機器人教學(xué)模式的分類與設(shè)計環(huán)節(jié)PPT課件

1、機器人教學(xué)模式的分類與設(shè)計環(huán)節(jié)of552南昌大學(xué)楊彥軍目錄一二三四引言引言機器人教育的內(nèi)涵和理論基礎(chǔ)機器人教育的內(nèi)涵和理論基礎(chǔ)機器人教學(xué)模式的分類框架機器人教學(xué)模式的分類框架四種類型教學(xué)模式解析四種類型教學(xué)模式解析of553南昌大學(xué)楊彥軍一.引言of554南昌大學(xué)楊彥軍引言u 近年來，隨著基礎(chǔ)教育新課程改革的不斷深入，我國中小學(xué)機器人教育也有了較快發(fā)展，其教育價值已初步獲得社會認可。u 隨著機器人技術(shù)的成熟與普及，機器人進課堂也將成為一種新常態(tài)。1of555南昌大學(xué)楊彥軍引言u 一是教育目標(biāo)層面，側(cè)重模仿實驗，重基礎(chǔ)輕應(yīng)用。 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新應(yīng)用能力是機器人教育的主要目標(biāo)之一，也是 機器人教育的

2、核心價值所在。但目前看來，在機器人課堂教學(xué)中， 創(chuàng)新能力的培養(yǎng)往往流于形式。u 二是教育內(nèi)容層面，側(cè)重學(xué)科本位，重技術(shù)輕整合。受機器人競賽思路的影響，以及相關(guān)教育教學(xué)研究的滯后，中小學(xué)機器人教學(xué)還處在以傳授機器人技術(shù)知識為核心的初步發(fā)展階段。1of556南昌大學(xué)楊彥軍二.機器人教育的內(nèi)涵和理論基礎(chǔ)of557南昌大學(xué)楊彥軍 機器人教育的內(nèi)涵2 認為機器人教育是指學(xué)習(xí)、利用機器人，優(yōu)化教育效果及師生勞動方式的理論與實踐。廣義上的機器人教育是指利用智能機器人進行教育教學(xué)活動。狹義上是指在教育領(lǐng)域使用智能機器人來改善教學(xué)過程，優(yōu)化教育效果及完善師生工作方式的理論與實踐。把機器人作為教學(xué)的基本材料，學(xué)習(xí)

3、機器人的知識與技能。目前所說的“機器人教育”主要指的是機器人學(xué)科教學(xué)of558南昌大學(xué)楊彥軍機器人教育的理論基礎(chǔ)2基于建構(gòu)主義的項目學(xué)習(xí)理論:建構(gòu)主義認為，學(xué)習(xí)是一個知識建構(gòu)知識建構(gòu)的過程，并且這種學(xué)習(xí)是自主有自主有意義的學(xué)習(xí)，即學(xué)習(xí)者主動選擇和探索所需內(nèi)容的學(xué)習(xí)。摒棄簡單、機械重復(fù)的記憶，通過已有經(jīng)驗對知識進行選擇、總結(jié)和處理后，達到與外界相互作用的、不斷完善的學(xué)習(xí)過程。of559南昌大學(xué)楊彥軍機器人教育的理論基礎(chǔ)2多元智能理論:多元智能理論源于1983年美國的霍華德加德納（Howard Gardner）的相關(guān)研究。他強調(diào)將人的智能至少分成八種，由于每個人的智能分布形態(tài)都獨具差異，因而會呈現(xiàn)

4、出不同的強項和弱項。of5510南昌大學(xué)楊彥軍機器人教育的理論基礎(chǔ)2“做中學(xué)”理論:美國現(xiàn)代教育學(xué)家杜威提出的“從做中學(xué)”理論，也就是“從實踐中學(xué)”、“從經(jīng)驗中學(xué)”。他主張用“從做中學(xué)”取代“從聽中學(xué)”，明確表達了學(xué)與做的結(jié)合、知與行的結(jié)合，他認為“從做中學(xué)”是兒童發(fā)展進程的開始、是兒童天然欲望的表現(xiàn)、是兒童真正興趣的所在。of5511南昌大學(xué)楊彥軍三.機器人教學(xué)模式的分類框架of5512南昌大學(xué)楊彥軍機器人教學(xué)的知識內(nèi)容維度1“學(xué)科整合”一方面說的是機器人作為一個科技產(chǎn)品本身就是多學(xué)科綜合交叉的產(chǎn)物，包括電子、機械、生物、計算機科學(xué)與工程、人工智能等，學(xué)習(xí)機器人技術(shù)自然可以獲得多個技術(shù)門類的

5、知識；of5513南昌大學(xué)楊彥軍機器人教學(xué)的知識內(nèi)容維度1“學(xué)科整合”另一方面說的是機器人作為一種創(chuàng)新教育平臺，可以設(shè)計和開發(fā)出能解決實際問題的智能人造物，而這一設(shè)計和開發(fā)過程與我們所熟悉的程序設(shè)計不同，它常常需要涉及STEM（Science、Technology、Engineering、Mathematics）等多個學(xué)科知識的綜合應(yīng)用。of5514南昌大學(xué)楊彥軍機器人教學(xué)的知識內(nèi)容維度3.1?！皩W(xué)科本位”一個重要的原因在于教學(xué)中采用的機器人產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)和配件基本是固定的，學(xué)生主要用來學(xué)習(xí)編程控制的方法，無需作工程層面的設(shè)計，再加上要解決的都是所謂技術(shù)問題（典型如循跡問題），而非指向?qū)嶋H生活問

