機器人認識教學中的學科整合與探究性學習

1、機器人認識教學中的學科整合與探究性學習上海市實驗學校 朱建國提要：本文通過介紹信息科技機器人認識教學的一些教學方法，探討了與初中數(shù)學、物理和信息科技等相關內容，在探究性學習的平臺上，進行學科整合的問題。提出了學科整合的必須學科互利和需要進行學科合作的觀點，以及符合二期課改精神的難度小、實踐多、拓展深的探究性學習的設想。關鍵字：機器人認識教學，學科整合，探究性學習，設計。信息科技課程中的機器人教學，一般的學校都是作為拓展課或根據(jù)實際情況成為基礎課中的選修內容。許多任課教師都以參加比賽取得好成績?yōu)榻虒W目的。比賽總是少數(shù)學生參加，這種針對少數(shù)學生高難度的教學，不可能激發(fā)大部分學生的興趣，這顯然不符合

2、二期課改讓每個學生都得到發(fā)展的原則，需要進行教法的改變。機器人教學內容新、實踐多的特點，往往可以成為體現(xiàn)新的教學理念，采用新的教學方法的良好舞臺。其本身的教材簡單、參考資料缺乏、教師經驗不足，可以成為需要學科整合和進行探究性學習的原因和動力。學生要參加有關機器人的比賽，不管是編程還是調試，必須對自己所使用的機器人有足夠的了解，才能采取最合理的方法去解決問題。但由于資料欠缺，一般新授課的教師對這方面了解也不多，所以在進行機器人認識教學中，應當而且只能靠學科整合和探究性學習來彌補這些問題。以“能力風暴”機器人的教學為例。在剛開始引進和介紹機器人時，為了讓學生對機器人有一個整體了解，教學上有必要讓學

3、生測量一下機器人及其各個零部件的長度和重量。教師可對機器人及其各個零部件作一一介紹后，再將一些測量工具如：直尺、卷尺、角尺、鋼皮尺、 天平和磅秤等交給學生，或給學生介紹這些工具，讓學生到物理組、體育組等組室借用這些測量工具。在測量以前，教師要求學生以組為單位，每組設計一個能全面反應“能力風暴”機器人及其零部件的物理特性，測量后用以記錄的excel數(shù)據(jù)表格，然后教師對這些表格進行評價、編輯。實際的一個如圖1。能力風暴機器人的各項零部件的特征 表格設計者：零部件長度（毫米）備注零部件質量(克)備注殼底(不包括圍裙)周長/半徑半徑計算整機輪子周長/半徑滅火風扇機器人的高精度不高電池通信信號線通信信號

4、線圍裙下底周長光敏傳感器紅外接受傳感器紅外接受傳感器電池高紅外發(fā)射傳感器射燈孔直徑充電器填表者(簽名)：日期：圖1 學生設計的測量“能力風暴”機器人零部件的Excel表格此表設計和使用同初中二年級的物理（八年級）中的“長度的測量”和“質量的測量”二小節(jié)的教學要求類似。學生設計和制作表格，還要用到初中信息科技的“數(shù)據(jù)表格的處理”單元的教學內容。由于設計表格的學生只了解了機器人及其各種零部件的名稱、樣式。教師只提出使用表格的具體要求，如表格中要有表題、作者、簽名、日期和零部件名稱等。學生是設計表格任務驅動，用三種不同的學科的教學內容整合，探究性地完成這張表格。學生的表格一旦在教學中選用，教師可將設

5、計者的名字印在表上以達到激勵學生的目的。教師將選用的表格印發(fā)給每個小組的學生，要求學生用現(xiàn)有的或到物理組、體育組等借來的測量工具機器人及其零部件進行測量后填表。表中的各個零部件，有長短，硬軟，直彎，重輕等之分，必須使用不同的測量工具，甚至要采用輔助工具和經過計算才能填表。如殼底和輪子是圓形，應用卷尺，其半徑要通過圓周長公式計算得到。通信信號線和紅外接受傳感器是軟的電線，應用鋼皮尺或直尺來量。射燈孔直徑和機器人的高，需采用曲尺等輔助工具，其測量精度相對不高。外傳感器和電池只有從機器人上拆下來，才能測量長度和質量，迫使學生學會動手拆卸。整機重量較大，用普通天平無法測重；而幾種傳感器質量都只有2到3

6、克，只能使用天平。這些大小不同、材質各異的物品，測量中將物理教材中所提及的相關測量工具和測量方法幾乎都用上了，就連計算公式都用上，對物理課的教學內容來說，填這個表是一道很好的練習題。如能同物理教師合作，這種學科整合的能使二門學科的教學都得益，這還牽涉到信息科技的Excel表格制作，數(shù)學中的圓周長公式，形成多學科知識解決同一問題。如果每個小組的測量都能獨立完成，收上來的各小組的表格數(shù)據(jù)會略有差異，特別是重量比較小的傳感器，孔徑較小的射燈孔，圓頂?shù)恼麢C高度，都相當難測準。由于沒有表格標準答案，任何人的測量都會有誤差。教師對這些學生測量所得的數(shù)據(jù)的評判就成了問題。教師可以將這些數(shù)據(jù)匯總成Excel表

