象山二中虛擬機械人課程指導綱要

2022-05-09 15:24:34 字數 4215 閱讀 2703

隨著科學技術的發展,特別是人工智慧與機械人的結合,機械人不再侷限於工業應用和研究所內,它已經進入教育領域。國內外教育專家指出,利用機械人來開展實踐學習,不僅有利於學生理解科學、工程學和技術等領域的抽象概念,更有利於培養學生的創新能力、綜合設計能力和動手實踐能力。機械人教育在基礎教育越來越受到人們的關注。

我校自2023年首次參加機械人競賽以來,在省市多項比賽中獲獎,在競賽的帶動與促進下,我校設立了課外科技小組、選修課等豐富多彩的機械人教育活動。在課程改革的要求開設校本課程的背景下,從我校機械人教育現狀出發,構建科學、合理、切實可行的機械人課程體系,勢在必行。

虛擬機械人是一門涉及機械學、電子學、工程學、自動控制、計算機、人工智慧等方面的綜合性學科,以培養學生的科學素養和技術素養為宗旨,以綜合規劃、設計製作、除錯應用為主要學習特徵的實踐性課程。在拓寬學生的知識面,促進學生全面而又富有個性的發展上起著不可替代的作用。

1. 科學性

虛擬機械人是一門交叉性很強的綜合性學科。涉及到許多基礎學科,包括數學、運動學、動力學、仿生學、計算機、控制理論、人工智慧等,以多種學科理論為基礎。

2. 實踐性

虛擬機械人又是一門實踐性很強的學科,涉及到多方面的技術,如機械人結構設計與製作、操作與執行、驅動與控制、檢測與感知、智慧型與程式設計等,均需要通過實踐來實現。

3. 綜合性

虛擬機械人課程具有高度的綜合性。強調學生廣泛地接觸和收集各方面的資料(自然、人文、藝術等),綜合多學科知識,通過動腦、動手設計作品或產品,擴大知識面,提高綜合設計能力。

4. 創造性

虛擬機械人課程基於學科理論,通過規劃、設計、製作和評價,通過技術思想和方法的應用及實際問題的解決,為學生發揮創造力提供了廣闊舞台,是培養學生創新精神和實踐能力的有效途徑。

1. 立足科學與技術素養的培養,著眼學生的終身發展

科學與技術素養是當今社會每個公民必備的基本素養。機械人課程在培養學生的科學與技術素養方面有其獨特的優勢,作為一門基礎課程,要面向全體學生,從基礎教育的特點出發,為學生適應現代社會、走向學習化和學生的終身發展奠定堅實基礎。

2. 倡導積極主動、勇於探索的學習方式

虛擬機械人課程要為學生營造動手動腦、進行設計活動的環境,提供必要的裝置和工具,倡導學生積極主動、勇於探索的學習精神,組織學生進行**式學習, 讓學生充分動手實踐,積極合作,主動**。

3. 注重拓展學生的知識面,提高學生的綜合設計能力

由於機械人的設計涉及光機電一體化、 自動控制、 人工智慧等多方面問題, 既有硬體設計也有軟體設計, 所以機械人課程應注意學生知識廣度的學習,讓學生了解和掌握大量知識,充分拓展學生的知識面。同時要提倡設計過程的規範化,提高學生的綜合設計能力。這是虛擬機械人課程的基本目標之一。

4. 注重學生創造潛能的開發,加強學生實踐能力的培養

在機械人教學活動中,要鼓勵學生想象、懷疑和批判,營造民主、活躍、進取的學習氛圍;充分利用機械人課程內容,培養學生的學習興趣,激發學生的創造慾望;通過設計、製作、試驗等活動,培養學生的科學**能力和敢於創新、善於創造的精神和勇氣,使學生的創造潛能得到良好的引導和有效開發,進一步發展學生的實踐能力。

5. 立足科學、技術、社會視野,加強人文素養的教育

當代社會,技術與科學、社會的關係越來越密切。機械人課程要通過具體的技術實踐使學生理解技術與科學的聯絡和區別,以及兩者對社會發展、人類生活所具有的同等意義上的重要作用,從而深化學生的認識,開拓學生的視野。同時,要注意將技術所蘊含的豐富人文因素,自然地融入教學活動中,提公升學生的人文素養。

虛擬機械人教育的總目標是:提高學生的科學和技術素養,促進學生全面而富有個性的發展,引導學生在實際中發現問題,綜合設計解決問題的方案及方法,培養學生的問題意識和設計思想;發展學生的創造能力、綜合設計能力和良好的思維品質,形成科學態度,培養創新精神、實踐能力和社會責任感。具體目標如下:

1.了解機械人的歷史、發展,分類和應用,深刻理解機械人對人類社會的價值。

2.掌握機械人的基本構成、基本原理及相關軟硬體知識。

3.能夠完成機械人的規劃設計,製作與組裝,設計演算法編寫程式,程式編輯與除錯,系統的執行與檢測等綜合設計環節。

4.通過完整地經歷提出問題、規劃設計、製作與實施、除錯與反饋等規範化設計過程,初步掌握綜合設計的方法和技術。

5. 認識機械人對人類社會的重要性,增強學習機械人技術的興趣。

6. 增強正確應用機械人的意識,鞏固規範使用機械人的習慣。

任何學習不僅要知其然,還要知其所以然。儘管機械人的學習強調學生的動手實踐和綜合設計能力,但是,在教學過程中,教師首先要讓學生從原理上了解機械人的基本結構和基本工作過程,讓學生對機械人有乙個科學、系統、完整的認識,消除以往教學中把機械人侷限在一種或幾種固有模式的狀況,讓學生對機械人展開豐富的想象力,激發學生的創造力。