6、題，導(dǎo)致學(xué)科本位的機器人技術(shù)內(nèi)容成為機器人教育的主體甚至唯一內(nèi)容。of5515南昌大學(xué)楊彥軍機器人教學(xué)的知識內(nèi)容維度3.1?！白⒁馐马棥?、在國際范圍內(nèi)，機器人和機器人教育也被視為開展STEM教育的重要工具和抓手。但是，機器人教育并不必然會促進STEM知識的學(xué)習(xí)，關(guān)鍵在于能否將機器人教育當(dāng)成一種工程教育，在面向?qū)嶋H的工程問題的解決過程中，才會卷入各相關(guān)學(xué)科知識的學(xué)習(xí)of5516南昌大學(xué)楊彥軍機器人教學(xué)的知識內(nèi)容維度3.1?！白⒁馐马棥?、應(yīng)將機器人視作建立學(xué)科聯(lián)系的紐帶和載體，凸顯機器人教育面向生活應(yīng)用的特色，樹立以培養(yǎng)學(xué)生運用機器人感知世界和改造世界為目標(biāo)的整合取向，使學(xué)生學(xué)習(xí)到的零碎知識與

7、機械工程經(jīng)驗轉(zhuǎn)變成一個探究世界相互聯(lián)系的不同側(cè)面的過程，從而獲得設(shè)計能力、合作能力、問題解決能力和實踐創(chuàng)新能力的綜合提升。of5517南昌大學(xué)楊彥軍機器人教學(xué)的物化成果維度3.2人們習(xí)慣性地將機器人視作具有自主控制能力的智能人造物，即能夠?qū)⑿畔⒌妮斎搿⑻幚砗洼敵龅戎悄芸刂菩袨榧显谝黄鸬莫毩⒀b置。智能人造物：of5518南昌大學(xué)楊彥軍機器人教學(xué)的物化成果維度3.2“機器人計算機”交互系統(tǒng)將機器人接受和處理的外部信息輸入到計算機程序中，顯示或控制計算機程序的運行。當(dāng)機器人被視作探測外部信息的終端時，相應(yīng)的計算機程序可以用來接受和顯示經(jīng)數(shù)字化轉(zhuǎn)換后的外部信息；當(dāng)計算機程序為具有娛樂性質(zhì)的游戲時，此

8、類聯(lián)機交互系統(tǒng)也可以理解為以機器人為中介的人機交互游戲。of5519南昌大學(xué)楊彥軍機器人教學(xué)的物化成果維度3.2“機器人計算機”交互系統(tǒng)相關(guān)實踐1.以溫州中學(xué)謝作如老師為代表，其在S4A和互動型媒體技術(shù)一書中描述了S4A（Scratch for Arduino）與Arduino的交互過程，并在書中提供了一些教學(xué)案例。of5520南昌大學(xué)楊彥軍機器人教學(xué)模式的分類框架將兩個維度交叉整合后，我們可以得到機器人教學(xué)模式的一個全新分類框架，如圖1所示。鑒于每個模式均有以I開頭的英文單詞，故四種模式可以統(tǒng)稱為4I模式，分別代表了每個維度的典型特征，3.2of5521南昌大學(xué)楊彥軍機器人教學(xué)模式的分類框架

9、3.2of5522南昌大學(xué)楊彥軍四.四種類型教學(xué)模式解析of5523南昌大學(xué)楊彥軍實驗?zāi)M型教學(xué)模式解析1特點此類教學(xué)的基本特點是以機器人相關(guān)技術(shù)作為教學(xué)內(nèi)容的主體，將機器人本身作為學(xué)習(xí)的對象，以掌握機器人本體知識為導(dǎo)向。教學(xué)教學(xué)過程過程根據(jù)任務(wù)要求，引導(dǎo)學(xué)生使用自己的機器人平臺，構(gòu)建具有自主控制能力的智能裝置，模擬實驗或模擬再現(xiàn)生產(chǎn)生活中既有科技產(chǎn)品的功能或工作過程，在此過程中習(xí)得機器人的基礎(chǔ)知識和基本技能，并有可能提高學(xué)生的逆向工程能力。of5524南昌大學(xué)楊彥軍實驗?zāi)M型教學(xué)模式解析112320403456把玩和擺弄把玩和擺弄產(chǎn)品解構(gòu)與復(fù)原產(chǎn)品解構(gòu)與復(fù)原產(chǎn)品需求分析產(chǎn)品需求分析設(shè)計可選方

10、案設(shè)計可選方案制作原型制作原型測試與評價測試與評價of5525南昌大學(xué)楊彥軍定義定義所謂趣味交互型教學(xué)是指以開發(fā)有趣、好玩的機器人聯(lián)機交互系統(tǒng)為主要任務(wù)的教學(xué)。其基本形態(tài)是在計算機中編寫和運行程序，將機器人（如Arduino主控板）作為控制端，通過機器人與計算機程序進行交互，而非采用鼠標(biāo)與鍵盤。2趣味交互型教學(xué)模式解析of5526南昌大學(xué)楊彥軍趣味交互型教學(xué)模式解析2需求分析階段需求分析階段 模擬仿真類 數(shù)字故事類 交互游戲類 應(yīng)用程序類1of5527南昌大學(xué)楊彥軍趣味交互型教學(xué)模式解析22方案設(shè)計階段方案設(shè)計階段 設(shè)計設(shè)計要求要求 （1）從教育價值的角度，作品需要體現(xiàn)知識性 （2）從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

