架，并帮助他们在有限的时间内完成知识架构。

2.开放型任务达成设计

机器人教学所要达成的目标与传统的信息技术教学有所不同，它不会有完全相同的作品呈现，而是展现出较为开放的任务达成情况。根据此类情况，教师可以将开放型的任务达成融入到教学设计，让教学评价的过程更加动态，具有弹性。

案例2：机器人实践课《机器人避障》。

教师可以突破传统任务的限制，将机器人的避障对象设置为可选择的内容（如图2），学生根据自己的情况，选择适合的背景对象，进而带来不同的任务达成结果，形成富有特色的行为结果。

3.反思型思维建构方式

触发学生思维、创作具有创新特征的作品是信息技术课程的培养目标之一。承载着创新思维的机器人教学也具有更加明确的思维需求。在思维建构的过程中，反思型特征的建构过程是设计过程中的重点内容之一。

案例3：机器人边缘课《认识传动》。

教师可以将多种传动具象化，并使其与生活实践经验关联，让学生理解何为必要的传动。接着，结合反思思维，引导学生创造具有自我特征的传动作品，从而达到机器人教学的创新设计目的（如表2）。

4.合作型课堂组织方式

机器人教学中，一般采用小组合作的学习方式，以3～4人为单位，共同完成一定的学习任务。在此基础上，教师可以构建合作型的课堂组织方式，突破传统的信息技术课堂教学的组织架构，给予学生更多的学习组织方式。

案例4：机器人小组结构图《认识传感器》。

认识传感器是机器人教学中的重点也是难点，繁多的传感器需要一定的实体机器人为载体。本课的教学设计中，教师可以以小组为基本单位，采用四步规则设置学习环节（如下页图3），让学生有更多的机会感受传感器的作用。

5.促发型学习激励方式

对于小学生而言，机器人的学习过程有着一定的难度，任务达成度的完整与否与教师提供的激励方式有着必然的联系。因此，教师要采用适合的形式促发学生，保证其具有较为丰富的学习动力。

案例5：机器人活动课《机器人行走》。

在讲授本课时，教师可以利用三种评价方式激励学生自主学习（如表3）。教师根据不同的任务难度，设置具有一定驱动力的激励方法，让学生始终保持学习兴趣，并提供实时的支持。

6.多维度学习效果评价方式

在机器人为主题的教学中，如何进行学习效果的评价是检验学习效果的重点内容之一。因而，教师要设计人本化的学习评价，并设计多维度的评价标准。

案例6：机器人综合课《机器人机械手》。

5.小学科学机器人教学设计 篇五

浅谈小学科学教师的语言艺术

摘要：科学教学中的语言艺术为科学教学增添了无穷的魅力。准确、有趣、有发展性和鼓励性的语言，是科学教师必备的基本功。

关键词：小学科学教师； 语言艺术

小学科学课涉及到物理、化学、地理方面的知识。而语言教学艺术在课堂中既起到基础作用，又起到桥梁作用。同一教学内容，有的教师讲授能使学生茅塞顿开，很快掌握知识点，有的教师讲得口干舌燥，却并没有使学生掌握相关的知识。实践证明，在体育这一以人体运动为主要内容较为特殊的教学科目中，语言的作用越来越被人们所重视，现在的体育教学不仅要求教师的示范动作准确、清晰，而且还必须具备一定的语言修养和掌握一定的语言技巧。

一、教师的语言要有趣味性

一堂体育课上得好不好，活不活，主要决定于学生的兴趣和学习动机。这关键在于教师的导，这个导就是指———体育课堂中的语言艺术，也就是我常说的教师在课堂上语言表达能力的艺术。教师在课堂中口头语言表达能力的重要性是不言而喻的。小学生因其年龄小，注意力容易分散，形象思维占优势等特点，若教师完全照教科书的用语和自己教案上的内容讲课，势必造成语言生硬，学生理解吃力。因此，我们在教学中应用讲故事，创设情境法，把教学内容变得形象、生动、鲜活，从而激发学生学习的积极性，调动学生主动学习，既活跃了教学气氛，又提高了教学效果。

例如在一年级队列训练中，我经常进行“快快集合”和“一切行

动听指挥”的游戏练习，并让学生联想“企鹅在冰天雪地里集体行走”；为了巩固队列动作，采用了“拉拉圈圈走走”的游戏，争强好胜的孩子们谁也不甘落后，大大加强了他们克制力和耐久性，一直保持有趣地进行队列基本练习。

