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1、类别：提高信息技术与课程教学整合的研究与实践学科：数学论文题目：初探小学数学与机器人平台整合作者单位：福州林则徐小学作者姓名：郑东炜联系电话：13599047977电子邮箱：【摘 要】随着世界的不停发展及信息技术的日新月异，数字化时代的信息素养已成为当代社会公民所必备的基本素养，开设信息技术课程、培养少年儿童的信息素养是义务教育的重要任务。而机器人教学不仅有利于培养学生的信息素养，更有利于推进中国科技的发展，其重要性不容忽视。笔者认为，教小学生学习机器人程序编程，可以帮助他们从小培育程序设计意识与能力，学习程序设计文化，这也是信息素养的主体内容。以机器人教学平台为载体开展中小学算法与程序设计教
2、学实验，巧妙利用小学数学的基本知识，突破了语言的障碍，融小学数学基本活动经验和程序设计为一体，大大降低了学习信息技术的门槛，其所特有的易学、易用、实用、趣味性强的特点使其成为适合在中小学开展程序设计的语言，可以帮助学生通过学习机器人编程快速地进入程序编写的大门，使学生能够深刻体会数字化时代的特征。关键词 小学生程序设计机器人教学平台 小学数学 学习机器人编程可以培养学生运用算法来解决实际问题的能力，这种解决问题的方式是计算机所独有的, 也只有通过对计算机的程序设计语言和程序设计方法的学习才有可能获得这种解决问题的能力。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
3、中小学开展计算机教育的序幕，但在当时受机器条件的限制，教学主要是以程序设计为主，主要学习各种编程语言，包括 BASIC、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。在小学阶段，由于涉及的算法不能过于深入，因此，我们要紧密联系小学数学的基础知识，挖掘两者相通点，巧妙地将小学数学知识和程序设计融合，在学生的基本数学活动中，融入程序设计，在程序设计中，巩固小学数学基本知识，充分利用小学生好奇、爱动、可塑性强的年龄特点，引导他们在平时的数学学习和程序设计中，寻找两者共同点。一、机器人平台应用于小学程序设计实践教学的理性思考 1.适合小学生的年龄特征
4、与知识储备数学知识的积累要基于学生的生活现实，把儿童的生活经验进行“数学化”处理，促进学生进行数学思考，以生成新的数学活动经验。程序设计也要基于数学知识，将这些知识“数字化”处理，给予学生更富有趣味性和挑战性的思维活动。因此程序设计的过程，更有有利于学生在编程活动中感悟数学的魅力，直接经验的获得更能让学生体验新知识的形成过程，两者的融合不仅简单、明了，而且注重实践，有利于学生的知识技能从较低水平上升到较高水平，实现知识技能和认知经验的改造或重组。 “智慧自动作发端” ，动手操作是学生学习的重要途径和方法。动手操作能把平时学到的抽象的数学知识和理性的思考方式，变成看得见、讲得清的计算机程序。而在
5、操作过程中，学生动手、动脑、动口参与获取知识的全过程，能够使操作、思维、语言有机结合，这样获得的体验才会深刻、牢固，从而积累有效的操作经验。机器人程序的学习需要学生的数学知识经验作为基础，学生对问题的分析、解决问题的能力，都会影响学习的积极性，而分析问题与解决问题能力，在小学生数学学习过程中也常常作为学习能力的一个标准，这其实也是我们机器人编程的一个重要标准。小学生的思维往往是从具体形象思维逐渐过渡到抽象逻辑思维，但他们的抽象逻辑思维在很大程度上依赖感性经验，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，对某些逻辑进行分析会感到困难。而到了高年级，他们则开始能够依靠表现一定
6、数量关系的词语来进行分析。随着年龄的增长，他们掌握事物中直观、外部特征的成分日渐减少，而掌握抽象、本质特征的成分不断增多。机器人模拟软件可以为低年级的孩子提供一个直观操作平台，让他们的奇思妙想变为一个个简单的程序，通过仿真运行，直观感受计算机程序的趣味性；而我们的机器人平台，可以为高年级学生在程序设计这个抽象思维中，直接提供了从直观到抽象的实践平台，符合学生的心理特征与年龄特征，让他们在动手操作、实践编程中领悟算法的奇妙和逻辑的神奇。曾经也有学者提出“程序设计教学越早越好” 。爱沙尼亚，一个仅有 130 万人口的小国，在科技进展方面不容小觑。爱沙尼亚是即时通讯工具 Skype 的诞生地，最早实
7、现政府办公完全电子化的几个国家之一，现在，它又发起了一项全国性计划教 7 到 19 岁的在校生编写代码。该计划并非是要开始大量炮制未来的应用程序开发者，而是培养能更聪明地利用科技、电脑和网络的人。而中国在程序设计的推进过程中，我们教师都有这样一种体会，只要教材和教法适当，程序设计入门，初中生比高中生容易，甚至高年级小学生比初中生容易，最困难的是成年人。我们可以在初小阶段的机器人课堂教学采用积木机器人，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。根据笔者学校的实际情况，我们的具体做法是：一至三年级初步接触了解什么是机器人，动手制作简易的 powerteck 机器人；四年级简单了解
8、机器人传感器和编程语言；五年级运用机器人虚拟软件设计简单任务；六年级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，机器人平台教学，使编程教学能更突出“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。而学生在学习编程的过程，对数学学习的兴趣大大提高，不再简单的认为数学就是做题，在编程的实践活动中，感受到了学习数学的必要性，