11、的角度，作品需要體現(xiàn)完整性 （3） 從技術(shù)實現(xiàn)的角度，作品需要體現(xiàn)交互性 （4）從作品特色的角度，作品需要體現(xiàn)趣味性 （5）從應(yīng)用拓展的角度，作品需要體現(xiàn)創(chuàng)新性of5528南昌大學(xué)楊彥軍趣味性機器人聯(lián)機交互系統(tǒng)的方案設(shè)計213確定交互方式確定交互方式明確子系統(tǒng)功能的實現(xiàn)方案明確子系統(tǒng)功能的實現(xiàn)方案確定確定確定子系統(tǒng)功能確定子系統(tǒng)功能of5529南昌大學(xué)楊彥軍趣味性機器人聯(lián)機交互系統(tǒng)的方案設(shè)計 從技術(shù)實現(xiàn)的角度確定趣味性機器人聯(lián)機交互系統(tǒng)的類型。類型。確定作品的交互方式確定作品的交互方式of5530南昌大學(xué)楊彥軍趣味性機器人聯(lián)機交互系統(tǒng)的方案設(shè)計 綜合作品功能和技術(shù)實現(xiàn)這兩個角度分別描述趣味性聯(lián)

12、機交互系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)的具體功能或性能指標(biāo)。確定子系統(tǒng)功能確定子系統(tǒng)功能of5531南昌大學(xué)楊彥軍趣味性機器人聯(lián)機交互系統(tǒng)的方案設(shè)計分別從兩個子輸入輸出系統(tǒng)（機器人端的輸入輸出子系統(tǒng)、計算機端的輸入輸出子系統(tǒng)）的角度設(shè)計符合實際需要和條件的具體方案.明確子系統(tǒng)功能的實現(xiàn)方案明確子系統(tǒng)功能的實現(xiàn)方案of5532南昌大學(xué)楊彥軍趣味性機器人聯(lián)機交互系統(tǒng)的方案設(shè)計（1）機器人端的輸入輸出子系統(tǒng)）機器人端的輸入輸出子系統(tǒng) 在機器人端，學(xué)生首先需要思考實現(xiàn)系統(tǒng)交互的方式有哪些，根據(jù)交互方式選擇機器人硬件來制作交互設(shè)備，同時，還應(yīng)考慮所選硬件是否高效、經(jīng)濟。學(xué)生還可根據(jù)設(shè)計需求選擇不同的執(zhí)行器來增強系統(tǒng)的交互

13、效果、呈現(xiàn)反饋信息，使交互過程更加生動、有趣。of5533南昌大學(xué)楊彥軍趣味性機器人聯(lián)機交互系統(tǒng)的方案設(shè)計機器人端在不同類型的機器人聯(lián)機交互系統(tǒng)中發(fā)揮不同的作用機器人端在不同類型的機器人聯(lián)機交互系統(tǒng)中發(fā)揮不同的作用機器人端主要作為游戲指令發(fā)射裝置機器人端主要作為游戲指令發(fā)射裝置機器人硬件可用于獲取外界環(huán)境信息來影響故事情機器人硬件可用于獲取外界環(huán)境信息來影響故事情節(jié)，也可直接控制角色行為來影響故事發(fā)展。節(jié)，也可直接控制角色行為來影響故事發(fā)展。機器人硬件端用于模擬現(xiàn)有產(chǎn)品的控制手段或觸發(fā)機器人硬件端用于模擬現(xiàn)有產(chǎn)品的控制手段或觸發(fā)方法，可從影響產(chǎn)品運行的因素著手，思考選擇何種硬方法，可從影響產(chǎn)品

14、運行的因素著手，思考選擇何種硬件能夠更好地反映影響因素的變化。件能夠更好地反映影響因素的變化。模擬仿真模擬仿真類作品類作品交互游戲交互游戲類作品類作品數(shù)字故事數(shù)字故事類作品類作品應(yīng)用程序作品需要結(jié)合問題所反映的主要矛盾，選擇合適的機器需要結(jié)合問題所反映的主要矛盾，選擇合適的機器人硬件來解決問題。人硬件來解決問題。of5534南昌大學(xué)楊彥軍趣味性機器人聯(lián)機交互系統(tǒng)的方案設(shè)計（2）計算機端的輸入輸出子系統(tǒng)）計算機端的輸入輸出子系統(tǒng) 在計算機端，考慮如何獲取、分析機器人端輸入的數(shù)據(jù)，并據(jù)此向機器人端輸出控制指令。程序編寫是本環(huán)節(jié)的要點，開發(fā)者可從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法兩個方面思考實現(xiàn)作品功能的方案。多媒體信

15、息的搜集與整理也是本環(huán)節(jié)要完成的重要工作，除此之外，還需要組織各個媒體角色的呈現(xiàn)方式。of5535南昌大學(xué)楊彥軍趣味性機器人聯(lián)機交互系統(tǒng)的方案設(shè)計多媒體信息的搜集與整理也是本環(huán)節(jié)要完成的重要工作，除此之外，還需要多媒體信息的搜集與整理也是本環(huán)節(jié)要完成的重要工作，除此之外，還需要組織各個媒體角色的呈現(xiàn)方式。組織各個媒體角色的呈現(xiàn)方式。 可可根據(jù)游戲結(jié)果設(shè)置多種音效和提示音，使游戲更根據(jù)游戲結(jié)果設(shè)置多種音效和提示音，使游戲更具代入感與趣味性具代入感與趣味性 多媒體多媒體素材為故事情節(jié)發(fā)展服務(wù)，可根據(jù)故事風(fēng)格素材為故事情節(jié)發(fā)展服務(wù)，可根據(jù)故事風(fēng)格進行選擇、編輯進行選擇、編輯多媒體的呈現(xiàn)力求真實地反映

