青少年機器人校本課程教學案例的設計原則

劉平

摘? ?要：案例教學是機器人校本課程教學的重要手段，因此，設計合適的教學案例可以有效地幫助教師實現教學目標。以樂高積木機器人搭建與編程教學為例，教學案例的設計可遵循簡單易懂基礎性原則、貼近生活趣味性原則、實踐操作體驗性原則、任務驅動開放性原則、整體規劃系統性原則等。

關鍵詞：機器人校本課程;樂高積木;教學案例;設計原則

青少年機器人活動是中小學實施科學課、技術課、綜合實踐課教學的良好載體。目前，中小學機器人科技教育活動大多以競賽或者以校本課程的方式進行，這兩種方式都是通過具體的任務和案例進行教學。我校多年前已開設《機器人搭建與編程》校本選修課程，旨在培養學生探究機器人的興趣及提高學生的科技素養和創新能力。根據教學反饋情況對校本課程進行多次修訂，發現編寫時采用“案例+知識+探究”的方式更符合青少年的認知規律，且在教學實踐中設計恰當的案例能有效地幫助教師實現教學目標。因此，在青少年機器人校本課程教學中案例的選擇顯得尤為重要。筆者將結合多年機器人教學經驗，以樂高積木機器人搭建與編程教學為例，闡述青少年機器人教學案例設計應遵循的簡單易懂基礎性原則、貼近生活趣味性原則、實踐操作體驗性原則、任務驅動開放性原則、整體規劃系統性原則等五個原則。

1? 簡單易懂基礎性原則

簡單基礎性是指設計的案例或教學任務要相對容易和單一，更適合零基礎的學生理解和學習。由于學生知識與生活經驗存在差異，對機器人的接觸程度和基礎水平不同，同時認知水平與能力也不相同，所以，在校本課程編寫的起始章節，應采用原理或道理淺顯易懂的例子，由簡入難，循序漸進。

例如，在了解機器人結構搭建知識的教學中，可以設計用樂高積木搭建“英文字母、五角星、相框”等零基礎的案例（如圖1），來認識樂高積木的梁桿銷的作用及連接方式。可以設計搭建“三角形、四邊形、人字梯、折合梯、橋梁、高塔”等易理解的案例，來分析說明影響結構的穩定性的因素。又如，在講解機器人機械臂杠桿原理應用時，可以設計搭建“蹺蹺板、投石機、工具夾”等簡單案例進行實踐體驗。

2? 貼近生活趣味性原則

貼近生活指教學案例必須來源于學生的生活實際，趣味性是指設計的教學案例要讓學生感興趣。通過機器人課程的教學不但要培養學生探究機器人的興趣，還要培養學生發現問題與解決問題的能力，并在現實生活中能更好地應用機器人科學技術。因此，機器人校本課程的教學案例必須具有生活性和趣味性。

例如：在講解機器人的機械傳動方式時，可以選用學生熟悉的“自行車”案例進行類比分析，騎自行車人的踏蹬為自行車提供動力，鏈條和鏈輪等組成了自行車的傳動部分，車輪是它的執行部分，車身是他的機體。通過生活中的“機械手表、汽車發動機、水磨房”等圖片了解齒輪傳動、帶傳動和連桿傳動方式，并利用樂高積木設計搭建“攪拌器、電動風扇”生活用品模型（圖2）等實踐活動，理解機器人齒輪組結構傳動及加速和減速原理。又如，在學習超聲波傳感器時，可以設計制作“跟隨寵物狗”教學案例，讓寵物狗跟隨學生腳步前進后退，好玩有趣，學生沉浸其中，不知不覺中學會循環程序的應用。

3? 實踐操作體驗性原則

實踐操作體驗性是指教學案例不能停留在理論層面，要讓學生能進行具體的實踐操作，并在操作中獲得體驗感，從而更好地理解所學知識或原理。此外，設計的任務或案例還要符合學生實際的操作能力，能在一定的教學時間內完成，至少能在教師的輔導下完成實踐操作。

