《智能机器人在培养学生创新能力方面的研究》研究报告.docx
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《智能机器人在培养学生创新能力方面的研究》研究报告
《利用智能机器人培养开发学生创新能力》
研究报告
一、课题研究的背景、目的和意义
1．课题研究的背景。
目前，我们生活在一个科技飞速发展，社会飞快进步的时代。
计算机技术、医药技术、信息技术的发展对社会产生了深远的影响。
教育如何适应科学技术的巨大变化已经引起世界各国的注意，从我们的教育理念“为了学生的终身发展”可以看出：
只有不断地学习，不断创新，才能跟上时代的步伐。
重复性工作已经无法满足社会的发展，社会需要具有创新意识、有创造性思维的人才。
21世纪中期，人类社会将全面进入以智能机器人为代表的智能时代。
最近10年，有关机器人的研究与应用水平将取得重大突破。
机器人的广泛应用将极大促进社会生产力的发展与产业结构的调整。
通过机器人教育的实施，推进教育创新，促进教育改革和教育现代化，对创造型、研究型、专家型教师队伍的形成，对提高中小学生的创新和实践能力，具有重要的现实意义和战略意义。
因此智能机器人提供了一种素质教育和创新教育与前沿研究相结合的生动形式，通过智能机器人活动的开展，对于培养学生创新能力，提高学生综合素质，必然开拓一条新的渠道。
2．课题研究的目的、意义
通过该课题实施，我们旨在进行智能机器人在培养学生创新能力方面的研究，同时培养一批有能力的辅导教师和学生群体机器人爱好者，通过传、帮、带模式的巩固，形成机器人研究的良性循环。
目前，日本、美国等一些发达国家高度重视机器人学科教育对高科技社会的作用和影响，已在信息技术课与课外科技活动开设了有关机器人的课程内容。
可以预见，在我国今后的教育教学中，机器人必然将异军突起，成为一个新的教学资源并逐步发展为一门独立的课程，提前进行这方面的研究，将有利于机器人的普及，并在机器人培养学生素质方面提供借鉴。
开设本课题，可以充分利用新的智能机器人资源，开发学生的智力，培养学生的创新能力，提高学生的创造思维，对于学生综合素质的提高将起到重要作用。
虽然目前在机器人教学开展时面临资金不足、机器人价格昂贵、数量不足、机器人教师资源不足等方面的问题，但是随着研究的深入和逐步的普及，这些问题肯定会得到解决，一旦有了硬件的的保障，在大范围内普及机器人教学就成为可能，我们对于学生综合能力的培养就将多出一条崭新的途径，我们接近和赶超先进国家也就指日可待。
二、课题研究的理论依据
由于智能机器人位于信息技术发展的前沿领域，集材料、机械制造、能源转换、生物仿真、信息技术之大成，是综合性很强的现代技术。
它具有高度综合渗透性、前瞻未来性、创新实践性，蕴涵着极其丰富的教育资源。
以乐高机器人为例，它包含了传感器、马达、和各种各样数量众多的配件，可以衍生无数的组合，学生可以自由组合产生不同的机器人模型，通过电脑编程下载到RCX中就可以指挥机器人的动作，这对学生创新能力的培养自然会起到独特的作用。
为了充分发挥智能机器人的作用，我们借鉴了建构主义先进教育理念和多元智能发展的相关理论，渗透的课题研究的过程中，让学生成为学习的主体，使其主动参与到机器人知识、思路、技术研究的各个领域中，更多更好的获取研究成果，而教师在研究的过程中要改变以往的角色定位，作为学生的朋友，给学生创造合适的实践环境和良好的研究氛围，影响他们，鼓励他们，通过问题任务驱动学生自主学习研究，通过合理分组搭配充分发挥群体智慧，通过讨论交流获得提高升华。
三、课题研究的基本过程
（一）研究目标
通过该课题，我们探讨智能机器人在培养学生创新能力方面的优势和有效途径，确立智能机器人在培养学生创新能力方面的教学模式，研究智能机器人在培养学生创新能力的有效方法和经验，借此培养学生对智能机器人的兴趣，让学生了解和掌握以智能机器人为载体的通用技术与信息技术的基本知识和技能，了解技术的发展及其应用对人类生活和科学的深刻影响。
通过智能机器人课程培养学生良好的信息素养、创新精神和实践能力。
（二）研究内容
通过该课题的实施，我们主要就智能机器人在培养学生创新能力方面进行研究，深入挖掘智能机器人的优势，研究发挥其作用的多种途径和使用方法，通过分组实验进行对比研究，探讨培养学生创新能力的有效方法。
同时，由于对学生创新能力的判断还没有一个统一的标准，传统的教学方式与教材倾向于就一个给定的问题，告诉学生们一个既定的答案，这就限制学生了天性的发挥。
学生往往处于这样一种感觉状态：
