基于核心素养的中小学机器人教材内容设计 DF创客社区

本帖最后由丄帝De咗臂于 2015-7-5 19:04 编辑

本文发表于《中小学信息技术教育》杂志2015年第6期——剧透一下，我们正在编写的教材用的套件是DF的哦o(∩_∩)o
文中提到的聚类化也是我的毕业论文主要内容之一——《Arduino 机器人的聚类化项目教学行动研究》，欢迎各位给予指导

机器人课程强调手脑并用、知能并举，是开展创客教育的基础，更是培养中小学生科学素养和创新实践能力的重要载体。作为中小学机器人普及教育的推动者之一，我们最新承担了河北省小学和初中机器人教材的开发工作。在此，结合该套机器人教材的设计思路探讨基于核心素养的中小学机器人教材内容设计。
指导理念：核心素养的三层架构
经常有人问道，与科学课程、信息技术(此处特指计算机)课程相比，机器人课程有何独特性?或者更直白地说，如何辨别一堂课是否属于机器人课?其实，这些问题的背后，关心的是机器人课程到底有何独特的教育价值。
要回答这一问题，可以回到当前基础教育课程改革强调核心素养的语境中来。当下倡导课程改革的人士认为，基础教育的核心要义不是用以培养学生成为单纯的有知识、技能并掌握方法的人，而是使之成为有修养的人，有智慧的人，这样的人不妨暂时称之为有“核心素养”的人。至于何谓核心素养，由何构成，论者观点不一。在此，我们尝试将学科核心素养刻画为三个层次：最底层的“双基指向” (简称“双基层”)，以基础知识和基本技能为核心；中间层的“问题解决指向”(简称“问题解决层”)，以解决问题过程中所获得的基本方法和基本态度为核心；最上层的“学科思维指向” (可以简称“学科思维层”)，指在系统的学科学习中通过体验、认识及内化等过程逐步形成的相对稳定的思考问题、解决问题的思维方法和价值观，实质上是初步得到学科特定的认识世界和改造世界的世界观和方法论。

核心素养的三层架构

在核心素养的三层架构中，双基层为较低抽象层次的基础层，问题解决层为较高抽象层次的承上启下层，学科思维层为最高抽象层次的高级层；而双基层和问题解决层组成的“四基”，即基础知识、基本技能、基本方法和基本态度与价值观，成为学科思维层的基础，亦受学科思维层的指引，这样达到了向下层层包含、向上逐层归因。
以核心素养的三层架构为指引，我们希望学生能够在机器人课程中不仅学到与机器人相关的基础知识与基本技能，也能获得利用机器人技术解决实际问题的能力，更能形成利用机器人分析问题、解决问题的思维方法和价值观，初步得到利用智能装置改造生活的方法论和认识人工智能的世界观。这一描述，可以理解为中小学机器人课程的整体目标和核心价值所在。为方便理解，我们尝试做进一步描述如下。
双基层：掌握面向对象程序编写的基本方法；理解基于“控制一传感一通信～结构”框架下的机器人运作原理，掌握控制简易机器人的基本方法，知道常用的传感器及其使用方法，了解机器人的基本物理结构和传动机制，能够使用3D打印、激光雕刻等新技术设计结构件；理解测试与调试的工程设计方法。
问题解决层：能够根据实际需求出发，设计创意，搭建简易机器人解决问题；能够利用测试与调试的工程设计方法对机器人进行优化；初步尝试解决“工程”开发过程中的矛盾与冲突，能够运用统筹与折中、成本与效益等工程管理思想优化智能装置的开发过程。
学科思维层：感悟创意思维，形成创造意识，理解从单纯的数字产品的消费者转变为兼有数字产品制造者角色的社会意义；认识迭代思维的一般性并理解其普遍价值；能够认识到标准化构件及其复用之于提升工程质量和效率的重要性；理解抽象与建模是实现自动化求解的基本方法，能够认识到抽象与建模是人类认识和改造世界的基本方法；理解测试与调试、统筹与折中、成本与效益等工程思想，具备认识世界和改造世界的系统思维。
我们认为，具有这些核心素养的课程就可以称之为机器人课程，就可以认为是具有独特教育价值的课程。
平台选择：Arduino的四重优势（此部分略去）
内容设计：内容串联的两条线索
在具体教材内容的设计层面，我们采用了明、暗两条线索串联整体内容。下文将以我们正在编写的小学机器人教材(共2册)和初中机器人教材(共l册)为例，介绍其主要设计思路。
明线方面，主要以聚类思想为指导设计教材内容的整体框架和章节结构。所谓聚类，又可理解为类聚，即根据事物具有的某种相似的属性，将其聚集为一类。聚类化课程设计思想，就是依据某种线索组合一系列教学项目，形成具有内在联系、螺旋上升和发散结构的教学单元，循序渐进地展开课程。根据已有研究，大致有三种聚类方式：以相似的功能聚类，以相似的目标聚类，以相似的技术思想聚类。在本套教材中，三册内容的顶层聚类线索为： “计算机控制机器人一机器人控制计算机一机器人的自主控制”。其中，六年级上册侧重“计算机控制机器人”，其二级主题以机器人组成为线索，按“控制器一驱动器和执行器一传感器”分别聚类设计各单元课时；六年级下册侧重“机器人控制计算机”，即侧重计算机与机器人之间的通信与交互，但也会适当兼顾到“计算机控制机器人”与“机器人的自主控制”，实现上下衔接；八年级下册侧重“机器人的自主控制” (即输入与输出的自动化)，按输入与输出为线索由易到难进行二级主题(单元)的聚类，如“数字输出与模拟输出(LED)一数字输入(电子骰子)一模拟输入(蜂鸣器)一单电机控制(风扇)一双电机控制(小车)”。
暗线部分，即将核心素养渗透于每个单元和每节课当中。以蜂鸣器单元(第七课：机器人唱歌、第八课：火灾报警装置)为例，其核心素养如下。
双基：了解蜂鸣器、火焰传感器的工作原理，知道模拟传感器的一般使用方法，能够根据音频对应的数值编写音乐程序；了解模拟输入的概念，能够正确插线；了解串口监视器的作用和使用方法。
问题解决：能够设计创意制作有趣的机器人发声互动作品；能够根据生活需求设计创意制作有应用价值的报警装置。
学科思维：感悟创意思维；掌握同类问题的建模思想和方法，以及测试与调试方法。

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