16、產(chǎn)品的控制過程，可多媒體的呈現(xiàn)力求真實地反映產(chǎn)品的控制過程，可采用直接拍攝實物或錄制現(xiàn)場聲音等手段采集多媒體素采用直接拍攝實物或錄制現(xiàn)場聲音等手段采集多媒體素材材模擬仿真模擬仿真類作品類作品交互游戲交互游戲類作品類作品數(shù)字故事數(shù)字故事類作品類作品應(yīng)用程序應(yīng)用程序作品作品 主要主要根據(jù)具體的問題解決策略組織多媒體素材。根據(jù)具體的問題解決策略組織多媒體素材。of5536南昌大學(xué)楊彥軍趣味性機器人聯(lián)機交互系統(tǒng)的方案設(shè)計 （三）（三）方案實施階段方案實施階段在方案設(shè)計的基礎(chǔ)上進行實際的開發(fā)工作。根據(jù)實踐經(jīng)驗，一種比較合理的操作思路是先搭建硬件再編寫程序。在實施過程中，學(xué)生應(yīng)了解開發(fā)過程中的注意事項。o

17、f5537南昌大學(xué)楊彥軍趣味性機器人聯(lián)機交互系統(tǒng)的方案設(shè)計搭建硬件搭建硬件先搭建機器人端的各元件，學(xué)生也可根據(jù)需求使用紙板、木棒等工具優(yōu)化機器人端的造型。編寫程序編寫程序編寫程序向機器人端輸出控制指令，搜集、編輯、整理多媒體素材，編程控制其呈現(xiàn)方式。當(dāng)按照已有方案無法完成系統(tǒng)的開發(fā)時，需及時調(diào)整方案并重新嘗試。注意事項注意事項規(guī)范使用各類工具、有序推進開發(fā)進度等。教師作為學(xué)生學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者和支持者，應(yīng)該隨時了解學(xué)生的開發(fā)過程和遇到的問題，并提供及時的指導(dǎo)和幫助。of5538南昌大學(xué)楊彥軍趣味性機器人聯(lián)機交互系統(tǒng)的方案設(shè)計 （四）（四） 測試階段測試階段學(xué)生主要通過操作交互系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)的執(zhí)行效果

18、，找出系統(tǒng)中存在的問題，分析問題產(chǎn)生的原因，并提出相應(yīng)的解決方案，即系統(tǒng)糾錯過程。of5539南昌大學(xué)楊彥軍趣味性機器人聯(lián)機交互系統(tǒng)的方案設(shè)計機器人糾錯內(nèi)容可分為結(jié)構(gòu)、控制、傳感、執(zhí)行、通訊五個方面。機器人糾錯內(nèi)容可分為結(jié)構(gòu)、控制、傳感、執(zhí)行、通訊五個方面。 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)指的是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是否完整，子成分是否缺失?？刂瓶刂浦傅氖怯嬎銠C端的程序控制和多媒體信息控制，主要檢查程序設(shè)計是否有誤，多媒體文件格式、大小是否合適。傳感、執(zhí)行傳感、執(zhí)行分別對應(yīng)機器人端的傳感器、執(zhí)行器，主要檢查元件是否破損、連接方式是否準(zhǔn)確。通訊通訊指的是系統(tǒng)中的通訊元件以及計算機與機器人之間的信號通訊，主要檢查信號是否受到干擾等。

19、of5540南昌大學(xué)楊彥軍趣味性機器人聯(lián)機交互系統(tǒng)的方案設(shè)計 （五）（五） 評價階段評價階段根據(jù)趣味性機器人聯(lián)機交互系統(tǒng)特點，可從作品知識性、完整性、交互性、趣味性、創(chuàng)新性五個維度評價學(xué)生作品。of5541南昌大學(xué)楊彥軍趣味性機器人聯(lián)機交互系統(tǒng)的方案設(shè)計教學(xué)時段：教學(xué)時段：課程實施的課程實施的中后段進行中后段進行教學(xué)對象：教學(xué)對象：適用于小學(xué)適用于小學(xué)四年級及以四年級及以上的學(xué)生上的學(xué)生教學(xué)班級容教學(xué)班級容量：量：不宜超過不宜超過30人人軟硬件配置：軟硬件配置：有機房的支有機房的支持，安裝相持，安裝相關(guān)開發(fā)軟件關(guān)開發(fā)軟件及基礎(chǔ)的圖及基礎(chǔ)的圖形、聲音處形、聲音處理軟件理軟件of5542南昌大學(xué)楊

20、彥軍科學(xué)探究型教學(xué)模式解析of5543南昌大學(xué)楊彥軍科學(xué)探究型教學(xué)模式科學(xué)探究型教學(xué)科學(xué)探究型教學(xué)，是另外一類需要設(shè)計聯(lián)機交互系統(tǒng)的教學(xué)類型。它以科學(xué)問題為導(dǎo)向，將機器人作為開展科學(xué)探究的載體和工具，為探究性學(xué)習(xí)提供數(shù)據(jù)收集、加工的技術(shù)支持。教學(xué)教學(xué)過程過程一般為: 從生活中的科學(xué)問題出發(fā)，制訂科學(xué)探究方案，開展科學(xué)探究實踐，利用機器人收集數(shù)據(jù)，利用程序設(shè)計或其他數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件分析數(shù)據(jù)，使學(xué)生在獲得機器人本體知識的同時提高科學(xué)探究能力，并習(xí)得科學(xué)知識和科學(xué)的思維過程與方法。核心核心價值價值: 主要表現(xiàn)為培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會利用機器人進行科學(xué)探究的能力。of5544南昌大學(xué)楊彥軍科學(xué)探究型教學(xué)模式 從教學(xué)