解决问题的途径是唯一的，这样，学生的创造性就得不到恰当的开发。
导致的结果是他们只是接受已有的知识体系，而不是主动去探讨、去发现新的东西。
我们设想通过开展智能机器人活动，不仅有趣，更为他们提供了开放性的问题解决方案，学生可以用不同的方法达到同一项目标，从而鼓励学生充分发挥想象力、创造力，培养学生的发散性思维，提高学生的创新精神。
把机器人技术应该纳入创新教育的轨道，作为一种创新教具给最广大的学生提供学习的机会，提升最广的学生的创新能力、培育他们的创新意识、创新精神和实践能力。
教育研究发现，如果一个人处于自己喜欢的活动中，需要解决的问题又正好合适，符合自己的知识水平，那么学习就会象呼吸一样自然，你根本就不会意识到自己在学习。
我们的目的就是给学生提供一个象空气一样自由的空间，让学生在不经意中成长、提高并达到一定的水平。
（三）研究方法
1.文献法：
就是搜集和分析研究各种现存的有关文献资料,从中选取信息,以达到某种调查研究目的的方法。
2.教育实验法：
教育实验法指研究者根据研究目的，有组织、有计划地逐步变化条件，观察记录测定与此相伴随的现象的变化，从而确定条件与现象之间因果关系的方法。
3.经验总结法：
总结经验是在教育理论的指导下，按照科学研究的程序，使感性认识上升为理性认识的思维加工过程，是一种创造性的脑力劳动。
它是在感性认识和初步的理性认识的基础上，通过进一步的分析归纳，抽象概括出可供他人借鉴的规律性的理性认识的活动。
4.行动研究法：
目前，教育心理学、组织管理等研究领域引入此法，用来探讨改进教育方法和改革评定方法。
行动研究法与那种为控制研究方法，使研究对象不受研究者或实验事态影响的传统研究方法的区别，在于共同参与，即由研究者和行动过程的实践者结成一体，共同组成课题组，共同进行调查、分析，通过在实践活动的进程中发现问题、设计实验方案、实施实验方案、评价或有新的发现、再计划、再实施、再评价或发现……的方式不断进行。
（四）研究基本过程和成果
1.2006年9月－2007年7月我们主要研究的方向是智能机器人在培养学生创新能力方面的优势和有效途径。
为了更好地发挥机器人的教学作用，我们组织课题组老师积极参加高密市和潍坊市组织的多次机器人培训活动，通过培训学习了解了机器人的构造、编程和使用方法，然后再具体商讨研究怎样实施智能机器人教学，并在教学中探讨和传统教学相比智能机器人具有怎样的优势，通过建立多元化目标检测体系我们对参加机器人小组的学生成员和没有接受机器人教育的学生进行对比检测，通过数据的对比分析研究，我们发现智能机器人在培养学生创新能力方面具备传统教学所无法比拟的优势，课题组的老师们也在这方面有了深刻的体会撰写完成了相关的论文。
2.2007年9月－2008年7月是我们课题实施的第二个阶段，该阶段我们主要研究的方向是智能机器人在培养学生创新能力方面的教学模式研究。
因为只有建立了一个相对完整的可操作的的教学模式，才便于成果的推广，最大限度的利用好这一优质的高科技教育教学资源，使学生的综合素质得到提高，通过这一阶段的研究，我们初步形成了智能机器人教学的教育模式。
通过教学实践我们通过多次归纳和总结形成了“问题驱动”的教学模式。
课题组的老师们也在这个过程中提高了对教育教学的理解，深化了教学理念，并撰写了相关的研究论文。
3.2008年9月－2009年7月是课题的结题阶段，在这个阶段中我们主要综合研究智能机器人在培养学生创新能力方面发挥的作用，通过比较分析，不断研究加深，纠正思路，改进研究策略，得到相对可靠的数据，最后再对这三年中的各项研究成果进行归纳总结，完成了该课题的研究报告。
四、研究的设计与实施：
（一）研究的基本策略：
（1）提供丰富学习资源，奠定知识基础
我们知道，学生创新能力和实践能力的提高是离不开知识基础的，只有当学生具备足够的知识储备，在面临一些新奇的问题时，才能凭借自己的经验、洞察力及创造力来产生新观点，在一些互不相关的事情之间建立联系，创造性地解决问题。
在实践中我们发现，文本教材中的知识呈现方式是静止的，信息是有限的，更有甚者有的知识远离学生生活实际、是抽象的、干巴巴的，学生学习没有兴趣，光凭教师的讲解学生也难于理解。
因此，我们积极开发机器人课件，利用代教育技术所具备的集成性和综合性就能克服上述的这些弊端，激发学生学习的积极性和主动性，提高教学的效益，帮助学生熟练掌握和运用知识，起到事半功倍之效率。
（2）营造探究环境，诱发创新
实践证明，学生的创新能力、实践能力并不是教师教出来的，而是凭借学生自己的经验不断地猜测、联想、探究、体验而形成的。