又如在《越过障碍》练习中，我用战斗故事来创设情境，把一些障碍物比做壕沟、小山丘等。“小游击队员们，现在前线急需药品和粮食，你们要看清地形，安全、快速地将急需物资送到前线，争取最后的胜利。”结果，学生个个认真，情绪高昂，全身心地投入练习。

二、教师的语言要有针对性

课堂中还有一种语言，那就是书面语言，它主要是指板书，它对于突出教学重点，强化形象直观，启发学生思考，帮助学生理清教材脉络和加深记忆理解等有重要作用。板书要求精要，而且有诱发功能。在“前滚翻”的教学中，我发现较多的学生“团身不紧，方向不正”。在对动作进行分析、讲解时，为了激发学生的练习兴趣和加深理解、记忆，板书了“闭嘴下巴抵胸口，目视肚脐莫抬头；重心前倾双手推，迅速收腿不落后。”的口诀，既概括了动作的要领，又使学生朗朗上口，印象深刻。学生之间互相背诵，领会动作要领，而后对照“口诀”利用进行动作练习，起到了“提纲契领”的作用。

又如“单手肩上投篮”的教学中，针对学生上下肢配合不够协调，发力顺序不够连贯的毛病，我根据体育运动的技术动作细节和动作姿势，利用彩笔形象、生动地勾画出动作，提示学生由下肢蹬地开始，随着向上伸展，右手托球左手扶球侧，瞄准篮筐，然后伸臂、扣腕、手指用力将球投出：形象的单线画引起学生的注意，给学生留下生动、开拓的思维空间。

三、教师要有丰富的体态语言

教学语言除了口头语言、书面语言，还有一种特殊的语言———体态语言。其中包括眼神、表情、姿态、手势等。无时不在的形体语言，是体育不同于其他课程教学的又一鲜明的区别，“身”教重于“言”教，体育老师潇洒，漂亮、完美的示范动作和教学过程中乐观、自信、开朗的特点，以及热情、饱满的精神状态———这一特殊而良好的形体语言，对学生的影响更是举足轻重的。

教学中为了让每个学生看得见、听得清，特别是进行重点部分教学时，我先用眼光扫视一下，使他们思想高度集中后再进行讲解、示范，并不时通过位置的移动和眼光、手势提醒每位学生，确保他们身到、心到。遇到有少数调皮的学生思想不集中时，我故意做短暂的停顿，用眼光提醒他，而不是训斥、点名，这样维护了学生的自尊心，从而有效地使这些学生的思想很快集中过来，提高了他们的积极性。在新授课中，对完成动作好的学生，我用赞许的目光以示表扬和鼓励，提高练习质量；对暂时未能掌握动作的学生，我用期待的目光给予鼓励，增强信心，激发锻炼和积极性。教师以目光向学生传神授意，能使学生感到兴奋、喜悦，有效地提高教学效果。

教师和蔼的面容能使学生产生亲切感。有利于建立良好的师生关系和形成良好的教育机制，让学生产生信任感，增强战胜困难的毅力。在前滚翻的教学中，为了帮助学生克服畏惧的心理，我用坚定的目光

鼓励学生：“你能行的，一定能行”，始终蹲在垫子旁帮助他们，只那么轻轻地“一托一推”，就让学生有了安全、信任感。当他们顺利完成动作后，我时不时竖起大拇指或鼓掌，和学生分享成功的喜悦；对暂时不能完成动作的学生，我就轻轻地摸摸他们的头表示鼓励，激发他们不怕困难、勇往直前的斗志，师生之间的情感得到交融、升华。

6.小学科学教学设计 篇六

让科学课堂彰显生活特色

——《杯子变热了》

构建充满生活气息的课堂是我们在课改理念和现代教育思想指导下，对课堂教学的一种理想追求。因此，在科学课的教学中，就要求我们能够把科学知识与生活联系起来，让学生感悟科学本源自于生活，又服务于生活的道理；使我们的教学从科学世界回到感性、具体、现实、流动的生活中来。下面结合《杯子变热了》一课的教学实践谈谈我对这一教学理念的理解和应用。

【教学内容】

小学科学五年级下册第4课《杯子变热了》。【教学设计理念】

1、科学课堂回归生活。教育家杜威曾说过：“教育即生活”，教育的目的就是为了更好地生活。同时，新课程标准体现的教育理念之一也指出课程要回归生活。本课的教学设计就是以学生生活为基础，以学科知识为支撑的，透过与生活息息相关的问题情景，驱动学生的好奇心和探究欲望，在解决生活问题的过程中获得科学知识，明白科学道理，从中体验科学探究的乐趣，意识到生活中随时随处有科学。