例如：在學習伺服電機和程序順序結構時，可以設計模擬洗衣機工作過程的教學案例，設計一個“樂高洗衣機”作品（如圖3）。讓學生思考如何通過程序控制伺服電機實現洗衣機滾筒的正轉反轉、如何實現洗好衣服會發聲提醒。該作品結構搭建較簡單，能在規定時間完成，可操作易實現，能讓學生獲得體驗感。又如，在學習程序分支結構時，可以選擇制作“模擬整點報時時鐘”的教學案例，如果程序僅用順序結構時學生會發現，整點報時秒針會停止不走，與現實中的時鐘情況不符，只有應用分支結構才可實現分別對電機和聲音圖標的獨立控制。讓學生通過不斷嘗試獲得成功，并從中加深對所學知識或原理的理解。

4? 任務驅動開放性原則

任務驅動是指案例的設計要為學生提供一定應用情境和具體的任務，并圍繞任務展開相應的學習，使學生主動建構探究、實踐、思考、運用、解決問題的學習體系。開放性是任務要具有一定的開放性，沒有唯一的答案，可以有多種完成任務的方法，旨在培養學生分析解決問題的能力和創新思維。

例如：在學習彈力勢能轉化時，可以設計一個“皮筋動力小車”機器人競賽活動項目。根據情境要求，圍繞任務：兩輛皮筋動力車如何接力，如何停在指定位置。學生進行探究發現，可以調控皮筋圈數和皮筋拉伸長度控制前進距離，運用皮筋彈射、皮筋扭轉產生動力，還可設計前驅或后驅，且車身大小及重量不同還會產生不同結果。這是一個開放性的任務，能有效培養學生發散思維，可設計出十多種解決方案，每個方案再進行優劣比較，能很好地培養學生分析解決問題的能力和創新思維，深受學生的喜愛。又如，在學習編寫機器人巡跡、轉彎程序時，可選用設計“光電巡跡停車入庫機器人”案例，通過程序控制機器人沿黑線達到某位置后模擬停車入庫。該案例任務情境明確，程序編寫時可控制左右馬達轉速、正反轉，實現調頭轉彎等，又可設計前進或倒車入庫方式。兩種方式在返回時又需要調整車身，學生需要不斷償試與分析才能完美完成任務，有效激發學生編程思維能力。

5? 整體規劃系統性原則

整體規劃是指機器人校本課程中各章節設計的案例需要有一個整體的規劃，做到由簡入繁、由易到難，從單個任務到綜合任務，形成循序漸進的學習過程。系統性是指前后案例之間既相互獨立又相互聯系，符合學生認知規律和課程目標，通過學習能形成較科學系統的知識結構體系。

例如，在機器人結構搭建部分，設計搭建“立方體、秋千、蹺蹺板、高塔、自行車、攪拌器、起重機、吊車、縫紉機、挖掘機”等案例，從簡單杠桿平衡結構到復雜齒輪傳動結構，再到凸輪、棘輪棘爪應用的特殊結構，層層遞進，互為關聯，形成較完整的知識體系。又如，在編寫程序部分，設計“程控風扇、前驅小車、聲控車、轉向車、巡跡車、倒車入庫、棒球機器人、搬運機器人、多任務機器人、FLL工程機器人（如圖4）”等案例，從學習樂高機器人的電機編程到傳感器編程，再到對機械臂綜合運用完成多任務編程。程序設計上由順序結構到循環結構，再到分支、判斷結構，由易到難，由單任務模塊到多任務模塊，學生在逐步完成編程任務中體驗成功的喜悅，不斷提升編程能力。

總之，案例教學是青少年機器人校本課程教學的重要手段。上好機器人校本課程的關鍵在于設計一個合適的教學案例，案例設計的五個原則既相對獨立又互為聯系，在實踐教學中還要考慮學生年齡、認知水平和已有知識等具體學情，以及所提供教學器材的數量與品牌，靈活設計恰當的教學案例。此外，案例設計的成功與否，就是看是否能激發學習興趣，是否能調動探究機器人的主動性，是否能有效促進課程教學目標的達成。