雖然通過一門課程來擴充學生的知識面效果有限, 但是由於機械人的設計涉及光機電一體化、 自動控制、 人工智慧等多方面問題, 既有硬體設計也有軟體設計, 所以學習機械人課程是讓學生了解和掌握大量知識的絕好機會。 由於涉及到的內容比較多,教學過程中不要過分強調知識的深度,而要強調知識的廣度。不僅要關注成品機械人, 還應該關注微控制器、 嵌入式cpu、 各種感測器、 電機、機械部件等軟硬體技術在機械人和自動化技術上的應用。

綜合設計能力一直以來是我國中小學生的乙個薄弱環節,但作為現代社會合格公民的乙個基本素質,機械人教學為培養學生的綜合設計能力提供的有利條件。因此,在教學過程中,要突出綜合設計思想,培養學生的綜合設計能力。在小學階段通過組裝簡易機械人滲透綜合設計的方法和思想;在初中階段,要提出綜合設計的思路,讓學生經歷綜合設計的基本過程,初步體驗其中的方法和思想;高中階段要學生經歷規範化的綜合設計全過程,真正體驗綜合設計的方法和思想。

作為一門實踐性很強的課程。機械人教學為學生的動手實踐提供了絕好的機會和場所,教學中一定要充分發揮學科的這一特性,讓學生從設計、製作到組裝、程式設計、除錯,每個過程都親自動手、動腦,錘煉學生的動手實踐能力。

興趣是最好的老師,興趣是讓人不知疲倦的動力。在教學盡量給每個學生提供平等的參與機會、通過多樣化的評價方式,讓每個學生都能以偷快的心情進入機械人課程的學習。通過了解機械人對人類發展的重要貢獻,通過適當展望,暢想未來機械人給人類帶來的種種方便,激發學生的學習興趣。

通過一些簡單的活動,讓學生由淺顯處入手,感受機械人的魅力和樂趣,保持學生的興趣。通過「規劃→解決問題→提出新問題」的形式,不斷提出新問題,挑動學生的求知慾和探索精神,讓學生從內容深處獲得成功的喜悅,增強學生的興趣。教學時,多一些引導、鼓勵和期許,也能讓學生從內心更喜愛機械人活動,更願意在機械人活動上花時間和精力。

學生的創作任務可以是開放性的,這樣每個學生都或多或少有自己的想法。而有特長的同學也可以有無窮的發揮空間。在評價時,除了核心的一些技術指標外,還可以有一些其他指標,如創意性、新穎性、搭建美觀等,讓每個同學都能得分。

綜合設計的成果的多樣性為中小學生提供了更多的創新機會。研究成果的實現使學生具有成就感,成就感會激勵學生的學習和研究興趣,研究興趣是學生創新精神的基礎,而創新精神是創新能力培養的有力保障。在這裡,情感、態度、

學生學習評價對於機械人課程實施具有很強的導向和監控作用。通過對學生的學習評價,可以及時指導和幫助師生改進機械人教與學的活動,促進學生和教師的共同發展。還可以反映本課程的教學質量和管理的教學理念與水平,從而不斷提高教育教學質量。

根據智慧型機械人的性質特徵,評價應重參與、重過程,強調評價主體的多元化,機械人教學內容的綜合性和全面性,評價標準的合理性,以及評價方法、手段的多樣性。為此,要遵循以下原則:

1.參與性原則

機械人製作是實踐性極強的一項活動,注重學生親身參與和學生間的合作,強調課程計畫規定的課時活動內容的參與情況、參與態度進行考核。重視學生的自我評價、組間評價、師生評價。

2.過程性原則

機械人教育應當重視製作、除錯過程中的質疑和反思。除錯的過程就是不斷自我質疑的過程,也是反覆思辨、自我挑戰的過程。因而需要關注學生參與探索的過程和實踐體驗,重視對過程的評價和在過程中的評價,並且把對學生的評價與對學生的指導緊密結合起來。

3.綜合性原則

由於機械人教育既要求學生動手又動腦,又強調軟硬體結合,能綜合反應了學生在解決問題、技能和能力等方面。因而,機械人實踐活動評價的內容、要求、過程和結論都應是綜合而全面的。

4.激勵性原則

在機械人教學中學生的好奇心往往很強,但製作中常常會遇到種種的問題,而頻繁地遭受挫折和失敗。所以,需要通過激勵性的評價,保護和培養學生們的好奇心,同時鼓勵學生發揮自己的個性特長,施展自己的才能,激勵學生大膽嘗試,勤於實踐、勇於創新,不斷拓展和發展自己的學習能力。

評價要體現本課程的基本理念、課程目標。可以從知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀三方面關注、評價學生的發展。了解學生對機械人的理解和運用情況,強調知識與技能在生活、生產中的應用。

進行學生智慧型機械人學習水平的評價,發展學生的探索興趣,實事求是的科學態度與創新精神。

1.知識與技能

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