2、注重评价，于细节处导行。小学科学课程是以培养科学素养为宗旨的科学启蒙课程。科学素养的形成不是靠“说”靠“教”养成的，而是以各种课堂活动作为载体，以学生的试验设计、认真观察、科学记录、条理表达、乐于合作、善于倾听、客观评价等能力的训练作为切入点，于每一个细节之中，逐步规范学生的学习习惯和探究习惯而长期形成的。

【教学目标】

1、能根据生活经验，借助实验材料，设计实验并探究“热是怎样在固体中的传递”的。

2、能在实验的设计和探究中，逐步养成善于交流、认真倾听、善于向他人学习的良好学习品质。

3、知道热传导的基本特征、不同物体传递热的能力是不同的，可以分为热的良导体和热的不良道体两种类型。

【材料准备】 学生实验材料：

1、涂好腊油的圆铁片、长铝条、方铝片各3片,酒精灯、钳子、火柴。

2、泡沫条、铜棒、铁棒、玻璃片、铅笔、竹筷、塑料棒、瓷勺、杯子、热水等。

教师演示材料：

两个完全一样的带盖不锈钢辈子、蜡烛、课件。【教学过程】

（一）、情景引入：

1、师出示两个完全一样的带盖不锈钢杯子提问：老师这里有两个完全一样的杯子，里面分别装了凉水和热水，不打开盖子，谁能判断出哪个杯子里装有热水？

2、学生判断：用手摸，热的杯子里装的是热水。师追问：你断定这个杯子里装有热水的依据是因为——？（师据学生回答板书课题）

3、师谈话：杯子变热了，这时，我心中自然就冒出了问号，假如是你，会有什么疑问呢？

4、学生质疑：

5、师归结问题，引导出探究重点：杯子是怎样变热的？（板书“？”）（设计意图：采用问题式引入，让学生在借助的生活经验的基础上那个解决问题，能更加有效的激发起学生学习探究的欲望，为有效问题的产生创设良好的铺垫。同时让学生体会到科学就来自生活，）

（二）、探究活动一：热是怎样在物体中传递的。

1、指明探究方向：

师：有了疑问，就要研究，就得有研究方法，如果老师提供给你们材料，你们能不能根据自己生活经验，设计一个实验方案？（能），如果大部分同学已经做好，我就拍手提示你好吗。

下面听清要求：打开盒子，看看里面的材料，然后设计出你们的实验方案。（设计意图：用拍手提示同学们迅速从讨论状态回到课堂，既不统一强制，又能防止学生没有时间观念。提出实验要求时，“要求”二字先入耳，避免学生无目的行动。）

2、学生设计实验方案。

3、汇报实验方法：教师根据学生的汇报作补充提示。重点解决：

A：钳子的作用：安全，防止烫伤。B：熄灭酒精灯时要用盖盖灭，严禁用嘴吹。C：借助彩色蜡的融化观察热在物体中的传递。

（设计意图：学生的猜测根植于他们的经验，来源于他们的生活，在实验设计中，通过各小组的不同设想和对存在问题的提出，使学生的思维得到相互碰撞，使实验设计得以完善。同时借助生活材料，使内在的“热传递”得以外显，形象直观、方便观察。）

4、学生实验探究。

师：结合刚才我们的讨论，先完善好你们的实验方案，再进行实验，并及时记录实验现象，完成实验报告单。

5、研究汇报：

汇报要求：要想取得发言权，必须先对前面小组的汇报进行评价，然后才能发言，相同的内容不要重复，否则取消发言权。

（设计意图：利用对汇报要求中的评价手段，提醒学生注意倾听，逐步培养学生善于倾听同学发言的良好学习品质。同时利用实验报告单，引导学生重点突出、条理分明的进行汇报，培养学生表达交流的能力。）

6、教师小结：通过用不同的材料来进行实验，同学们发现了同一个现象：，热都是从温度高的地方传递向温度低的地方，像这样在固体中传递热的方式科学上称为传导。（板书：传导）。

7、解释生活现象：现在，谁能解释杯子是怎样变热的？

师谈话：其实，像这种传递热的现象在生活中还有很多，你能再举几个例子吗？

（设计意图：生活实际中蕴含着科学道理在，利用科学道理解释生活现象。让学生从科学探究再次回到生活中来。此环节中，如果学生提到勺子，教师要注意加以利用，过渡到下一环节。）

（三）、探究活动二：物体传递热的能力相同吗。

1、引出探究话题：

师：刚才同学们提到了勺子，生活中的汤勺一般都是用什么材料制作的？你知道是为什么吗？

2、学生解释。

师：从同学们的解释中老师听出一件事来：不同的材料，传递热的能力是不一样的。是不是这样呢？让我们再来通过实验模拟看看。（师出示装有实验器材的杯子）我把各种不同的材料装进杯子中，我们可以用什么代替热汤？（热水）好，老师给你提供热水，记住，实验完后，把热的和不热的物体分开，这样方便汇报。

