机器人学科教育
作者：陆承景 文章来源：福建省柘荣县第二中学
——信息技术教育的又一翅膀
【摘 要】信息技术教育，机器人学科教育，机器人学科教育目的，机器人学科教育的内容，从做中学，获取成功体验。
前言：
近几年，机器人竞赛非常盛行，许多大学院校，中小学都开始利用机器人竞赛活动来促进信息技术教育及培养学生动手制作的能力，比赛使至今许多人认为可望不可及的机器人世界走向我们的生活，同时对培养信息时代所需要的人才起到了非常重要的作用。随着机器人技术的发展，人们已逐步认识到，在信息技术教育中渗透机器人学科知识与机器人应用前景方面的教育已势在必行。 同时，随着机器人制造技术的发展和教学机器人的大量使用，机器人辅助教学、机器人管理教学、乃至机器人主持教学等，都将成为现实。机器人学科教育也将给信息技术教育带来新的活力，机器人也将会成为青少年能力、素质培养的智能平台。
一、机器人学科教育的目的
1． 使学生了解机器人这个学术前沿领域的发展和应用状况，了解机器人的概念和工作方式，破除青少年对机器人的神秘感，为进一步学习机器人的有关知识打下基础。
2． 使学生掌握为一种机器人下载程序的方法，了解机器人各种传感器和驱动装置的作用。理解体会程序是智能机器人的灵魂，了解机器人是怎样在人的指挥下工作的。学习为一种机器人编写程序，通过为机器人编写程序学到科学而高效的思维方式，提高逻辑思维能力、规划能力，提高学生分析问题和解决问题的能力。
3． 通过完成任务和模拟项目使学生在为机器人扩充接口的过程中学习有关数字电路方面的知识，在组装机器人的过程中培养学生的动手能力、协作能力和创造能力。
4.普及提高机器人应用水平机器人知识的需要。要破除对机器人的神秘感，提高全社会对机器人的认识，促进机器人在社会各领域的应用，必须通过加强机器人教育，使机器人知识普及化。机器人的应用中，存在着着编程控制、管理维护、人机关系等一系有待处理的工作。只有操作者了解机器人的原理、结构、功能、使用方法、注意事项，才能提高机器人的应用效能。
5.深入开展信息技术教育的需要。开展机器人教育，有助于克服信息技术教育的一些弊端。一是避免片面强调软件工具应用技能的学习而造成的程序设计思维素质培养的缺失。二是避免重“软”轻“硬”、重模仿轻创新、重实践轻理论。
6.迎接机器人时代的需要。据预测，21世纪中期，人类社会将全面进入以智能机器人为代表的智能时代。机器人的广泛应用将极大促进社会生产力的发展与产业结构的调整，机器人的制造与销售将成为一个新的经济增长点。开展机器人教育，有助于使我们不至于在机器人时代落伍。
二、机器人学科教育的内容
1. 机器人概况
我们大多数人都看到过电影或书本里描绘的外形酷似人类的机器人，这是机器人的一种表现形式。可机器人并不一定非得是这样的。事实上，机器人的形状各式各样。实际意义上的机器人，应该是“能自动工作的机器”。有的功能很简单，有的就复杂得多。例如：家里的供暖系统，我们只需做最初设定，接下来它就能自己工作，我们身边的大多数家用电器都是这样。自动温控系统的元器件遍布于整座智能化大楼。机器人通常具有三个基本特征，是不是机器人，我们只需看一看它是否具备以下三个特征： 1 ．身体： 是一种物理状态，具有一定的形态。 2 ．大脑： 控制机器人的程序 。 3 ．动作： 任何机器人都有一定的动作表现。通过机器人概况的学习使学生能够走出机器人的神秘感，对下一步的学习打下良好的基础与兴趣。
2. 机器人编程
程序设计是中小学校信息技术学科教育的重要内容之一。在中学程序设计能力强的同学在其它学科的学习中产生正迁移现象也屡见不鲜，程序设计课程在培养学生分析问题、解决问题的能力和培养学生创造性思维上起着非常重要的作用。程序设计是计算机这一现代工具为基础教育带来的一种培养逻辑思维能力的新方法和新手段。
在强调程序设计教育作用的同时反思目前程序设计教学中存在的问题是必要的。对于初学程序设计的中小学生来说兴趣是学习的动力，而利用以往的程序设计媒介很难使初学者看到程序设计应用的效果，体验成功的乐趣，这是目前程序设计教学中经常出现两极分化的主要原因。
智能技术是信息技术的核心内容，机器人技术是智能技术的结晶，是信息技术的重要内容之一，机器人技术将在人们的未来生活中扮演十分重要和不可缺少的角色。如果现在的学生具有了这方面的素质，他们将在未来社会中更容易地适应各种技术的革新，也更容易在未来的信息时代获得成功。
