机器人课外教学设计策略的实践

摘 要 ：在对课外教学和教学设计策略概念加以界定的基础上,系统研究了机器人课外教学设计策略,包括机器人课外教学目标、教学内容、教学组织、教学评价共四个方面的内容,明确了机器人教学的教育目的、教学内容及教学目标,探讨了机器人课外教学组织模式的构建.

关 键 词 ：机器人；课外教学设计；组织模式；教学评价

中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727（2014）02-0124-03

机器人教育是时代和社会发展的必然,是学校培养科技创新型人才的重要载体,对培养学生的科学素质和创新精神有着至关重要的作用.机器人课程日益受到重视,在各类机器人竞赛的推动下,机器人课外教学也在如火如荼地开展.但是,为竞赛而竞赛、学生管理的自主状态、师资配置不足、缺乏系统管理等问题在机器人课外教学中也是客观存在.因此,机器人课外教学迫切需要重新审视,坚持以培养人为中心,认真分析机器人课外教学的教学内容、教学目标、教学组织、教学评价等,系统研究机器人课外教学设计策略.

概念界定

关于课外教学的概念 国际教育界对“课外”的英文词语不外乎两种：“extra-curricular（课程之外）”或“extra-class（课堂之外）”.教学是教育目的规范下的、教师的教与学生的学共同组成的一种教育活动.从系统性和完整性的角度,本研究将“课外”界定于extra-class,同时把课外教学纳入课程范畴.根据教学定义,进一步明确：课外教学应该包括“教（teach）”和“学（learn）”两种不同性质的活动,教学实施过程中的行为主体包括教师和学生,课外教学是在教学目标指引下,由教师的教与学生的学系统组成的一种教育活动.

关于教学设计策略的概念 策略是为达到某种目的使用的手段或方法.所谓教学策略,是在教学目标确定以后,根据已定的教学任务和学生的特征,有针对性地选择与组合相关的教学内容、教学组织形式、教学方法和技术,形成的具有效率意义的特定教学方案.教学策略根据教学活动的内容分为教学设计策略、教学实施策略和教学反思策略.教学设计是教学的首要环节,主要包括教学目标、教学内容、教学组织、教学评价四个方面的内容.

机器人课外教学的教学目标与教学内容设计

确定机器人课外教学目标首先要确定机器人教育目的和意义.从学生能力结构上,可以将“机器人教育目的”理解为：推进素质教育,培养学生的创新意识和创新能力、团体意识和合作精神、设计能力和研究能力以及跨专业综合应用能力.

教学目标设计是对教学活动预期所要达到的结果的规划,是教学设计的重要环节.合理的教学目标是保证教学活动顺利进行的必要条件.教学目标设计应与教学内容紧密相连,应以教学内容为基础,教学内容的组织和实施应能促进教学目标的实现.教学内容是学生所系统学习内化的间接经验和直接经验的总和.根据建构主义教学理论,教学目标设计应促进学生主动学习而不是被动接收,应激发学生思维,促进知识内化为技能,促进学生建构自己的知识体系.

因此,机器人课外教学内容需要教师认真进行选择、加工、组织,遵循连续性、递进性和整合性的原则,同时教学内容组织要考虑逻辑顺序和心理顺序.根据实践,现将机器人课外教学的教学目标和教学内容、教学形式加以总结,如表1所示.

机器人课外教学组织模式

教学组织形式,就是教学活动中教师与学生的组合结构形式,或者说是教师与学生共同活动在人员、程序、时空关系上的组合结构形式.机器人课外教学因其灵活性、开放性、综合性的特点,给课外教学的组织增加了难度.但通过实践,逐步形成了以科技社团为载体、以社团组织课外教学活动开展为主线、以充分盘活资源为核心、以科技竞赛为动力的师生互联全员互动的机器人课外教学组织模式.机器人课外教学组织模式如图1所示.

(一)机器人课外教学组织模式发展溯源

我们的研究最早从1996年开始,引进了日本机器人教育的先进经验,结合我国的具体国情,在机器人教育方面进行了探索,并取得了一定的经验,成功地组织了多届大学生小型机器人设计和制作比赛.将机器人教育与教学改革相结合,完成了全国职业技术师范教育委员会“九五”教育科学研究课题“电类专业现代职业技能开发一增设‘小型机器人设计和制作’的教学内容”项目的研究工作.

我们以“小型机器人设计与制作”为课题,组织自控、机械、电子、计算机、工业设计等专业的教师组成跨学科的指导教师小组,吸收以上专业大学三年级以上的学生参加,进行毕业设计改革试点.同时,在制作多台不同结构和功能的教学用智能机器人的基础上,按照低成本、模块化、系统集成的设计思想,研制了多种通用机器人设计和制作的标准化模块及多种传感器模块.系统采用开放式结构,根据设计任务需要,学生也可进行特定的模块设计.学生在教师的指导下进行系统模块配置,模块设计,机器人结构设计安装、制作、调试、模块软件编程等环节的学习,设计并制作小型机器人进行比赛.