3、学生验证。

4、学生汇报。

提出汇报要求：这次我们汇报的要求有所改变。因为每个小组的实验材料都不相同，所以其他小组汇报时，要认真倾听，相同的内容标出来，不再汇报，他有你们没有的内容，听清记在脑子里，这是你们向同学学得的知识。他没有你有的内容，请你起来补充，让大家一起分享你们的收获，好吗？

（要求目的：利用汇报环节，继续培养学生善于倾听的优良习惯，同时也渗透了善于向他人学习的意识）

5、教师小结：不同物体传递热的能力是不同的，容易传递热的物体，叫做热的良导体，不容易到热的物体，叫做热的不良导体。其实，人们早就发现了这一现象，并把它运用到实际生活中，为生活服务：当需要热的时候，就用热的良导体材料，不需要热和防止热量散发的时候，就用热得不良导体材料。你能举一个生活中的例子吗？

（四）、课堂评价：

（利用评价手段促进学生对自己的学习进行整理、反思。）

（五）、拓展活动：

师：人类智慧的力量是无穷的，从生活中发现科学道理，提高科技水平，反过来，又用发达的科学技术为人类的生存发展提供高质量的服务。套用一句话，就是来自生活，服务生活。你们愿意用自己的智慧改善我们的生活吗？好，请看大屏幕，这是一家杯子厂进行的市场调查，通过调查他们发现：现在市场上适合小学生用的、活泼可爱的、便于携带的、不怕磕碰的、还要不能烫手的杯子太少了，于是就想开发研制一种新型的小学生专用杯，现在正在征求设计稿，你们能用自己的知识设计一款符合要求的新型杯子吗？那就请你们课下完成这项任务。

7.小学科学机器人教学设计 篇七

一、机器人科学教育的现状

国外对机器人科学教育的研究比较早。欧洲是机器人教育的发祥地,以法国、德国、荷兰、丹麦为代表的欧洲国家在20世纪90年代初就已经在基础教育领域中引入了机器人科学教育。美国在20世纪90年代出台了两个重要的国家级科学教育改革方案———“2061计划”和“国家科学教育标准”,这两个方案都认为科学教育的目的是培养公民的科学素养。麻省理工学院的智能实验室在1990年开发了“未来学校”计划,用以指导中小学开设机器人教育课程,并陆续在世界各地举办了机器人设计大赛。

我国对机器人科学教育的研究相对较晚,机器人科学教育在中小学中开展,近几年才出现,但是发展迅速,上海许多中学已经进行了几年实践,浙江省也在努力跟上。此外,新课程将以前的劳技教育改革为技术教育,并在“信息技术”和“综合实践活动”中把“机器人”列入选修课程。但是,笔者对近几届青少年科技创新大赛中的有关机器人参赛队伍进行了比较,发现进行机器人创新作品制作的队伍占常规赛队伍的18.55%,而在创新比赛中,机器人创新作品占科技创新项目总量的8.72%。由此可见,机器人活动目前大部分学校仅为了参与常规赛,比赛结束后活动也就结束,也就是并没有把它作为提高学生创新能力和科学素养的平台;只有少部分学校和校外科技活动中心及科普教育基地等在竭力推动,力度显然不足。

二、开展机器人科学教育活动的途径

面对新的形势和学校的实际情况,笔者所在的学校———浙江传媒学院实验中学,积极进行了机器人科学教育的探索。

(一)成立机器人俱乐部,创设学习现代科学与技术的实验平台

为了将国家课程“通用技术”中的“机器人制作”课程更好地落到实处,浙江传媒学院实验中学在上级教育部门、科技局的支持下,与浙江外国语学院、上级教育技术中心、潮鸣街道科协和杭州发明学校共同发起,创办了浙江省首家通用技术与机器人科学教育相结合的“杭州机器人俱乐部”(设于浙江传媒学院实验中学内),并正式挂牌开展机器人科学教育活动。俱乐部开展活动的宗旨是开展丰富多彩的机器人研制和竞赛活动,普及机器人科学知识,发挥青少年的聪明才智,使青少年在快乐的体验中学习,在成长与进步中培养科学精神和科学思想,掌握科学知识和科学方法。此外,也鼓励更多优秀科技幼苗的涌现,唤起全社会对青少年科技活动的普遍关注和支持。