程序是机器人的灵魂，让中学生通过为机器人编程序来学习程序设计的知识是程序设计教学入门的最好方法。在学习为机器人编写程序的过程中学生会获得成功的喜悦、会建立成功的信心，从而取得程序设计学习的兴趣。将机器人作为程序设计学习的载体，会从根本上解决目前程序设计教学中存在的问题。智能机器人使程序设计的学习与信息技术的前沿领域紧密的结合在一起。
学习为机器人编写程序是以机器人为平台的学习内容之一，在编程序的过程中学生要了解机器人的功能、结构和工作原理，并根据要机器人完成的任务来编程序。学习者要了解机器人的各种传感器，并通过编程序来控制传感器，使机器人感知外界的环境信息，并对感知的信息做出决策和响应，以使机器人完成规定的任务。学习为机器人编写程序的过程可以用拟人的方法循序渐进的进行。例如：可以将机器人的硬件看作一个刚刚出生的孩子，而学习为机器人编程序的过程是学生赋予机器人行走、避障、避碰、说话、听话、观察等人类行为功能的过程。学生在学习的过程中始终感受着失败的遗憾和成功的喜悦，对遗憾和喜悦的感受必然形成学习的动力和兴趣。
机器人做为程序设计教学的载体，承载着程序设计学习的任务，所以用于教学的机器人平台除了要具有适当的硬件功能外，还要有适宜中学程序设计教学的程序设计语言系统和编辑系统。这以西觅亚公司的乐高配套软件ROBOLAB为长，ROBOLAB 软件采用图形化编程语言，每一种功能使用一个图标表示，变成过程实际上就是逻辑思维过程，学生只需要写出流程图，过程是：在功能板中选定需要的图标，拖放在编程窗口，用导线将将图标有逻辑性地连接起来，这样就完成了编程，这与传统的编程有着根本的区别。
机器人作为信息技术教学的内容在中学信息技术教育中出现，会给信息技术教育带来新的内容、新的思考和新的活力。借助智能机器人学生可以进行多项目的研究性学习。机器人体现的知识的综合性使他不仅会成为程序设计学习的载体，也会成为中小学课程整合的新载体。机器人对学生引发的程序设计的兴趣还会对算法的学习打下良好的基础，使学生通过程序设计更好的学习有关的算法知识。
3. 机器人硬件
机器人工学是一门多学科综合交叉的边缘学科，它涉及机械、电子、运动学、动力学、控制理论、传感检测、计算机技术和人机工程，是一门理论与应用相结合的课程。一个机器人包括两个主要部分：机器人的身体和某种形式的人工智能系统。很多不同的身体部分都可以叫做机器人。如：关节手臂被用于焊接和上漆，起重机和传送带系统在工厂中运送零件，巨型机器人机器搬运矿井深处的泥土等。机器人最简单的行为是移动。典型地，轮子被作为让机器人从一点移动到下一点的基本机械装置。让我们看看现代机器人技术中目前被常用的一些硬件设备。
电动机：它包括直流电机、交流电机、步进电机、伺服电动机等。
驱动机制：它包括齿轮和链条、滑轮和皮带、变速箱等。
电源：它包括一次电池和二次电池。
传感器：它包括逻辑传感器、本体感受传感器、接近传感器、红外线传感器、碰撞和触角传感器等。
微控制器：是机器人内部使用的智能电子设备。它提供的功能类似于个人电脑内部的微处理器所执行的功能。
通过对机器人硬件的学习，了解机器人的硬件结构体系，重点了解其机械结构、驱动系统、控制系统、感觉系统、通讯系统的原理与结构，学会机器人的模块化组装、控制与维护方法，使学生掌握机器人结构设计、运动分析、控制和使用的技术要点和基础理论。使学生对机器人有一个全面、深入的认识。培养学生综合运用所学基础理论和专业知识进行创新设计的能力。
三、从做中学，获取成功体验
教育研究发现，如果一个人处于自己喜欢的活动中，需要解决的问题又正好合适，符合自己的知识水平，那么学习就会象呼吸一样自然，你根本就不会意识到自己在学习。机器人的开发和研制均围绕着进阶式教育思想，目的是让每个学生都能够找到适合自己的起点，可以让学生从简单的模型开始模仿，或者直接进入复杂的设计，发挥他们的想象力。
我们知道，获取知识的最佳途径是让学生置生于充满趣味性，挑战性的活动中。学生积极地制作作品的过程，也正是知识在他们大脑中建构的过程。这就是“做中学”。机器人非常便于设计各种项目或比赛，学生在实施机器人项目的自主体验过程中培养动手能力、创新力、综合能力、协作能力和进取精神等各种能力。自己制作的机器人能够按照设计要求完成动作时的喜悦。从策划，设计到制作，测试等一系列的开发过程均由自己亲手完成的成就感。体验参加机器人竞赛时的紧张、激动、成功的心情。可以向具有无限开发潜力的机器人领域进行永无止境的挑战。
