巧借机器人仿真平台,拓展小学程序设计教学(一)

巧借机器人仿真平台,拓展小学程序设计教学
沈李琴
 [摘要]信息技术课堂中遍地可见的是计算机软件的培训与探索，真正体现信息技术学科特色的程序设计在小学阶段处于很低的地位，机器人的进入，让程序设计教学插上了飞翔的翅膀，特别是机器人仿真平台的引进让我们的程序设计不再拘泥于城镇学校，条件艰苦的农村学校也可以开展机器人程序教学。然而，当我们看到机器人这个特殊的课堂教学平台的亮丽风景的同时，我们还在思考：机器人仿真平台是否适合小学程序设计教学？机器人仿真平台应用于小学程序设计教学该怎样组织课堂？机器人仿真平台使用之后怎样对学生进行评价？本文就以这样的思路，谈谈我对机器人仿真平台在小学程序设计教学中的探索与实践。
 [关键词]  机器人仿真平台   程序设计教学  
    程序设计是中小学信息技术学科教育的重要内容之一。早在上世纪80年代初邓小平就指示：计算机普及要从娃娃抓起，由此揭开了我国中小学开展计算机教育的序幕，而当时受机器条件的限制，教学主要是以程序设计为主，包括学习BASIC语言，后来又增加了Logo语言，如今，借助了机器人、机器人仿真平台，为程序设计在小学信息技术教学中带来鲜活的源泉。
    一、机器人仿真平台应用于小学程序设计教学的理性思考
    1.适合小学生的年龄特征与知识储备
    程序设计的学习需要学生的生活经验作为基础，包括学生对问题的分析、解决问题的能力，都会影响程序学习的积极性。小学生的思维从以具体形象思维逐步向以抽象逻辑思维过渡，但他们的抽象逻辑思维在很大程度上仍是直接与感性经验相联系的，具有很大成分的直观性。低年级学生在不能直接观察到事物特征的情况下，对某些概念进行概括会感到困难。而到了高年级，他们则开始能够依靠表现一定数量关系的词语来进行概括。而且随着年龄的增长，他们掌握概念中直观、外部特征的成分逐渐减少，而掌握抽象、本质特征的成分不断增多。我们的机器人仿真平台，可以为学生在程序设计这个抽象思维中，提供这样的从直观到抽象的模拟过程，符合学生的心理特征与年龄特征。
 曾经也有学者提出“程序设计教学越早越好”。在机器人程序设计的推进过程中，很多教师都有这样一种体会，只要内容和教法适当，程序设计入门，初中学生比高中学生容易，甚至高年级小学生比初中学生容易，最困难的是成年人。但我个人认为也不能太早。必须切合学生的学习实际，跟学校信息技术教学整体协同，不过我们可以在早期的机器人课堂教学采用实体机器人，进行搭建研究学习，简单介绍相关机械原理，培养孩子的动手能力。
 根据我校实际情况，我们的做法：三年级初步接触了解什么是机器人、四年级简单了解机器人程序、五年级运用机器人仿真平台设计程序模拟生活中的简单任务，六年级第二学期开始系统学习机器人仿真平台下的程序设计相关知识。
 实际上，机器人仿真平台教学，使程序设计教学能更突出“算法”（解决问题的方法）的学习，使“算法”变得直观而形象，大大提高了学生对学习的投入度，有利于学生思维能力、整体规划的能力、解决问题的能力、连续运用推理的能力、合作沟通能力、动手能力、创新能力的提高。这些年来的实践证明，采用这样的机器人课堂教学梯度铺垫策略，有利于学生兴趣的培养，同时也符合学生的认知规律层层递进。
    2.比实体机器人更加易于推广与实践
 实体机器人的价值（优势）：机器人学习对学生的动手能力、空间想象能力、创造性思维，分析问题、解决问题的能力的培养有独特的作用，但是实际使用过程中也遇到了困难：机器人价格昂贵，器材管理难度较大，平行班之间的协调也比较麻烦。理想化的管理方法是跟物理实验室一样，需要什么元件的时候可以提供什么元件。 这种模式，一般学校都做不到，因此实体机器人给我们带来的很大的压力。
