智慧教育典型案例：教育机器人与小学科学实验融合教学的实践研究.pdf

教育机器人与小学科学实验融合教学的实践研究 内容摘要：2019 年11 月教育部公布的《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》 中要求要不断将科技前沿知识和必威体育精装版技术成果融入实验教学中，注重加强实验教学与多学科 [1] 融合教育、编程教育、创客教育、人工智能教育等有机融合 。本案例以我校机器人教学为 载体，介绍教育机器人与科学实验融合教学的实践应用，通过机器人的软硬件应用补偿实验 的不足，从而优化科学课的实验教学。同时本案例也可为科学老师提供一些关于人工智能与 科学课融合教学的参考经验。 关键词：教育机器人；优化实验教学；多学科融合；人工智能 一、案例背景 当今是大数据、人工智能时代，科学技术日益渗透到经济建设、社会发展和 人类进步的各个领域，成为生产力最活跃的因素。2019 年末教育部公布的《教 育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》中就提到要将人工智能等科学技术 融入到中小学的实验教学中。例如高中化学的DIS 系统、物理的仿真实验…… 但在小学科学的实验里人工智能等相关技术涉及的不多。其实随着科技的进 步，网络时代的到来，学生的见识也是越来越来宽广，像机器人、无人机、3D 打印等新事物学生也是早有耳闻，甚至还有很多同学学习过，但科学课本里却没 有提及。2017 年新修订的《小学科学课程标准》就新增了 “技术与工程”板块， 旨在使学生有机会综合所学的各方面知识，体验科学技术对个人生活和社会发展 的影响。 那么如何将人工智能等技术融入到小学科学实验教学中来呢？教育机器人 绝对是一个完美的选择。教育机器人是集各种传感器、电机、主机于一身的编程 [2] 式的教育类机器人，有一体式的也有可拼装的 。而将机器人的传感器及其零部 件融合到科学课中不仅能激起学生的兴趣，提升教学效果，同时也能让学生们亲 自了解传感器的工作原理，学习科学技术和编程的相关知识。 二、实践举措 实验是小学科学课程的重要组合部分，但因为种种原因如：实验仪器的不完 整或实验操作难度大或实验效果不明显，导致部分实验无法开展，即使开展了也 达不到预期目标，这对科学课教学效果产生了一定的影响。 那么如何利用教育机器人优化小学科学实验？小学科学课程分四个领域，其 中物质科学领域和技术与工程领域最为适用，主要分布在机械、光和热、声音、 运动等内容上。 （一）避免人为因素，让学生操作更顺利 大部分的科学实验都要进行测量，而测量又避免不了产生误差，尤其是小学 生，测量误差会更大。误差产生的原因有一部分是人为的，比如学生在使用弹簧 测力计时，因为是拿在手里的，就避免不了手的抖动而使读数不准。小学科学里， 测量重力、摩擦力、浮力，斜面的作用都要用到测力计，给学生测量带来极大的 困扰。如果使用机器人的驱动电机代替手持测力计即可方便学生准确读数。 案例1 ： 驱动电机与《斜面》 教科版小学科学六年级上册斜面一课中，在探究斜面的作用时要测量沿斜面 提升物体的力，在这个实验中需要用弹簧测力计拉着重物沿斜面匀速向上运动， 这里的匀速非常重要，否则测力计的指针会上下跳动，导致读数误差会很大。而 机器人中的驱动电机可以提供稳定动力，用驱动电机拉动重物代替人工拉动重物， 便可使重物匀速提升，让读数更准确。 具体方法：在斜面顶端安装好驱动电机（图1-1），电机转轴上连上线，另一 端连在弹簧测力计上，驱动电机与EV3 主机相连，主机上编写以下程序（图1-2）： 主 机 测力计 驱动电机 斜面 重物 图1-1 图1-2 学生在做实验时在主机上进行如下操作：按住“上”键不松手，电机正转使 重物匀速上升，这时就可以准确地从弹簧测力计上测出提升重物的力了；按住“下” 键不松手，电机反转让重物回到原来的位置，准备下次的实验；松开“上”或“下” 键，电机就停止转动。 在实践操作中学生可以很快的完成装置的连接，主机的使用使用