机器人教育教学必须符合理论联系实际的教学原则
——引入单片机教学革新现有机器人教育的侧重点
湖北省黄冈市黄州区第一中学 冯元成 张 兵
[摘要]在基础教育阶段，机器人教育教学一是不具备通用性，二是没有基本理论，不具备学科特点。在此情况下，本文提出引入单片机教学……
[关键词]机器人 单片机 教育 教学 理论 基础
在新世纪的国际和国内环境中，以机器人开展的各种活动、比赛项目日趋增多，内容也日趋精彩。机器人教育教学得到各级教育行政部门的高度重视，在各级各类学校之中教授机器人知识，并在整体上呈现出在高等教育中重理论、在基础教育中重实践的相对倾向。本文从机器人教育教学现状、引入单片机教学的意义着手，阐明了遵循理论联系实际的教学原则在学科建设、人的教育过程中的重要性。
一、机器人教育教学的现状
对机器人的教育，各国策略不同：日本将机器人看做机械电子装置，因此，着重于硬件制造；美国将机器人学看做计算机科学的一部分，加上美国教育偏重于基础理论，轻视应用技术，因此机器人学的教育偏重于软件、系统理论。整体上，开设机器人课程的教育部门不仅有大学、大专，而且有的中专也开设了，主要面向机械专业、电子电气专业、应用工程专业。
1、从计算机语言教学到机器人教育的三个阶段
从发展上看，我国的从计算机语言教学到机器人教育走过了三个阶段：
第一，计算机语言教学阶段。从上世纪八十年代开始，我国的高等教育随着高考的恢复、教育体制的完善而逐步推广了计算机教育，随后，在基础教育阶段也陆续引入计算机教育，主要内容就是Basic语言。
第二，信息技术教育阶段。计算机教育通过十几年的实践，逐渐跟不上社会发展的需要，而且语言教学相对来说，其直观性和趣味性都难以吸引学生，导致兴趣不足，效果不好。1995年，在微软公司推出窗口界面的操作系统及应运而生的应用软件之后，直观的界面，简单的操作几乎搞定一切。教育随之推出了以应用软件、网络学习为基础，以培养学生信息素养为目的的教育形式——信息技术教育。
第三，机器人教育和信息技术教育并存阶段。突出体现在基础教育阶段，信息技术教学中具体学习几种应用软件和几种界面操作与教育教学原则不符。一是应用软件是不断发展，因人而异的；二是不能突显基础教育的“基础”两字。这样，教育又进一步寻求新的教育模式，教学内容也在拓宽，在新世纪，机器人教育适时引入。目前，机器人教学已具备学科建设的条件，在我国有很多试点区。
在此，本文先暂且把计算机语言教学、信息技术教育、机器人教育统称为信息技术教育教学。很明显，信息技术教育教学也不免产生几个未明确的问题：一是基础阶段，计算机语言学习、编程思想的定位是什么？二是信息素养的标准是什么，怎样落实到知识点上？三是在机器人教学中选择教学机器人是否与在信息技术教学中确定几种应用软件犯了类似的错误？
2、机器人教育教学的内容
教育既是传承和发展文明，那么机器人教育应涵盖哪些内容呢？本文认为：涵盖内容无非是理论和实践两大领域，即：理论方面，机器人教育有自身的理论基础与基本理论，能形成相对独立的学科理论体系与方法体系；实践方面，机器人教育是指以机器人为主要教学内容或教学工具而开展的教与学的活动，这些活动是在具体的实践过程中逐步完成的。目前，在我国基础教育阶段，机器人教学还属于信息技术学科课程范畴，而信息技术正力图将自己发展成为体系完整，内容科学，教材编排符合认识规律和教育原则，教学组织规范，教学评价自成一体的课程。强调培养学生的信息素养，注重与其它学科的课程整合，体现信息技术既有学科专业特点，又是其它学科和相关活动的工具。教材内容也主要从两个方面组织：即以计算机软硬件知识、Internet为主要内容的教材体系和以机器人项目开展各项活动为主要内容（本文简述为机器人教学）的教材体系，后者是近几年兴起的并迅速在我国得以发展的课程。