 仿真机器人的特点:同样可以培养学生的动手能力等特点，更加突出了程序设计学习，没有了器材的限制，没有了管理的烦恼，我们可以更加轻松的放手教学，让程序教学更加贴近学生的生活实际。
 实践过程中发现，因为智能机器人教学涉及软件、硬件的知识较多，所以初步接触的学生对于故障很难判断出是程序有问题还是机器人机械方面有问题。在学生对智能机器人机械结构方面理解不够深刻的情况下，仿真软件就体现出它的优越性。学生浓厚的兴趣是学习机器人的源动力，为了让学生保持浓厚的兴趣，对于初学者，教师可以先抛开机器人硬件方面的知识，降低难度，减少学生负担，只要求学生在仿真软件中完成一些比较简单的活动，在没有环境误差下，引导学生先学好程序设计。这样一步一个脚印，从简单到复杂，从局部到整体，不知不觉中学生学到东西了，自然他就能保持兴趣来学。
    3.比LOGO语言更加容易调试与模拟
    仿真机器人平台特点:可以将学生生活中的各种现象通过程序模拟实现，例如：“机器人巡逻员”“机器人避障”“机器人路灯”……
    LOGO语言特点:有规范的语言格式，可以画出各种各样的图形，突出程序设计的思维方式，包括：子程序、调用、函数、递归等等知识。
    两者比较之后，我们会发现，其实仿真机器人更受学生欢迎的真正原因是：更贴近学生的生活实际，学生可以真正的看得到摸得着。
    （1）源于生活的机器人情景主题，培养生活化的编程思维
 用生活化的情景来教学我们的机器人程序设计，可以真正激发学生学习的激情，可以让学生真正解决生活中的问题，揭示生活中的神秘现象。举个简单的例子：以前我一直以为我们家里用的那个开水煲水烧开之后自己可以跳掉，是因为震动。后来有一次，再买开水煲的时候售货员跟我说：这个开水煲采用的是进口的温控器，我才恍然大悟，原来是靠温度控制机器的，因此我把这个内容放在课堂中，让学生研究，我觉得很有价值，学生乐意去讨论，去探索，跟我一样很多人都认为是震动。课后还有学生提出其他的如洗衣机控制水温等等。这样的课堂才是学生喜欢的课堂，具有生活意义的课堂。
 我们采用仿真机器人进行课堂教学实践，一来，解决生活中的问题，更加贴近学生的生活，如：机器人避障、机器人巡逻等等，二来，可以将生活实际现象进行模拟，解释生活中的神秘科技，如，倒车雷达、楼道灯、电饭锅、空调等等。
（2）基于平台的程序模拟创作，激发创新思维的启蒙培养
 我们带领学生学习智能路灯的时候，让孩子像综合实践课的研究一样，通过观察、记录生活中的路灯是怎样工作的。学生通过观察之后得出结果，是按时间来实现开和关，经过小组探究讨论之后，孩子们发现这样的路灯设计还是有限制的，为此提出能不能用光敏传感器控制路灯，可以根据天色的变化自动控制路灯的开关、亮度等等，这样既可以节能又安全可靠。这难道不是创新不是创意？就是机器人程序设计带给孩子的财富。
 当然在程序结构中也有着特殊的创意：有学生在研究模拟实现楼道灯的时候，发现楼道路灯的片面控制，提出可以进行多重判断（分支嵌套）听到声音可以亮灯，触碰可以亮灯，同时满足可以亮灯。我们相信，有这样的平台作为创新支撑，我们的孩子会越来越出色的。
    4.不同仿真平台之间的辩证统一更加体现创新与螺旋
    广茂达仿真软件：单机版免费使用。侧重于程序流程图，适合小学生研究学习。 特别是他的vjc1.5版本，特别适合推广与实验对计算机要求很低，只要windows98系统就可以安装。