俱乐部有人工智能机器人工作室(各种规格的机器人50多套)、电子制作工作室、模型设计工作室、通用技术工作室和劳动与技术创新制作室等。俱乐部面向全市中小学生开展示范展示活动,并开放机器人专用实验室或活动场地,组织学生和社区市民参观、体验、参与机器人设计与制作项目,让更多的学生和市民了解机器人、接触机器人、设计机器人、制作机器人。俱乐部还利用业余时间对中小学生开展机器人基本知识和技能的培训,并定期组织开展校际机器人邀请赛,为广大中小学生提供一个学习科技、展示自我的平台。这样,社区与学校合作,达到了资源共享的目的,体现了“建设节约型社会”的理念。此外,俱乐部还与杭州市科技局、浙江中控科技机器人研究院合作举办了全国科普周活动项目“机器人的昨天、今天和明天”的科普讲座,受到了很多通用技术教师和市民的好评。

(二)利用俱乐部吸引爱好者共同探究机器人教育

俱乐部依托机器人教育工程专业人员在为有关学校进行定向指导后,很多学校将机器人科学教育纳入到信息和通用技术及物理等选修课程中去,并逐步开展机器人科学教育的组织方式与教学活动的研究。有的学校成立了机器人项目教学活动研究小组,有针对性地开展各项活动;有的学校与现代科技企业合作,创办机器人科学教育联盟,针对中小学生机器人教育的标准化硬件和软件进行开发和试验;有些学校还投入大量经费,创建了经济实用的机器人实验室,并添置了最新的机器人教学设备,为进一步深入开展机器人科学教育提供硬件支持。这样,专业人才与业余爱好者相结合,运用多种方法,总结经验,使机器人科学教育不断得以改进和完善。

(三)以任务驱动使机器人教育成为参赛项目和常态实践活动

学校强调在普及的基础上,充分发挥学生的自主性、探索性和实践性,鼓励有兴趣、有特长的青少年深入开展机器人科技活动。在活动前或活动的过程中,教师必须经常与学生共同讨论,明确实践的具体要求和任务,通过不断引导激发和维护学生的兴趣和热情,帮助学生开拓思维,培养学生创造性解决实际问题的能力。如周斌同学进行了赛车机器人的研制,他充分发挥了想象力,并查阅了许多资料,请教了有经验的老师,将真实的赛车控制系统运用于机器人的设计中,一举在省机器人大赛中获得了冠军。

三、开展机器人科学教育活动的特点

我们开展的机器人科学教育活动主要有以下特点:

(一)具有趣味性

机器人科学教育活动能增强学生的求知欲,激发学生的学习兴趣,使它们在兴趣盎然中逐步形成创造的原动力,使“快乐机器人”探究变成现实。它能启发学生发现问题,使机器人科学原理的学习和科技创新与现实问题相互联系,进而激发学生的创造欲望。

(二)有利于培养学生的创新能力

机器人科学教育活动对学生思维方法的培养和锻炼、对学生的创新能力的形成极为有利。例如学生设计的“机器狗”,生动形象,并且还有语音和情感响应。

(三)有利于培养学生的合作交流能力

学生在小组合作的实验环境中,共同设计、组装、编程和调试。在完成每次技术任务的过程中,设计制作者必须进行讨论和交流,必须有相应人员的配合和共同努力才能达到相应目的。这样就能慢慢促进学生合作学习能力的提升。

四、开展机器人科学教育活动的保障措施

(一)师资落实

我们选定既有好的科学基础理论水平,又有很强的实践动手能力的优秀教师,承担机器人科学教育活动的具体指导工作,并实行分工负责,合理调节。指导教师主要为:科技教育特级教师、机器人俱乐部科技创新负责人、高中技术学科教师,还有物理、化学、生物等相关课任教师,以及团委和学生会的科技骨干教师和高校志愿者。

(二)时间落实

机器人科学教育活动一般安排在下午放学后或双休日,寒暑假期主要开展实践活动,也会在全国“科普周”等特殊的日子里安排一些活动。

(三)场地落实

机器人俱乐部设有各种门类的机器人探究实验室,包括机器人踢足球的专业球场6个、机器人灭火实验场地2个,此外还有机器人调试台等专业场所。

(四)器材落实

我们为俱乐部创造了较好的资金条件,专门招标购置先进的组合式机器人套材,如用于科技探究活动的“科乐思”器材30套、小型机器人200套件、高级机器人组件12套以及各种电子元器件等,投入约80万元,为机器人科学教育活动的有序、有效开展奠定了良好的硬、软件基础。

