机器人教育对提升学生综合素质影响的研究

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机器人教育对提升学生综合素质影响的研究
肇庆市第一中学  钟琪
【摘要】：“科学技术是第一生产力”,在新课程改革的背景下，科学教育显得尤其重要。机器人作为科学教育中一个新的分支，近年以多种形式走进校园，竞赛的方式尤其普遍。笔者在本文中，重点研究了机器人进校园在《国家中长期教育改革和发展规划纲要》中对实现全面提升学生的综合素质有何积极影响。笔者在建构主义理论的指导下进行机器人竞赛教育，并通过活动前后的对比，研究了机器人教育如何提升学生综合素质，提高了哪方面的能力，给出推进机器人教育的对策和建议。
【关键词】：中小学  机器人 建构主义理论  综合素质 创意机器人比赛
一、前言
计算机科学和人工智能迅猛发展，但不少没接触过机器人的学生认为，机器人是很神秘的、高深的，是大学生和科学家才去研究的项目。为了向中小学生普及机器人知识，揭开其神秘面纱，机器人这一新兴学科正走进校园。通过修订教材、举办竞赛，机器人进校园活动让学生对单片机和传感器有基本的认识，从底层去认识计算机科学并提升个人的综合素质。长期以来，传统的教育方式带有强烈的应试教育色彩，而新课程改革以来，素质教育被提上日程。实验教育在培养学生的创作力和综合能力显得尤其重要。机器人不是一个单纯的知识点，而是一个全新的信息技术综合教育平台。在国家中长期教育改革和发展规划纲要中，明确提出要全面提升学生的综合素质的要求。机器人教育的推广，实现这一目标有积极意义。
机器人教育作为一种全新的教育教学实践，正受到不少学校的关注和重视。我省参与各级给类机器人竞赛的学校和学生逐年增多，参与范围逐年扩大。以广东省科学中心举办的第三届广东省创意机器人的大赛为例，参赛师生达到1500人，比2013年参加的总人数增加了50%左右。并且，参与的队伍有广州、深圳等教育强市到河源、梅州、肇庆等经济欠发达地区均有，这都说明了机器人教育越来越普及。我校连续两届参与该比赛，也获得可喜的成绩。
在众多的机器人竞赛中，广东省科学中学举办的创意机器人大赛拥有参赛成本低、培训时间短、可操作性强和贴近生活实际等优点，笔者将以该比赛为案例，探讨机器人活动对学生综合素质的影响。
二、机器人竞赛对学生综合素质的影响
1、对学生自学能力的影响
建构主义教学理论认为，知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情境下，借助教师或学习伙伴的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得的。机器人竞赛就为学生创设了一个学习情景，为了完成机器人的设计组装、程序编写、功能实现，都需要整个团队的队员相互协作，在教师的指导下主动学习电路知识、传感器知识、单片机知识等。从传统教学中的“教师要学生学”转变为“学生主动学”。八年级的选手没有电路的基础，为了解机器人中线路的连接方法，学生通过主动翻阅高年级教材、咨询老师、查阅网上资料等方式，在很短的时间内就能掌握简单的电路图知识、欧姆定律知识等。
87%的学生认为，自己通过查阅各种资料而获得的知识比传统课堂中满堂灌的知识理解得更透、记得牢。这不仅对九年级物理学习打下了基础，而且能让学生明白主动学习比被动学习的效果更明显，使学生学会学习。