“以赛促教”是机器人教学的明显特点，对竞争意识的增强、心理素质的煅练很有作用。但平时组织实施教学过程就很难统一，关键问题是机器人项目依赖的机器人学是一门高度交叉的前沿学科，机器人技术是集力学、机械学、生物学、人类学、计算机科学与工程、控制论与控制工程学、电子工程学、人工智能、社会学等多学科知识之大成，是一项综合性很强的新技术。学生又绝对不满足只是搭积木式的拼一拼机器人模块，把智能处理部分当作“黑匣子”处理。但也不可能什么都学，什么都要掌握，即便是传感器也只能了解几种。
这样，机器人教学的教材体系明显具备的三个特点：
第一、模块化结构的设计思想
模块化是一种思想，不管是技术上还是管理上，在机器人软硬件结构中无不体现模块化这一特点。如通用ROBOT-Ⅱ型教学用机器人具有三个功能模块：行走，奏乐和躲避障碍物，主板上包括两个电机的驱动电路和两个状态检测接口，并提供了调速控制端口，另外还预留了4个输入端口，4个输出端口，可以方便地扩展更多的功能。
又如广茂达
公司的仿真模拟软件更是针对中小学生开发，模块化特点明显，兼顾直观性、形象性、可操作性。
任务驱动的教学形式源于建构主义学习理论。任务驱动是一种探究式的教学方法，从学的角度说任务驱动是自主发现学习的过程。机器人项目任务驱动的任务非常明显，比如全国中小学机器人大赛的比赛项目智能机器人行走、灭火、足球。把行走进一步细化，可先把任务分解成路径，路径识别，路径智能处理，快速电机驱动等等；然后选取一兴趣点向学生展示；最后教师学生一起对教与学的全过程作一评价，达到理论上、方法上的提升。
第三、带商业气息的运作模式
在机器人教学的教材体系中，不管采用哪种机器人为原型机，其价格每台都在几百元到几千元，有些项目还需几台，如此之贵的投入在学生中的开展面还不大、普及率不高。可想而知，要想把此项目推广普及存在很大困难。目前经济较好的学校也只是购买几台作教具和比赛项目之用，在此情况之下，机器人商家积极参与教学并大力组织赛事。在商家眼里，教育的商业化、产业化是商机，在教育家眼里无疑有喜有忧，喜的是：多了一些经济来源，学生视野开阔，实际操作技能增强。忧的是：教育商业化、产业化与教育公益性、科学性、学科特点相勃的问题能稳妥解决吗？
3、对我国机器人教育教学现状分析
依据上述对信息技术教育教学的发展历程、教育教学的内容及人的教育观的客观分析，可知：
（1）基础教育阶段机器人教学的不足之处：
第一，教育教学不具备通用性；
第二，基本上没有理论基础为依据，不具备学科特点。
（2）产生不足的原因：
第一，有大纲，但一纲多本带来的弊端是没有蓝本，比较其它学科，如语、数、外、物、化、生等，成百几十年的东西在人们心目中已经根深蒂固，既便是提出课改、教改、一纲多本，但大的模型、框架都在大脑里，而信息技术之机器人教育则不同，本身就是高速发展的学科，历史又不长，相对而言是变化的多，不变的少。
第二，机器人公司各搞各的机器人，而每种机器人肯定各有优势项目，而在教学中选择哪种作为原型机器人，对学生、对教学效果影响都很大，即使弄熟了一种机器人，再去接触其它类型，对没有理论基础的学生来说又得从头开始。
第三，机器人教学缺乏理论基础，客观上机器人教学没有规定以某种机器人为原型机，导致理论上没有一套固定的机器人理论体系说服所有机器人公司，这说明目前机器人教学正在寻找共同点，并在寻找机器人的基本理论上还做得不够。