五、开展机器人科学教育活动的成效

杭州机器人俱乐部设在浙江传媒学院实验中学的“全国科学教育基地”内。自从成立之日起,我们就积极组织学生参加各种各样的机器人科技创新实践活动,在传授科学文化知识的同时,重视培养学生的科学思想和创造意识,激发学生的创造积极性。学生手脑并用,创新设计和发明制作了很多科技作品。在学生参加的各级各类青少年科技创新发明比赛中,共有1600多项次获全国、省、市的一、二、三等奖。

2012年,机器人俱乐部派出的代表队在杭州市机器人比赛中荣获高中组和初中组足球赛冠军,后来在浙江省的比赛中,杭州艮山中学队和浙江传媒学院实验中学队分别取得机器人足球比赛一等奖和冠军的好成绩。2014年,中央电视台专程来学校机器人俱乐部拍摄机器人科学教育实践活动。他们对机器人俱乐部所开展的各种各样的科技活动给予好评。我们的机器人技术创新设计与制作活动照片还被刊登在中央教育科学研究所主办的杂志封面上。实践证明,机器人俱乐部的成立有利于促进青少年第二课堂活动的广泛开展和学校科学教育水平的提高。

六、对开展机器人科学教育活动实践的认识

机器人科学教育活动内容必须丰富,形式必须多样。只有这样才能吸引学生参加,满足学生各方面的要求,使他们的兴趣、爱好向积极方向发展。同时,机器人科学教育活动要基于学生的生理、心理特点,其目标设定要契合和适应课程改革与未来劳动者素质的要求,根据面向现代化、面向世界、面向未来的方向来确定。

机器人科学教育活动应具有科学性、知识性和实践探究性。科学性就是要求内容正确,能从力学、热学、电磁学、光学和信息学等极其广泛的物理基础理论和科学实验技术中寻求依据,找出解决问题的办法。知识性就是指科学实验探究创新实践活动要有助于学生掌握知识、形成技能,使学生在活动中有所收获。实践探究性就是寓知识于实践活动之中,让学生在实践活动中接受科学教育,提升创新素养。

机器人科学教育活动的开展要注重建构可持续发展的实验方案与竞赛标准。科学的评价体系以及适宜的奖励机制,能够激励学生的参与积极性、激发学生的创造性。

8.小学科学机器人教学设计 篇八

摘 要:本文试图把任务分析的理论和技术引入到我国的中小学机器人教学中,使我国的中小学机器人教学更加符合教与学的规律。为此,本文先介绍了任务分析的含义与基本步骤,然后就任务分析的教学理论和技术分析了教学目标中的学习结果类型、分析学习的支持性条件、确定学生的起点能力和将学习任务进行排序,并就如何应用于中小学机器人教学设计的实践作初步的尝试和探讨。

关键词:中小学机器人教学;任务分析;起点能力;使能目标;学习类型

中图分类号:G434 文献标识码:A 文章编号:1673-8454(2009)20-0048-02

一、任务分析的含义与基本步骤

任务分析作为一门复杂的教学设计技术,直到现在,教学专家尚难形成一致的任务分析定义。广义教学设计中的任务分析包括教学目标分析、编写教材、编制形成性或终结性测试题和选择教学的策略等。其中任务分析应从目标设置与陈述开始,当然所有的教学步骤的设计也离不开任务分析。本文主张的任务分析指的是课堂教学设计中的任务分析,它是为教师选择教学策略服务的,教师的任务就是把本课程的教学目标落实到每个教学单元或每一节课中,教师在安排课时计划时首先需要设置和陈述清晰的教学目标。在陈述了具体的教学目标后,在进行任务分析时应有以下三个基本步骤:(1)将陈述的教学目标纳入学习结果的相应类型中,也就是运用目标分类理论对教学目标进行分类;(2)分析每一个学习结果需要的条件,分析要教的任务得以实现的内部和外部学习条件,并排列出它们的先后顺序;(3)确定与教学目标有关的起点能力,包括基础知识、智慧技能和认知策略等。

二、分析教学目标中的学习结果类型

教学目标是预期的学生学习结果,它将所学课程提出的理念和目标具体化,并为学习结果的测量与评价提供了依据,而任务分析这一技术的核心思想就是分析教学目标,揭示教学目标所属学习结果的类型,是确定学习条件及其学习任务顺序关系的基础。目前指导任务分析理论比较常用的有加涅的学习结果分类理论和奥苏贝尔“同化”理论等,加涅将人类学习分成五类,分别是言语信息、智慧技能、认知策略、动作技能和态度,其中前三类学习结果属于认知领域,第四类属于动作领域,第五类属于情感领域。[2]