21、設(shè)計的角度看，除了學(xué)習(xí)者分析、學(xué)習(xí)內(nèi)容分析、學(xué)習(xí)環(huán)境分析等常規(guī)教學(xué)分析外，基于機器人的科學(xué)探究型教學(xué)模式還需特別考慮三類內(nèi)容的設(shè)計，即過程設(shè)計、工具設(shè)計、評價設(shè)計過程設(shè)計、工具設(shè)計、評價設(shè)計of5545南昌大學(xué)楊彥軍科學(xué)探究型教學(xué)模式 （一）（一） 過程設(shè)計過程設(shè)計一直以來，科學(xué)探究都是國際基礎(chǔ)教育改革所努力追求的方向，因此，如何引導(dǎo)學(xué)生開展科學(xué)探究也成為諸多教育研究者關(guān)注的焦點。of5546南昌大學(xué)楊彥軍科學(xué)探究型教學(xué)模式 國外學(xué)者認為，科學(xué)探究的基本程序應(yīng)包括提出問題、建立假說、設(shè)計研究方案、檢驗假說、表達或交流結(jié)果五個環(huán)節(jié)。 也有人將其概括為：研究分析問題或現(xiàn)象、建立假說并開展實驗、分析

22、數(shù)據(jù)以獲得新知、遷移應(yīng)用、交流與評價結(jié)果五個環(huán)節(jié)。 我國全日制義務(wù)教育科學(xué)（79 年級）課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗稿）將科學(xué)探究的一般過程表述為：提出問題、進行猜想和假設(shè)、制定計劃和設(shè)計實驗、獲取事實與證據(jù)、檢驗與評價、表達與交流六個環(huán)節(jié)。of5547南昌大學(xué)楊彥軍科學(xué)探究型教學(xué)模式提出問題與形成假設(shè)制定計劃和設(shè)計實驗進行實驗和收集數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)和得出結(jié)論評價與反思綜上所述，科學(xué)探究過程可概括為五個環(huán)節(jié)，本文將其作為基于機器人的科學(xué)探究型教學(xué)的基本過程。of5548南昌大學(xué)楊彥軍科學(xué)探究型教學(xué)模式 科學(xué)探究過程是圍繞所探究的問題展開的，只有當(dāng)問題是明確且具體時，探究才能有條不紊地持續(xù)下去。問題明確后，便可嘗

23、試做出假設(shè)。假設(shè)必須是可檢驗的，不是隨意的胡亂猜想，而是學(xué)習(xí)者根據(jù)已有經(jīng)驗、知識對探究問題做出的可能性的解釋。提出問題與形成假設(shè)提出問題與形成假設(shè)of5549南昌大學(xué)楊彥軍科學(xué)探究型教學(xué)模式 這是獲取證據(jù)和驗證假設(shè)的具體環(huán)節(jié)，直接決定了探究過程的有序性和科學(xué)性。教師要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)探究問題和假設(shè)，通過小組合作的方式共同討論影響問題的主要因素、選擇合適的實驗器材以及確定科學(xué)的探究過程。制定計劃和設(shè)計實驗制定計劃和設(shè)計實驗of5550南昌大學(xué)楊彥軍科學(xué)探究型教學(xué)模式 此環(huán)節(jié)直接影響科學(xué)探究結(jié)果的正確與否，因此，一定要按照制定的計劃和實驗步驟進行操作，且要熟悉器材的使用及確保實驗數(shù)據(jù)的正確記錄。進行實

24、驗和收集數(shù)據(jù)進行實驗和收集數(shù)據(jù)of5551南昌大學(xué)楊彥軍科學(xué)探究型教學(xué)模式 常用處理數(shù)據(jù)的方式是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化、可視化的表征形式，如表格、曲線圖等。因此，教師要注意如何引導(dǎo)學(xué)生正確處理實驗數(shù)據(jù)，從而得出實驗結(jié)論。分析數(shù)據(jù)和得出結(jié)論分析數(shù)據(jù)和得出結(jié)論of5552南昌大學(xué)楊彥軍科學(xué)探究型教學(xué)模式 學(xué)生應(yīng)能夠向他人表述自己的研究成果，能夠允許他人對自己的探究過程和成果提出不同的意見，并能認真思考他人的意見，以完善自己的探究方案。評價與反思評價與反思o(jì)f5553南昌大學(xué)楊彥軍科學(xué)探究型教學(xué)模式 （二）（二） 工具設(shè)計工具設(shè)計基于機器人的科學(xué)探究活動，必須做好工具設(shè)計設(shè)計好收集、顯示和存儲數(shù)據(jù)的機器

25、人裝置。of5554南昌大學(xué)楊彥軍科學(xué)探究型教學(xué)模式 隨著機器人教育的普及與發(fā)展，以及傳感器的不斷完善與改進，其強大的自動獲取與收集數(shù)據(jù)的能力成為支持科學(xué)探究活動的強有力工具。機器人由控制器、傳感器（輸入設(shè)備）和執(zhí)行器（輸出設(shè)備）等核心元件組成。在基于機器人的科學(xué)探究活動中，控制器用于控制傳感器接收有效的科學(xué)研究數(shù)據(jù)，并將有效數(shù)據(jù)傳輸給執(zhí)行器顯示（如 LCD 或數(shù)碼管模塊）或存儲（如SD模塊）。 因此，基于機器人的科學(xué)探究活動，必須做好工具設(shè)計設(shè)計好收集、顯示和存儲數(shù)據(jù)的機器人裝置。of5555南昌大學(xué)楊彥軍科學(xué)探究型教學(xué)模式盡管這一裝置的基本構(gòu)成并不復(fù)雜，但是在設(shè)計時必須考慮以下問題：盡管這