 纳英特仿真软件：六年级教参光盘中有免费版。侧重于硬件搭建和程序流程图，适合中小学生研究学习。此平台应该是广茂达的一个顺势提高版本。可以让学生把程序与实体机器人结合起来。
 中鸣足球仿真软件：单机版免费使用。侧重于数学知识的综合运用，适合小学高段年级与中学生研究学习。对学科知识的整合非常有帮助，特别是数学、科学、体育的相关知识的综合运用。
    基于这样的分析，我们学校采用的是三者相结合的方式，广茂达仿真作为启蒙程序设计，培养孩子对程序设计的兴趣，继而采用纳英特仿真培养孩子的动手能力和空间想象能力，然后用中鸣的仿真软件，进行数学学科整合性研究。当然，条件有限的学校可以采用广茂达仿真平台，它对计算机的要求也不是很高，性价比比较高。
 二、机器人仿真平台应用于小学程序设计教学的课堂组织模式
 1.基于生活背景实施机器人课堂的理论观点
 学生能真正学到的是跟他们生活息息相关的知识，这个知识的范围我们称作“最近发展区域”，简称ZPD（Zone of Proximal Development）。因此，我们的课堂需要关注学生的“ZPD”：前苏联著名心理学家L.S.Vygotsky提出：单一的教授知识是枯燥乏味的，没有体现实际用处的知识是不完整的。也就是说，你如果想教学生某种知识，那么，你要能把所讲授的内容与学生的生活联系起来，并让学生了解到知识对于他们生活的重要性。我们深深地感觉到，在组织教学内容的时候，要充分体现学生对知识的需求，再创设学生没有退路的情景，让学生对知识产生强烈的欲望。
  2.课堂教学的准备需要不断发现生活中的“机器人”原理
  机器人课堂教学的准备工作，同样跟其他学科一样，需要教师对教学内容的深入理解，对教学策略的不断改进。这个过程中也有不同于其他学科的内容：对机器人准备，我们仿真平台中的准备主要体现在，学习任务与生活实际的联系与模拟。
 对教师在准备过程中所要注意的环节，可以用如下图表体现：
 （1）教学主题的生活化准备
 
  
 教师的准备工作是一项非常复杂的工程，根据我们学校的特色，我们可以不断地把自己设计的任务安排在兴趣班中进行尝试，从中观察学生情况，及时反思自己的教学目标，调整自己的教学策略。其实，如果没有兴趣班作为铺垫，也可以将自己的设计（其中自己觉得比较难的内容），找个别学生来问问学生的理解情况。感受很深的就是，当我们辛辛苦苦设计的情景，学生并不感兴趣，那我们再努力也是白费的。
 （2）教学对象的生活化预设：
 
  从上述图表可以发现，学生的兴趣来源还是跟他们息息相关的生活实际，但是我们机器人教学中采用生活化的情景模拟，最好是让学生来感受一下，看看能不能达到我们预期的效果。
 3.课堂教学过程要不断体验生活中 “处理问题”的过程
 在整个机器人的教学过程中，学生对机器人研究的深入程度，也跟学生的生活经验关系密切，学生调试：在调试机器人的过程中，学生体验到的是一种科学实验的完整过程。
 （1）采用生活情景化的任务驱动推进课堂教学
 把学生需要研究的主题，在我们前期准本的基础上赋予生活化情景，寻找生活中的实例，用艺术化的手段进行任务包装，我们可以参考综合实践教学的模式：提出问题、调查研究、分析问题、解决问题。
 例如我在《聪明的机器人》一课的教学过程，学生在学习了相关的传感器之后，他可以利用这些传感器解决生活中的避障问题同时学习程序设计中的分支结构。采用生活情景化的任务驱动，让学生产生身临其境的感觉，把本来就是生活中习以为常的、不需要考虑的避障问题放在课堂中进行研究。体现了课堂的价值，也体现了学生观察生活、体验生活的乐趣。
 学生在不断反复下面的过程：

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