9、这也是对数学活动经验的直接体验。2.小学数学知识与程序设计的有效融合根据笔者学校的特色，我们采用中鸣机器人公司的编程软件，进行数学学科与机器人平台整合性研究。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。
10、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。那么在我们小学数学中，哪个知识点最容易在程序设计中让孩子感悟到数学的魅力呢？（1） 方程 VS 变量小学阶段，主要学习的是一元一次方程的求解过程，这里的解，可以是整数、小数、分数。上一道题的解，可以是下一道题的解题关键，使得方程的解具有传递性和共享性。在我们机器人编程中，也有这样的一种情况出现。例如，在定义火焰模块时，我们根据传感器测量后的反馈，定义一个名叫“hy”的变量。而后，编写一段程序：它的意思是：当 hy 等于 7 这个光感数值时，停止；当 hy 等于 255 这个
11、光感数值时，转动；一直循环执行这个过程。这样，一个关于方程解的数学知识，就简单的融汇于编程中。学生在编程的时候，通过不同的变量值，设计不同的动作，而这一切，缘于一个未知数变量！每一次的测试都不一定相同，就跟数学的方程题的解一样，充满了变化。（2） 对错 VS 是非在数学的练习中，我们常常遇到一些判断题，学生根据自己本身的知识基础，对一句话进行对错判断。但是在现实中，我们面对错误，是不是简单的就给个符号“X ”，然后就算完事了呢？在编程时，孩子体验到的是一种细致的“纠错” 。面对不是理想的状态时，不是简单的给予对错判断，而是能够机智地针对非理想状态，设计一个行为，让机器人能够有效执行。例如：利用
12、超声波测距，学生设计了这样一个程序。当超声波传感器检测前方无障碍物时，车子前进；当超声波传感器检测前方不远处有障碍物时，减速前进；当传感器检测到距离极近时，停止。具体程序如下图：在现实生活中，不是依靠简单的对错来衡量事物的，学生在编程的过程中，能够就对错进行辨证思考和情景分析，针对各种情况设计不同的解决方案，提高自身解决问题的能力。而解决问题的能力，是孩子成长的一个重要标志。只有充分的考虑问题的形成因素，才能够寻找到解决途径，编程的思想策略，反哺了数学解题思维，尤其是在遇到多种因素阻碍解题思维的情况下，思考的条理性和层次性显得尤为重要。（3） 区间 VS 取值在初等代数，传统上区间指一个集，包
13、含在某两个特定实数之间的所有实数，亦可能同时包含该两个实数。区间表示法是表示一个变量在某个区间内的方式。在我们小学阶段，孩子对区间的理解，仅仅简单的理解为比某个数大或者比某个数小。而在计算机编程中，我们往往会涉及到闭区间和开区间，甚至半开半闭区间。而这一知识对于小学生来说是抽象的、超前的。怎样在具体的实例中，最大限度降低难度，使学生理解和掌握这一数学知识，从而服务于机器人编程，就成为了一个难题。在指南针模块的教学中，笔者尝试寻找该问题的解决途径，发现效果良好。该程序思路如下：若车子车头对准在 350至 10A 方向区间内，停止；若车头在 10至180B 方向区间内，左马达停止，右马达前进，车子
14、向左转至 A 方向；若车头在 180至 350C 方向区间内，左马达前进，右马达停止，车子向右转至 A 方向。图示如下：学生在编程中，常见以下错误：这两种错误是缘于对图的直观印象，特别是第一幅图中的判断语句，比10并且比 350小的数孩子是能够找到的，比如 11、110、300，但是，这个语句又造成程序与 B 区间和 C 区间发生重叠，导致机器人无法分辨左、右转的命令，直接停机。而遇到第二种情况，笔者会问孩子，能不能找到你所设计的程序中的数呢？（比 350 大，又要比 10 小）孩子思考后才恍然大悟，不行，这么简单的表示区间，自己都找不到，机器人更不运行了。接着又要思考，那 A 区间又要怎么表
15、达呢？如果在数学课上，我们会运用线段图，先铺垫什么是区间，紧跟着提出闭区间、开区间、半闭半开区间，这多么抽象。孩子在遇到角度这个问题时，我们就能够抓住时机，给予适当提示，区间问题迎刃而解。350至 10之间，还有个 360，360 即开始的 0。学生恍然大悟，原来 A 区间就是两个区间的合并：（350jd&jd360 ）&（0jd 10）总之，兴趣是学习最好的老师，需求是学习研究的动力。引发学生学习兴趣，培养学生个性，尊重学生需求，是新课标对教师提出的新要求。这也就要求教师要把激发学生的学习兴趣作为有效教学的手段和着力点，我们的机器人平台做到了适合学生兴趣、符合学生认知，再加上生活化的情景课堂
16、模式，真正实现了培养学生对计算机程序设计的学习兴趣，优化了我们信息技术课堂教学的目的和要求。并且能够有效的将数学知识融于快乐的编程中，使数学学科的工具性特点凸显，感受数学的理性思维和严密条理，在不断的操作中提高学生分析问题和解决问题的能力。参考文献：1 机器人设计与实现 作者：（美）Gordon McComb， Myke Predko 科学出版社2 竞赛机器人制作技术 主编：王志良 机械工业出版社3 玩机器人 学单片机 作者：刘晋峰 电子工业出版社4 仿生机器人制作入门 作者：臧海波 人民邮电出版社5 机器人制作与编程 作者：中鸣数码6 小学数学反思能力的培养 作者：张爱霞 内蒙古师范大学-20097 数学生活力 作者：沈徐建 浙江大学出版社8 邱学华怎样教小学数学 作者：邱学华 中国林业出版社