根据中小学机器人学科的特点,并结合加涅的学习结果分类,我们试图将中小学机器人课程的教学目标进行分类,表1列出了本课程教学目标中学习任务举例及其所代表的学习结果类型,其中左边一栏是用行为动词陈述的目标,行为动词“陈述”、“选用”、“搭建”、“用……”和“察看”分别暗含的学习结果类型是言语信息、智慧技能中运用规则、认知策略、执行动作技能和态度。

三、分析每一个学习结果需要的条件

不同类型的学习,要求有不同的学习条件。我们往往把影响学习中小学机器人学科的条件分为学生自身的内部条件和外部条件。内部条件又分为必要条件和支持性条件。必要条件是不可缺少的学习条件,支持性条件是一般有助于学习的条件。

在中小学机器人教学中,学生要掌握“制作分拣机器人”一课内容时,[1]如“传感器概念及其功能、分拣机器人模型设计及搭建、分拣机器人控制电路设计与连接和相应程序的设计与调试”等知识技能是学习制作分拣机器人的必要条件,缺少其中一个,学习就不能发生。而“用调试程序测试各类传感器”是一种认知策略,它有助于制作分拣机器人的学习,所以被称为支持性条件。此外学生的注意力、学习动机等也是支持性条件。由于这些情感领域的条件是对如何学习都起支持作用的,这种一般性条件就不必具体分析。没有支持性条件,其学习不一定能发生,但会影响学习的效率。

我国的现行教学理论及最新课改目标的描述中只有含糊的“知识与技能”概念,没有智慧技能概念,更谈不上学习的必要条件和支持性条件。这样就导致教师的教学设计跟着感觉走,这种现象应通过现代教学设计原理的学习予以避免。

机器人学科教师应掌握智慧技能的必要条件和支持性条件,一般我们要求强调学生的动手能力,并不是说学生手的肌肉不会动,而是指他们可能缺乏智慧技能,不知道如何借“手”来完成一定的智力任务。在机器人教学中,认知策略很重要,但不能单独学和单独教,必须渗透在智慧技能和言语信息中学和教,态度和认知策略一样,也没有必要单独教,也应渗透在学科知识和技能中学和教。

四、根据内部条件分析,将学习任务排序

任务分析一般是从终点目标开始。在确定学习结果类型之后,从终点目标逆向反复提问:“学生要完成这一目标,他必须先具备哪些能力?”一直追问到学生的起点能力为止,然后把学生需要掌握的学习目标分层次一一排列出来。教师在进行上述任务分析时,可依据已有的机器人教材,将要上的某个教学单元或某一节课所需完成的学习任务按序列分成若干步骤即可。

例如,在“制作分拣机器人”中,[1] 其中有一个“认识和实现光反射传感器(简称光感)对环境(颜色)的识别”的学习任务,对此进行了任务分析,从起点目标开始,依次实现子目标(任务)……直到终点目标。子目标又称为使能目标,它是使终点目标得以实现的次级目标,一旦任务分析完成后,教学的顺序也就确定了。

五、分析学生的起点能力

学生的起点能力是指学生在学习新的知识技能之前学生原有的学习习惯、学习方法,具备的相关知识和技能水平等。通过任务分析方法,我们就可以清楚地知道学生要达到“认识和实现光感对环境(颜色)的识别”这一学习目标所需要的起点能力是什么,其中“会选择合适的光感,能确定主控板上光感接口,知道驱动光感的接口函数”,同时也是本教学单元所要的学习目标,因此,教师在教学中就应该十分重视上述内容的教学,才能达到总的教学目标。倘若学生不具备起点能力,教师要及时补救;否则,就不能进行新知识技能的教学。即使强行进行知识技能的教学,也势必导致机械学习的发生。

由于学习者的起点状态水平对新的学习成败起着决定性作用,所以一般有经验的优秀教师在讲新课前或者是在新课的教学过程中通常采用课堂提问、课前小测验或观察学生的操作等方法,对学生的起点能力进行分析与诊断,在确保达成规定教学目标的85%后,才能进行下一步的学习。其目的是确保学生在接受新知识前,必须具备适当的起点能力。此外,机器人学习往往离不开其他学科的知识学习,所以例如数学、物理等技能学习也是决定机器人知识学习的重要起点能力。

任务分析需要有坚实的学习理论基础,它是一门比较复杂的教学设计技术。目前我国中小学机器人教学设计主要还是依据个人的经验,缺少科学的理论分析。如果在中小学机器人教学设计中引进了任务分析思想,而且能用任务分析的思想指导教学过程的设计,那么不论教学目标是否列出过程目标,教师都会根据学习的规律进行创造性的教学。

参考文献:

[1]王荣良.小学智能机器人[M].上海:上海教育出版社,2007.