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2、对学生解决问题能力的影响
    参赛的学生有一定的编程基础，能够掌握C语言的语法和结构。譬如，要让智能机器人小车遇到标识后先向前开6秒，再启动倒车程序。学生开始时候把程序写成如下：
if (flag==1)
{
digitalWrite(lmdPin,HIGH);  //智能机器人小车向前运动
digitalWrite(rmdPin,HIGH);  //智能机器人小车向前运动
Delay(5000);               //向前开5000毫秒
digitalWrite(lmdPin,LOW);  //智能机器人小车向后运动
digitalWrite(rmdPin,LOW);  //智能机器人小车向后运动
Parking();                 //启动倒车函数
}
看上去十分正确的一段程序，但实际情况却并非如此。智能机器人小车不断向前运动而不向后运动。于是学生在不断的思考后，对程序进行了修改，控制小车只执行一次向前运动后马上启动倒车。程序修改如下：
if (flag==1)
{
digitalWrite(lmdPin,HIGH);  //智能机器人小车向前运动
digitalWrite(rmdPin,HIGH);  //智能机器人小车向前运动
Delay(5000);                //向前开5000毫秒
flag=2;
}
else if (flag==2)
{
digitalWrite(lmdPin,LOW); //智能机器人小车向后运动
digitalWrite(rmdPin,LOW);//智能机器人小车向后运动
Parking();               //启动倒车函数
}
这时候机器人的动作终于合符要求了。在程序编写的过程中，我们关注的并不是学生的编程能力，而是关注学生遇到困难时如何去解决问题的能力。当程序编写没有错误，却不符合预期时，学生应该从单片机的指令运作开始考虑，从底层去认识机器人动作，拓宽解决问题的思路，提高解决实际问题的能力。
3、对学生实践能力的影响
广东省创意机器人比赛为参赛队伍提供了基础材料包，但材料均是零散的部件，这就让中学生必须学会使用辅助工具，如砂纸、螺丝刀、热熔枪、万用电表等，并且要根据电路图连接线路，这就是实物机器人比虚拟机器人竞赛更好的地方。目前大多数学生都是独生子女，甚少使用工具。如今，利用机器人学习的平台，通过动手操作，学会使用课本以外的多种工具的使用方法，这对学生今后的工作和生活都有积极的影响。

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4、对学生协作能力的影响
在机器人竞赛初期，不少学生普遍存在独立行动的现象。建构主义理论认为，“协作”是贯穿整个学习活动的。师生间、生生间的协作，对于推进机器人教育有重要意义。辩证唯物主义提出，“整体”拥有“部分”没有的特征，这就是我们常说的“1+1>2”。在竞赛准备过程中，独立行动进度之满、效果之差明显不能满足竞赛的需要，这迫使学生必须以团队为单位，在协作中前进。组员落实分工，在协商中进步。
5、对学生交流能力的影响
交流是双向的，包括聆听与说话。在常规教学中，经常有小组讨论的环节，但缺乏指导的讨论容易流于形式。在竞赛过程中，由于时间紧迫，学生必须善于利用工程化的交流来商讨如何完成比赛任务。我们要让学生知道，并不是一味的会“说”就是懂得沟通，良好的沟通应该是在“听”与“说”之间，产生思维碰撞。在竞赛结束后，学生的工程化沟通技巧明显提升，并且能够应用在文化课的学习当中。
6、对科学素养信息素养的影响
在机器人竞赛开展后，学生对科学技术的兴趣日益提升。这一现象不仅针对参赛队员，其他非参赛的七、八、九年级的同学都对机器人产生浓厚兴趣。作为一名信息技术教师，明显感受到课后学生对机器人、数码科技、计算机科学这一方面的咨询多了很多。机器人不再是一门高不可攀的学科，不少学生在网上购买到一些小型单片机和传感器，并结合义务教育阶段的综合实践活动开展机器人探究活动。于此同时，在信息技术课堂上，学生对信息技术学习热情有所提高。首先，学生在信息技术课堂上的纪律表现有改善，迟到、违纪人数基本为0；其次，学生在信息技术课堂上的注意力大大提升，学生主动希望在课堂上多学习科学技术的知识；最后，机器人进校园，在校园内形成一股热爱科学的良好氛围，提高了学生主动接触科学，探索科学的科学素养。
三、对机器人竞赛教育的反思
1、明确机器人竞赛目的
机器人竞赛教育并不只是为了学习编程和单片机知识的教育，更不是为了获取奖项的教育，而是通过机器人这个载体，让学生自主建构科学知识体系，在活动过程中提升个人的综合素质。在机器人教育开展的过程中，需明确“提升学生综合素质”这一目的，同时也要明确，竞赛只是一种教育手段，奖项只是一项鼓励，降低竞赛的功利性。同时，教师应引导学生在比赛中以良好的心态应赛，客观看待比赛中的突发、偶发事件。
2、明确教师在机器人竞赛中的作用
根据结构主义教育理论，教师是学生活动的促进者而非知识的传授者。在机器人竞赛的准备过程中，应该以引导为主，使学生在一定的情境下学会利用团队协作、沟通交流、自主学习等方式来建构关于机器人、单片机、程序设计、物理电路等知识，让学生主动承担起解决问题的责任，而非为了获奖而满堂灌。