我们对传统教育环境和创新教育环境进行对比：
传统教育环境
创新教育环境
以教师为中心的教学
单一感官刺激
单一路径行进
孤立学习
信息传递
被动学习
基于事实和知识的学习
后摄反应
孤立的、虚构的情境
以学生为中心的教学
多感官刺激
多路径行进
合作学习
信息交流
主动/探索/探究性学习
批判性思维和有见地决策
前摄或有计划的行为
真实的，现实世界的情境
从对比中可以看出：
只有为机器人教育营造创新环境才能最大限度挖掘学生的创造潜能。
因此，我们应充分发挥现代教育技术的优势，为学生营造探究环境，诱发创新，提高其创新能力。
（3）提供展示平台，物化创新
在课题实验中，当学生完成探究任务之后，我们就充分利用现代教育技术的优势，通过演示操作、小组竞赛或实物投影，或将机器人探究活动的成果上传到网上等方式将自己或所在团队的机器人研究成果向老师或同学展出，使他们看到自己的创新成果，体验到成功的快乐，获得一种成就感，同时学生的实践能力也得到了提高。
（二）具体措施
1.加强硬件建设与软件开发管理
硬件建设：
学校积极筹措资金、充实有关设备。
准备购买新机器人器材的资金，为机器人活动添加硬件设备。
以此来创设了良好的机器人学习环境，推动机器人教学。
软件开发管理：
为满足教学的需要，我们要不断丰富图书资料，购置了机器人开发软件。
积极开发机器人教学多媒体课件，加快建立多媒体资料库，不断完善教学、科研管理的信息服务功能。
同时通过自主编制的校本机器人教材，使学校的机器人课外教学更加规范化，标准化。
使学校的机器人特色得以普及，更使广大学生能轻松的步入机器人的世界。
2.着力提高教师素质
我们着力通过培训、教研、讲座三个环节来提高教师素质。
（1）培训和学习。
教师对机器人技术的认识决定着机器人教学的成败。
因为教师是实验的直接参与者，只有当教师充分认识到机器人技术的价值，对课题研究充满信心并热情投入时，课题研究才能收到良好的效果。
为此，我们要加强了实验教师的理论学习。
首先要抓的是教育观念的更新，我们准备通过学习先进的教学资料，组织教师认真学习相关教育理论和文件。
帮助教师从理论上提高对课题实验的必要性、重要性的认识，促进教师进一步树立正确的教育观念，为实验的顺利开展奠定坚实的思想基础。
（2）加强教研。
为适应课题研究的需要，我们要进一步开展实验教师专题讨论；开展课外机器人活动的现场观摩，并进行案例分析，积累在实际教学经验，提高教师把机器人技术融入教学实践的能力；组织校内外机器人竞赛活动，使实验教师在相互交流中提高，在实践探索中成长。
（3）参加讲座。
学校领导邀请专家来校讲座，进一步提高课题组成员的理论基础，并请专家进行现场指导，对涌现出的好作法、好经验，及时总结、推广；对发现的问题，面对面地进行指导帮助。
有效地调动了教师的积极性，确保实验的顺利进行。
（三）目标检测体系与统计数据
在课题实验中，我们通过详细研究细化，最终构建了能体现评价内容的评价模块，评价模块从参与状态、创新意识、学习方式、创新成果等方面对学生的学习过程和结果进行评价，没一阶段都利用下表对学生进行评价检测，通过学生自评、教师评价将果累记汇总，最后进行归纳总结为课题研究提供可供参考的数据支持，同时这样也利于学生自己了解自己，准确评价自己的发展过程。
立新中学智能机器人研究目标检测体系
一级指标
二级
指标
三级
指标
分值
自评
校评
折合
A1:
学生的参与状态与创新意识
30
分
B1:
学生参与状态考察
C1:
参加活动的积极主动性
4分
C2:
参与活动形式的灵活性
3分
B2:
体现知识、能力、情感有机结合
C3:
知识性目标
4分
C4:
能力拓展目标
5分
C5:
情感价值观
4分
B3:
具备发散思维能力达成
C6:
具备动手实验操作能力
5分
C7:
创新思维意识
5分
A2:
学习方式
30
分
B4:
采用合作学习方式
C8:
合作意识
4分
C9:
合作能力
4分
C10:
合作品质
4分
B5:
体现主体性与创造性
C11:
独立解决问题能力
5分
C12:
求新性能力
5分
B6:
在老师的指导下个性发展
C13:
师生互动参与能力
4分
C14:
主体发展意识
4分
A3:
创新成果
40
分
B7:
电脑作品
C15:
电脑动画
5分
C16:
电子报刊
5分
B8:
科技发明制作
C17:
小发明、小制作
5分
C18:
科技实践活动
4分
B9:
智能机器人（足球、灭火、创意等）获奖成果
C19:
足球机器人获奖成果