此项教育改革将机器人教学与第二课堂相结合,利用学生的课余时间延长毕业设计时间,提高了毕业设计课题的综合性.该项学生毕业设计的研究成果在第五届“挑战杯”天津市大学生课外学术科技竞赛中获科技制作类一等奖.

1997年,我们成立了电子工程师摇篮协会,组织开展电子竞赛等科技活动；1999年,成立了机器人俱乐部,自主研制机器人模块化设计开发平台和各种机器人功能模块,致力于机器人开发和研究,同时不断研究和设计适合中国国情的比赛规划.在星火创业协会成立后,以上三个学生科技社团合并成立了大学生科技实践中心,开展各项课外科技活动.

(二)机器人课外教学组织模式的形成

层层选拔,循序渐进 课外科技活动的实践证明,科技社团是机器人课外教学实践的重要载体.科技社团与活动开展的思路逐步形成：电子工程师摇篮协会负责组织机器人相关培训、讲座、参观等,进行机器人现成产品研究（包括实验、验证等）,并通过小型科技竞赛选拔学生到机器人俱乐部,开发机器人模块化设计平台,自主设计与制作机器人.同时选拔学生到专家实验室、研究所参与机器人相关课题研发,并参加全国的机器人大赛.坚持循序渐进的教学原则,如模式图中的主线自下而上,对应的机器人课外教学的难度从低到高设置,为不同专业、不同年级、不同兴趣和特长的学生提供了多层面的选择空间和学习平台.科技竞赛成为选拔、培养学生的重要手段.在教师的全面指导下,学生通过活动、竞赛等进阶选拔,接触到从社团骨干到科技辅导员、从研究生到专家教授等多层面的辅导和培训,专业技能和综合能力逐步提高. 全员参与,分工协作 资源是机器人课外教学实施的重要保证.盘活资源能有效保证机器人课外教学质量,有力提升资源效能,推动机器人课外教学的各项实践活动.人是影响教学质量的根本因素,教师在机器人课外教学中具有不可替代的作用.充分发挥教师作用的关键是全员参与.全员参与需要全体教师都能围绕“机器人课外教学”明白自己该做什么、怎样做、为什么这样做、如何做得更好.在实践中,学院领导带头高度重视课外教学工作,系统设计教学环节、教学模式,宏观指导机器人课外教学工作,同时提供机器人课外教学必需的专家、教授、科技辅导员等人力资源和实验室设备场地等资源的大力支持.我们在实践中率先设立了科技辅导员岗位,负责指导科技社团的各项活动,培养选拔科技人才,促进学生科技水平提升和综合实践能力提高.同时设立了班级实践委员,构建了以班级为依托的学生科技实践环境,改变了传统意义上的班干部结构,在班上设立了实践委员.实践委员负责在班里营造科技实践气氛,开展科技实践活动,推荐并协助选拔学生进入科技社团.实践委员对科技辅导员负责,接受科技辅导员的指导.同时,科技辅导员指导社团的骨干力量对班级的科技活动给予相应的支持和帮助.专家、教授不仅为科技社团做培训和讲座、指导学生参加科技竞赛,而且从科技社团选拔挑选学生参与实验室课题研发,安排研究生参与活动中,指导研究生与本科生互助,快速提高、快速成长.此外,还通过校企合作,引入西门子奖学金,用于举办应用创新类科技活动,并举办了“西门子杯”应用创新类学生竞赛.

机器人课外教学评价

教学评价,可简单定义为“对教学工作质量所作的测量、分析和评定”.机器人课外教学评价主要包括：对机器人课外教学过程的评价,对机器人课外教学学生学习效果的评价,对机器人课外教学质量的评价.机器人课外教学评价可采取的方法有调查问卷、竞赛、项目制作、征答、观察提问等.机器人竞赛已成为机器人课外教学的主流方式,竞赛取得的成绩能对师生及教学起到巨大的激励作用,而竞赛中的不足能帮助诊断分析机器人课外教学中存在的问题,经反馈后予以调节、修正和改进.机器人课外教学评价有利于机器人教学实施和教学反思,但目前还有很多不完善之处,比如机器人课外教学评价体系和评价标准尚未确立,评价方法也需要进一步深入探索.

自1996年以来,我院机器人课外教学16年的实践成绩显著：在2004年第三届“CCTV杯”全国大学生机器人电视大赛中获得第三名；获得市级以上科技竞赛奖项一百二十多项.笔者试图对机器人课外教学实践进行总结归纳,但机器人课外教学实践在如何实现课外教学与课堂教学的有机结合,如何培养学生的自主性,如何充分发挥教师的组织和辅导作用,如何培养课外教学指导教师,如何加大课外教学投入等诸多问题上还亟待进一步深入研究.