[2][美]加涅,皮连生译.教学设计原理[M].上海:华东师范大学出版社,1999.

9.小学科学教学设计 篇九

1．知道什么是分类和分类的意义。

2．能从提供的同类事物中发现共同特征，即相同或相似特征，并据此合并同类和排斥异类。

3．知道什么是多极二分法，并能用多极二分法给邮票及其他物体分类。

【教学重难点】

1．教学重点是掌握分类的基本方法。

2．教学难点是找物体的相同点。

【学案】

《2分类》学案

自主探究学习目标：

1．知道什么是分类和分类的意义。

2．能从提供的同类事物中发现共同特征，即相同或相似特征，并据此合并同类和排斥异类。

3．知道什么是多极二分法，并能用多极二分法给邮票及其他物体分类。

自主探究过程：自主探究过程：

一．我看书：我认真阅读了电子书，熟悉了课的内容。

二．我思考：我与父母探讨了、思考了书中提出的问题。

三．我能做：

1．看书55页，试给植物的果实分类：

2．什么是分类？

3．给事物分类有什么作用？

4．什么是二分法分类？

5．看书58页，用二分法给邮票分类：

6．看书，了解“双名法”分类方法：

7．看书，想一想，是怎样用“双名法”来给东北虎分类的？

四．我总结：通过探究性学习，我知道了：

五．我提问：我经过思考，还不懂的问题有：

【教学过程】

一、导入新课

1．你到商场买过衣服吗？你知道运动装在商场的几楼卖？怎么知道的？（标志牌————广告牌————分类牌）

2．商场为什么要有这些标志？

3．看标志牌，商场的标志牌是按什么给商品分类的？（相同或相似的特征）

二、尝试分类，认识分类分法和分类的意义

1．试着给植物果实分类，思考：怎么分类的？为什么要这样分法？

2．汇报交流

（1）怎么分类的？

（2）为什么要这样分法？

3．阅读（书55页）：关于分类、分类意义

4．小结：分类就是把具有相同或相似的特征的事物组合在一起。和排序一样，它也是整理各种信息的常用方法。分类的方法有多种。

三、用不同的方法给物体分类

（一）按相同点分类

1．看书56页，给手指纹按相同点分类。

2．汇报交流：

（1）分哪几类？

（2）为什么这样分？

3．看图，找一找这类海洋生物的特征。

4．汇报交流：

第一题：这类奇怪的海洋生物的特征是什么？

第二题：这些海洋生物不是它们家族成员，为什么？

第三题：哪些是它们的家族成员？

第四题：描述这类海洋生物与众不同的特征：

（1）形体：多边形。

（2）色彩：都是绿色。

（3）腿：六条腿。

（4）六条腿的方向一样。

5．总结：

按相同的一个特征或相同的几个特征来分类，这是一种分类方法。

（二）按二分法分类

1．阅读书57页，说说什么是二分法？

2．关于多极二分法，你有什么不懂的？

3．分组讨论：看图，找出二分法的依据。

4．汇报交流：

（1）卵生————胎生

（2）飞行————游动

（3）四腿————两腿

（4）两栖————水生

（5）家养————野生

5．小结：

把事物一分为二，再一分为二，一直分到不能再分为止，这种方法叫多极二分法。分别找出两类的特征，有相同或相同特征的为一类。

6．用二分法给邮票分类

7．汇报交流：你是怎么分的？

（1）有生命————无生命

（2）有时间————无时间

（3）单票————套票

（4）齿孔度数

（5）外形规格

（6）发行日期等等

（三）“双名法”

1．阅读书58页资料，思考：什么叫“双名法”？

2．说说你对“双名法”的理解。

（1）属名，该生物与其他生物的共同特征和亲缘关系，相当于你的姓。

（2）种名，描述了该生物的个体特征，相当于你的名字。

3．看图，说说是怎样用“双名法”给东北虎分类的？

都是动物→→→都有脊椎→→→都哺乳→→→都食肉→→→都有猫的形态→→→都是虎属→→→东北虎是虎的一种

4．小结：

“双名法”分类最大的特点是什么？（按属和名来分类，先属最后名，有姓————属名，有名————名字，

四、总结

1．我们学习了哪几种分类方法？

（一）按相同点分类

（二）按二分法分类

（三）“双名法”

2.为什么要给事物分类？

五、作业

1．考一考爸爸或妈妈，请他们来给事物分类，你做老师，给他们评分。可用书上的题目，也可自编题目。