7分
C20:
灭火机器人获奖成果
7分
C21:
创意等其它类型智能机器人获奖成果
7分
总分
注：
自评分以30%的比例、校评分以70%的比例折合相加得到的分数代表各项目的得分。
五、研究结论：
经过最终检测我们得到的统计结果如下图所示：
目标检测统计表
机器人成员
对比班成员
自评
校评
折合
自评
校评
折合
C1
3.8
3.6
3.66
C1
3.5
3.2
3.29
C2
2.6
2.6
2.6
C2
2.6
2.2
2.32
C3
3.8
3.7
3.73
C3
3.6
3.4
3.46
C4
4.5
4.4
4.43
C4
4.5
4.1
4.22
C5
3.6
3.5
3.53
C5
3.2
3.1
3.13
C6
4.8
4.6
4.66
C6
4.9
4.2
4.41
C7
4.6
4.6
4.6
C7
4.3
4.1
4.16
C8
4
3.9
3.93
C8
3.8
3.8
3.8
C9
3.9
3.9
3.9
C9
3.6
3.5
3.53
C10
4
3.8
3.86
C10
3.7
3.7
3.7
C11
4.9
4.8
4.83
C11
4.8
4.5
4.59
C12
4.8
4.8
4.8
C12
4.6
4.4
4.46
C13
4.9
4.9
4.9
C13
4.9
4.8
4.83
C14
4
3.9
3.93
C14
3.6
3.4
3.46
C15
4.8
4.5
4.59
C15
4
4
4
C16
4.7
4.6
4.63
C16
4.2
4.1
4.13
C17
3.8
3.8
3.8
C17
3.6
3.5
3.53
C18
4.8
4.6
4.66
C18
3.2
3.1
3.13
C19
6.8
6.5
6.59
C19
0
0
0
C20
6.8
6.6
6.66
C20
0
0
0
C21
6.9
6.9
6.9
C21
5.6
5.4
5.46
利用工具生产的图表如下所示：
通过对上述图表的分析我们可以看出，参加智能机器人活动对于学生创新能力的培养具有明显的提高作用，如果我们进一步开发推广和研究这个课题将会对于学生综合素质的提高具有重大意义。
1.学生的创新思维明显得到改善
通过学生的能力知识、发散思维、创造能力、新课程实施等方面我们检测发现，参加智能机器人培训的学生在这方面有明显的提高
2.学生的学习方式得到改变
通过学生学习方式、解决问题的能力、个性发展、主体发展等方面的考察检测，参加培训的学生水平明显比没有参加以前有显著提高，与没有参加培训的平行对比组检测发现也出现了显著差异。
3.学生的创新能力明显提高
参加培训的学生在机器人创意设计、电脑作品制作、科技创新发明等方面明显比对照组的同学有显著提高。
六、问题与思考：
经过近几年来的实践，我们充分认识到提高学生创新能力的重要性，在机器人教育中提高创新能力和素养的深刻内涵。
回顾过去的工作，我们发现对于机器人的研究还远远不够，怎样充分利用智能机器人培养开发学生创新能力，还有很多问题有待解决。
1.硬件和经费方面：
机器人更新换代的速度非常快，要想跟上机器人科技的发展，需要学校每年投入大量的资金保障，这对于处于义务教育阶段的学校来说存在一定的困难。
2.实验教师方面：
目前参与课题的教师多数都是利用课余时间开展活动，在机器人课程还没有完全得到普及和开展之前，教师的培训和课题研究的时间都不容易得到保证，各级部门的相关激励和保障制度也需要在实践中进行不断的完善。
七、课题组成员简介
课题负责人：
荆世兴，现任高密市立新中学电教中心主任，潍坊市信息技术教学能手，中学一级教师，擅长学习和研究，在机器人辅导方面具备较强的实力，辅导的学生多次在潍坊市、山东省级获奖。
王美贞：
任立新中学副校长，中学高级教师，从事数学教学，潍坊市教学能手，擅长程序设计指导，在本课题的研究中发挥重要作用。
隋彬：
中学一级教师，从事数学教学，高密市教学能手和优秀班主任，擅长编程，有很强的学习能力和创新意识。
仪修亮：
中学一级教师，从事历史教学，高密市先进青年教育工作者，擅长对于计算机网络和创新，担任本课题的机器人创意设计指导。
李本水：
中学一级教师，从事物理教学，擅长机械电子技术，在机械维修和电子领域有很高的造诣。
刘霞：
中学一级教师，山东省教学能手，从事信息技术教学多年，具有丰富的信息技术教学经验。
高密市立新中学机器人课题项目小组
二○○九年六月
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