26、一裝置的基本構(gòu)成并不復(fù)雜，但是在設(shè)計時必須考慮以下問題： 需要采集何種研究數(shù)據(jù)？采用何種傳感器獲取這些數(shù)據(jù)？搭建何種結(jié)構(gòu)裝置才能方便獲取數(shù)據(jù)？設(shè)計何種算法才能獲取有效的數(shù)據(jù)？如何顯示、存儲、轉(zhuǎn)換獲取的數(shù)據(jù)？簡言之，這些問題所觸及的實質(zhì)就是以科學(xué)探究為導(dǎo)向的機器人建模。簡言之，這些問題所觸及的實質(zhì)就是以科學(xué)探究為導(dǎo)向的機器人建模。of5556南昌大學(xué)楊彥軍科學(xué)探究型教學(xué)模式 （三）（三） 評價設(shè)計評價設(shè)計基于機器人的科學(xué)探究活動，必須做好工具設(shè)計設(shè)計好收集、顯示和存儲數(shù)據(jù)的機器人裝置。of5557南昌大學(xué)楊彥軍科學(xué)探究型教學(xué)模式 對學(xué)生學(xué)習(xí)成效的評價，包括兩個方面： 一是作為機器人課程，需要考察

27、學(xué)生對機器人基礎(chǔ)知識和基本技能的掌握情況； 二是作為科學(xué)探究課程，需要考察學(xué)生在探究活動過程中的具體表現(xiàn)。 因此，可從機器人知識和技術(shù)、提出問題和形成假設(shè)、制定計劃和設(shè)計實驗、進行實驗和收集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和得出結(jié)論及評價與反思等六個維度對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況進行評價。of5558南昌大學(xué)楊彥軍科學(xué)探究型教學(xué)模式 概言之，基于該設(shè)計框架指導(dǎo)下的教學(xué)活動，將圍繞科學(xué)探究活動展開，以教學(xué)分析為教學(xué)出發(fā)點，以科學(xué)探究的基本過程為教學(xué)主線，以機器人建模及數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析為核心技術(shù)支持，以綜合評價方案為學(xué)習(xí)成效的評判依據(jù)。of5559南昌大學(xué)楊彥軍科學(xué)探究型教學(xué)模式 該模式具有培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科知識和科學(xué)探究能力的

28、雙重功能，對豐富和擴展機器人教育的價值和推動STEM教育均有重要意義。需注意的是，這種科學(xué)探究型教學(xué)模式是以信息技術(shù)教師和機器人課程為主體或主陣地的教學(xué)。此外，在設(shè)計科學(xué)探究主題時，必須考慮所涉及的科學(xué)知識與相關(guān)學(xué)科教學(xué)進度的呼應(yīng)，不宜超前探究，且最好能在既有學(xué)科知識的基礎(chǔ)上通過探究活動拓展其認識，或生發(fā)出新的探究問題。of5560南昌大學(xué)楊彥軍發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)模式解析of5561南昌大學(xué)楊彥軍發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)模式 發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)，是以實際需求為基本導(dǎo)向、以項目教學(xué)為基本方法、以創(chuàng)新實踐為核心目標(biāo)的教學(xué)，要求學(xué)生通過教學(xué)能夠制作出具有創(chuàng)新性的智能人造物。 所謂創(chuàng)新性，可能是解決新問題，也可能是解決

29、舊問題，但采用了新的方法和技術(shù)，或增加了新的功能，或設(shè)計了新的結(jié)構(gòu)形式等。要達到這種創(chuàng)新，要求學(xué)生能夠從分析實際生活需求出發(fā)，綜合運用相關(guān)學(xué)科知識設(shè)計和開發(fā)機器人裝置，以解決現(xiàn)實需求，并提高創(chuàng)新實踐能力，獲得利用科學(xué)技術(shù)提高生活品質(zhì)的成功體驗。of5562南昌大學(xué)楊彥軍發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)模式 目前在機器人教育領(lǐng)域，還沒形成指導(dǎo)學(xué)生開展發(fā)明創(chuàng)造活動的理論和方法。我們認為，國際流行的TRIZ理論是一個可資借鑒的理論基礎(chǔ)。TRIZ即“發(fā)明問題解決理論”，國內(nèi)也有翻譯為“萃智”或“萃思”理論，取其“萃取智慧”或“萃取思考”之義。of5563南昌大學(xué)楊彥軍科學(xué)探究型教學(xué)模式TRIZ理論理論 其主要目的是研究

30、人類進行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)難題過程中所遵循的科學(xué)原理和法則，它是一種建立在技術(shù)系統(tǒng)進化規(guī)律基礎(chǔ)上的問題解決系統(tǒng)，包括各種理論、方法、工具和程序，同時也是一個創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系理論。它能夠幫助人們系統(tǒng)地分析問題情境，快速發(fā)現(xiàn)問題本質(zhì)或者矛盾，準(zhǔn)確確定問題探索方向；幫助人們突破思維障礙，打破思維定式，以新的視角分析問題，進行邏輯性和非邏輯性的系統(tǒng)思維。of5564南昌大學(xué)楊彥軍科學(xué)探究型教學(xué)模式 可見，TRIZ非常適合指導(dǎo)機器人教育。當(dāng)然，TRIZ包含的理論和工具體系非常龐雜，目前也主要是應(yīng)用于工程技術(shù)領(lǐng)域以及相關(guān)教育培訓(xùn)市場，其所包含的原理和工具并非都適合指導(dǎo)青少年的機器人發(fā)明創(chuàng)造活動。根據(jù)相關(guān)研