7、格，每項測量各小組的數(shù)據(jù)列成一行，計算出平均數(shù)值，如果小組較多，可去掉最大值和最小值再求平均值。讓學生根據(jù)與平均值的差異來評判哪一組的測量相對準確。用相對標準代替絕對標準，對以后初中三年級的學習數(shù)學（九年級）中的求平均數(shù)和標準差等統(tǒng)計內容大有好處。另外Excel表格統(tǒng)計的實際使用，有力地說明了信息科技的用途。在講述輸入程序，讓機器人運動這一部分。要介紹motor(x,y)，drive(a,b)，stop()幾個函數(shù)，教材上內容不甚具體，就是找到參考資料，教師照本宣科，學生聽了死記硬背，教師教的缺乏新意，學生學得毫無興趣。這對于大部分既不參加比賽，又不參加中考、統(tǒng)考的學生，教學上會遇到麻煩。dr

8、ive(x,y)函數(shù)是用以啟動機器人二側輪子的控制電機，其中x為基準速度，左側電機以x-y功率，右側電機以x+y功率同時轉動。如drive(60,0)是讓機器人左右電機都以60功率轉動，向正前方前進。左右電機都以功率60或某個其它特定值運轉時，機器人最高能達到多大的運行速度？教材和參考資料中都沒有提及，這就像一輛汽車速度最高能開到多少一樣，學生可能會有這個好奇。好奇是學生探究了解機器人特性的契機，也就是探究性學習最好的切入點。教師可舉出這樣一段程序：void main() drive(60,0); /*左右電機都以功率60旋轉*/ sleep(6.0); /*持續(xù)6秒種*/ stop() /*

9、關閉左右電機/上述程序讓機器人的左右電機從靜態(tài)開始，持續(xù)以60功率旋轉6秒，然后突然剎車。當電機功率突然一下達到一定值的時候，其速度會從零加速到最高，當機器人還沒有達到最高速時，其速度會不斷提高，同時阻力也相應增大，直到最高速恒速前進。如果測出機器人6秒的行駛距離，用s=vt算出機器人的最高速度？顯然不行，因為機器人在整個運行過程中不總是以最高速度恒速前進。教師提出測出或計算出左右電機功率為60的機器人的最高行駛速度，學生應該很感興趣。教師可以將其作為探究性學習的題目交給學生分組討論，找出測試和計算的方法。這種小型的探究性學習適合鍛煉學生的邏輯思維。如果學生能分析出機器人運行的速度變化的各個階

10、段，設計一種測量和計算方法應當比較容易。從圖2可以看到，在運行足夠長的時間范圍內，機器人經歷了速度上升，以最高速度恒速運行，然后速度下降至零。只要改變上述程序sleep() 函數(shù)自變量，如圖2中的o至g與o至h所示，任意二次足夠長的時間運行，經歷的加速與降速的時間和速度變化應當相等，加速與降速所經過的路程也應相等。將二次運行的時間相減和路程相減，就可算出60功率所對應的最高速度。圖2 “能力風暴”機器人運行的速度變化示意圖這種對運動著的機器人的分析、測試和討論，就是物理（八年級）的“勻速直線運動速度”和“變速直線運動平均速度”的教學內容的實際應用背景和實驗。學生在得出機器人功率60所對應的最高

11、速度以后，又引發(fā)出一些新的問題，可供學生探究性學習。如求圖2中的x，即花多少時間可從零加速到最高速度。功率100的最高速度是功率50的兩倍嗎？其加速時間是相等，還是兩倍，還是有其它規(guī)律？加速時的其速度增長的規(guī)律是圖2所示（0至b）的三種中的哪一種？剎車減速的規(guī)律和時間是怎樣的？學生可以分小組討論這些問題，進行分析、試驗和計算，得出自己相應的結論。這些結論是什么，對錯都不重要，重要的是學生能設計出試驗方法，進行測試和計算，得出和證明自己的結論。在不需要進行復雜編程的條件下，使絕大部分學生進行探究性學習，得到了獨立思考和動手實踐的鍛煉機會。圖2用到了數(shù)學（七年級第一學期）中的“平面內點的位置與坐標

12、”的教學內容。如果學生能在老師的指導下分析畫出各階段速度變化的圖2，相信對學生將來高中學習解析幾何大有好處。就是用教師畫的圖2來分析，也是數(shù)學中的直角坐標系的實際應用，也能增加學生學習數(shù)學的興趣。這種方法充分利用了機器人教學的資源，形成了難度小，實踐多，拓展深的探究性學習。這將使得機器人的教學，不光成為少數(shù)尖子學生的專利，而成為大部分學生都能得到適合自己水平發(fā)展的，進行素質教學的良好的教學工具。機器人教學的引進，不僅豐富了信息科技的教學內容，拓展了學生認識計算機的視野，成為信息科技很好的教學平臺和載體，而且也成為學習和鞏固數(shù)學、物理知識的很好實踐工具。只要教師能巧妙的設計，可以通過相關學科的整合，不僅能使信息科技的教學得益，而且也能使鞏固和激發(fā)學生對相關的數(shù)學、物理等教學內容的學習興趣，打下學習基礎，并與它們互為學習工具。在探究性學習的平臺上，學科整合不僅成