机器人教学应是“在提高指导下的普及，在普及基础上的提高”。为此，本文提出以常用的工业单片机MCS-51（由于MCS-51及其兼容机在整个单片机领域的地位，很多书籍、资料对51系列均有祥述）为主控制芯片，辅以机械装置、传感器的介绍形成机器人教学的基础理论，结合现有的机器人组件、或自制机器人进行多种形式的实践活动，能取得更好的教育教学实效。
二、引入单片机机教学对机器人教育的意义
先来了解单片机的发展方向，单片机正朝着兼容性、单片系统化、多功能和低功耗方向发展。突出表现在以下几个方面：
第一，从Intel公司MCS-51系列单片机的一枝独秀，发展成它与各种兼容机互为补充、兼容并蓄、各领风骚、百花齐放的新格局；
第二，单片系统（SOC-System On Chip）是内含单片机的系统级芯片，它把电子整机（测控系统）的功能集成到一个芯片中，这预示着在不久的将来，IC与电子整机之间的界限将被彻底打破；
第三，单片机正被集成到智能传感器及网络通信芯片之中，构成具有高性价比的智能化专用IC。单片机与单片系统、智能传感器、网络通信等高新技术的融合。
正是因为单片机具有体积小、功能强、价格低等优点，结合我国国情及教育需求，在我国基础教育阶段，有步骤地引入、讲授单片机的知识，能够较好地解决：
1、机器人教育教学投入资金大，而受教育的学生面又小的矛盾
依据上述机器人教育的现状，目前在试点区开展的机器人教育并没有在整个学生群体中进行，而是选择性的，这矛盾明显摆出来就要解决。若用单片机来构建一个能驱动发光二极管的小系统，只需7个元器件，共投入人民币15元。对于学生来说，可以每人一套，对于学校则只需购买编程器，就是这样的小系统，学生就可以开展如流水灯、闪烁灯等实验，对提高学生学习兴趣、动手能力、积极参与的精神是太为有效了。而这样简单的实验项目又包函学生经常听到但又不理解的如顺序控制、中断控制、定时器控制等等，还可以认识到电阻、电容、晶振、发光二有极管等外围元件，并能深刻地理解软硬件的概念、软硬件的配合、硬件结构等较抽象的含义。
2、建构机器人教育教学的理论基础，逐步形成动脑、动手的实际能力
机器人原本就是建立在智能化控制的基础之上，“智能”是大脑部分，“控制”是机械部分。目前市场上机器人无不是用单片机作为智能部分。相对来讲，专用于机器人的智能芯片在功能上比51系列强大，但在理解了51系列工作原理之后，再接触其它各型机器人、或者机器人组件及自制机器人都不是一件难事，并且在编程上、在功能扩展上奠定了基础，对各种接口、模块只须知道其定义，看看说明书就能使用。“授人以鱼不如授人以渔”不正是教学之根本吗。
3、细化教学目标，比较容易地建立规范化的教学评价体系。
机器人学是一门前沿学科，也是一门综合学科，其技术领域可用博大精深来描述。而现在的机器人距离人们所期待的要求还相差甚远。那么，作为教学的东西，特别是在基础阶段的教育，教学内容应该是非常成熟的技术。然而现行的信息技术教育教学目标是从意识情感、伦理道德、信息科学、信息能力等四个方面来要求的。而本文认为只有在细化教学目标，使传授的知识落实到点上，才便于教师组织实施教学，并且可以形成一套教学评价体系。具体地说，在引入单片机教学后，革新点有以下三方面：
第一、观点上，本文的观点是在现有的基础之上，要注重共同的理论基础，“立足点”放在较基础（低层）位置，这样，教学目标是一致的，并且更能有效地达到教学目标，。
第二、内容上，现行的教学内容太多又太散（又不象散文“形散而神不散”），特别是在有限的课时下，很难完成教学任务，如：自主开发机器人等（不懂原理，怎能开发）。教学框架太大，教师难以细化到点，并且处理教学内容的差异性大。
第三、侧重点上，本文提出的观点正好是从基本理论、基本原理出发，融会贯通，顺理成章地完成教学内容、达到教学要求。
显然，内容上有冲突，主要是由侧重点不同引起的。