31、究結(jié)論，“40個發(fā)明原理”和“39個工程參數(shù)和矛盾矩陣”是應(yīng)用最為廣泛的兩類TRIZ工具，最有可能引入到機器人教育當(dāng)中來。遺憾的是，目前國際范圍內(nèi)并沒有基于 TRIZ的機器人教育研究與實踐。of5565南昌大學(xué)楊彥軍科學(xué)探究型教學(xué)模式 發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)是機器人教育的高級階段，旨在引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計和制作具有一定創(chuàng)新性的智能人造物，借此培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造思維和創(chuàng)造能力。 為實現(xiàn)這一定位，要求在教學(xué)過程中，以創(chuàng)新設(shè)計為核心，以工程設(shè)計思想為主線，將創(chuàng)新情境、創(chuàng)新過程和創(chuàng)新方法映射于教學(xué)過程之中。of5566南昌大學(xué)楊彥軍發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)模式 其中，創(chuàng)新過程包括“微創(chuàng)新”的過程和“原始創(chuàng)新”的過程。對于中小學(xué)生而

32、言，直接開展原始創(chuàng)新活動有一定難度，因此可以從“微創(chuàng)新”開始，逐漸過渡到“原始創(chuàng)新”階段。也就是說，我們將發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)分成“微創(chuàng)新”和“原始創(chuàng)新”兩個水平或兩種模式，兩者均以工程設(shè)計為主線，不同的是，前者主要以逆向工程思想為理論指導(dǎo)， 后者主要以TRIZ 創(chuàng)新方法為理論指導(dǎo)。of5567南昌大學(xué)楊彥軍發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)模式 （一）（一） 微創(chuàng)新階段微創(chuàng)新階段根據(jù)逆向工程的 DAA 活動模型， 即 “拆解分析重組”模型，并結(jié)合工程設(shè)計思想，可將“微創(chuàng)新”階段分成如下五個環(huán)節(jié)：體驗、解構(gòu)、分析、再設(shè)計、測試和調(diào)試。of5568南昌大學(xué)楊彥軍發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)模式 本環(huán)節(jié)與實驗?zāi)M型教學(xué)“把玩和擺弄”階段

33、的用意有相同之處，亦是讓學(xué)生體驗產(chǎn)品，探索其功能，明確其結(jié)構(gòu)。 不同的是，發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)更強調(diào)產(chǎn)品與學(xué)生實際生活的關(guān)聯(lián)性。 當(dāng)學(xué)生具備相關(guān)的生活經(jīng)驗和認知經(jīng)驗時，不僅有助于后述“解構(gòu)”環(huán)節(jié)的開展，還將有助于他們發(fā)現(xiàn)新問題，萌生改造現(xiàn)有產(chǎn)品的新想法。1、體驗（、體驗（Experiencing）of5569南昌大學(xué)楊彥軍發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)模式 在機器人教學(xué)中，該環(huán)節(jié)的主要任務(wù)可分為硬件和軟件兩方面。硬件方面的任務(wù)主要包括分析執(zhí)行部分、 驅(qū)動部分、傳感部分和控制部分的元件及其使用方法，分析元件之間如何協(xié)同工作。軟件方面主要分析程序的基本結(jié)構(gòu)和算法等。2、解構(gòu)（、解構(gòu)（Deconstruction）of5

34、570南昌大學(xué)楊彥軍發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)模式 本環(huán)節(jié)的意圖在于發(fā)現(xiàn)已有產(chǎn)品的不足或者將產(chǎn)品用于其他用途等。 由于發(fā)明創(chuàng)造教學(xué)強調(diào)產(chǎn)品與學(xué)生已有經(jīng)驗的關(guān)聯(lián)性，因此，學(xué)生在經(jīng)歷“使用”和“解構(gòu)”兩個階段后，會發(fā)現(xiàn)一些新問題、提出一些新的想法。因此，本環(huán)節(jié)需要從實際生活出發(fā)，探索產(chǎn)品的不足之處，并從實際生活的角度確定解決方案。3、分析（、分析（Analyzing）of5571南昌大學(xué)楊彥軍發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)模式 本環(huán)節(jié)是在“分析”環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，對原有作品進行再設(shè)計，并根據(jù)重新設(shè)計的方案實現(xiàn)機器人作品的優(yōu)化，這種優(yōu)化可以在已有作品的基礎(chǔ)上進行，也可以重新制作一個新的作品原型。本環(huán)節(jié)不僅要做方案設(shè)計工作，還需要根

35、據(jù)方案完成元件選擇、硬件搭建、外形包裝、程序設(shè)計等任務(wù)。4、再設(shè)計（、再設(shè)計（Redesigning）of5572南昌大學(xué)楊彥軍發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)模式 本環(huán)節(jié)的意圖與實驗?zāi)M型教學(xué)一致，需要學(xué)生根據(jù)功能需求對作品進行測試與調(diào)試，從而達到預(yù)期的目標(biāo)，并確保作品的穩(wěn)定性。5、測試和調(diào)試（、測試和調(diào)試（Testing and Debugging）of5573南昌大學(xué)楊彥軍發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)模式 （二）（二） “原始創(chuàng)新原始創(chuàng)新” 階段階段“原始創(chuàng)新”階段以工程設(shè)計的過程模型組織教學(xué)，同時將TRIZ創(chuàng)新方法滲透其間。本研究參考和改造了2016年美國馬薩諸塞州的科學(xué)與技術(shù)/工程課程框架提出的工程設(shè)計模型，形成了

36、由以下7個環(huán)節(jié)構(gòu)成的教學(xué)模式：of5574南昌大學(xué)楊彥軍發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)模式明確需求或問題交流與分享調(diào)研已有方案設(shè)計可選方案制作原型測試與調(diào)試評價與反思o(jì)f5575南昌大學(xué)楊彥軍發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)模式1、明確需求或問題（、明確需求或問題（Identifying A Need or A Problem） 本環(huán)節(jié)旨在發(fā)現(xiàn)真實問題，為學(xué)生進行創(chuàng)新實踐創(chuàng)設(shè)情境。為便于后續(xù)教學(xué)的展開，問題的選擇至關(guān)重要。針對機器人教學(xué)，好的問題需滿足四點要求：一是情境性，是現(xiàn)實生活和真實情境中表現(xiàn)出來的問題，與學(xué)生日常生活相關(guān)；二是可行性，學(xué)生有能力對問題進行探究；三是價值性，包含豐富的科學(xué)知識；四是意義性，對學(xué)習(xí)者有用且有

37、趣，體現(xiàn)出創(chuàng)新性，并能以實物呈現(xiàn)效果。of5576南昌大學(xué)楊彥軍發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)模式2、調(diào)研已有方案（、調(diào)研已有方案（Investigating the Existing Solutions） 本環(huán)節(jié)要從問題出發(fā)，調(diào)研得到已有的解決方案。學(xué)生的任務(wù)是通過網(wǎng)絡(luò)途徑獲取盡可能多的解決方案，然后對各個方案進行分析，總結(jié)出其中的核心技術(shù)、優(yōu)缺點。本環(huán)節(jié)的工作有助于學(xué)生對所研究的問題產(chǎn)生更清晰地認識，對后續(xù)的方案設(shè)計提供借鑒，進而尋求可能的創(chuàng)新方案。of5577南昌大學(xué)楊彥軍發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)模式3、設(shè)計可選方案（、設(shè)計可選方案（Designing Multiple Solutions） 本環(huán)節(jié)是發(fā)明創(chuàng)造型教

38、學(xué)的核心環(huán)節(jié)，學(xué)生的設(shè)計思維、對知識的綜合運用能力、對創(chuàng)新方法的習(xí)得都發(fā)生在此環(huán)節(jié)中。 從教學(xué)實踐的角度看，存在兩種不同的操作思路。一種是利用頭腦頭腦風(fēng)暴風(fēng)暴，鼓勵學(xué)生憑借直覺和靈感提出可能的創(chuàng)新方案。這種方式通常要求學(xué)生具有較高的技術(shù)基礎(chǔ)和較豐富的制作經(jīng)驗，教師對學(xué)生的設(shè)想有較好判斷能力的情況下使用，否則容易陷入不著邊際的“臆想”狀態(tài)。of5578南昌大學(xué)楊彥軍發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)模式 另外一種思路，則可以遵循創(chuàng)新方法運用的一般過程遵循創(chuàng)新方法運用的一般過程開展教學(xué)。 例如，首先要引導(dǎo)學(xué)生比較分析已有方案的優(yōu)缺點，從中得到解決問題的思路或方向，即需要滿足哪些基本要求或指標(biāo)；然后，從這些指標(biāo)出發(fā)，找

39、到問題的關(guān)鍵沖突并用通用工程參數(shù)來描述，再利用沖突矩陣就可以找到相應(yīng)的發(fā)明原理。接下來，學(xué)生需要逐個探討每個原理在具體問題上如何應(yīng)用和實現(xiàn)。最后，從中篩選出最符合原始需求或問題的原理。如果找到的原理都不適用于現(xiàn)有問題，則要重新定義工程參數(shù)和矛盾。of5579南昌大學(xué)楊彥軍發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)模式 當(dāng)找到項目的創(chuàng)新解決方案后，學(xué)生需結(jié)合實際情況分析實施方案需要的軟硬件條件。 如果不具備實施的條件，則需要考慮可替代的方案或修改項目需求，最終形成一個可以實施的項目方案，并以書面的形式呈現(xiàn)。 如有必要，教師應(yīng)該為學(xué)生提供半結(jié)構(gòu)化的項目方案設(shè)計模板，內(nèi)容包括作品名稱、結(jié)構(gòu)草圖、作品功能、實現(xiàn)方法、關(guān)鍵問題與創(chuàng)

40、新方法的運用、創(chuàng)新之處、器材清單等。 需要說明的是，由于學(xué)生是第一次接觸TRIZ創(chuàng)新方法，在首次進行教學(xué)時，教師需要通過實例引導(dǎo)學(xué)生利用TRIZ創(chuàng)新方法分析問題，同時介紹發(fā)明原理在生活中的應(yīng)用實例。of5580南昌大學(xué)楊彥軍發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)模式硬件結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)的搭建除了需要常用的控制器、傳感器和執(zhí)行器外，還需要考慮外觀，以確保作品的完整性和實用性。程序編寫程序編寫時則需要某些元件的控制方法、庫文件等。筆記記錄包括遇到的主要問題、對預(yù)定設(shè)計方案的修改與原因、資料來源、心得體會等。 這既是一個記錄的過程，也是一個知識建構(gòu)和能力提升的過程。4、制作原型（、制作原型（Prototyping） 本環(huán)節(jié)要求學(xué)生利用上一環(huán)節(jié)形成的解決方案制作作品， 主要分為搭建硬件結(jié)構(gòu)和編寫程序兩方面。of5581南昌大學(xué)楊彥軍發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)模式5、測試與調(diào)試（、測試與調(diào)試（Testing and Debugging） 本環(huán)節(jié)的意圖與“微創(chuàng)新”階段的教學(xué)一致，學(xué)生通過對作品不斷進行測試與調(diào)試，進而達到預(yù)期的目標(biāo)，并確保作品的穩(wěn)定性。6、評價與反思（、評價與反思（Assessing and Reflecting） 發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)側(cè)重創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，而創(chuàng)新是一個不斷展開的實踐過程，從這個意義上說，