《青少年科技創(chuàng)新叢書》
編委會


主編： 鄭劍春
副主編： 李甫成李夢軍
委員： (按拼音排序)
曹雙丁偉達(dá)董英姿高山何琪辰
景維華李大維梁志成劉玉田毛勇
蘇叢堯王德慶王建軍王君英王文精
魏曉暉吳俊杰武健向金謝作如
修金鵬葉琛于方軍于欣龍張政楨
張晟趙亮

序（1）


　　吹響信息科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)教育改革的號角
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　　信息科學(xué)技術(shù)是信息時(shí)代的標(biāo)志性科學(xué)技術(shù)。信息科學(xué)技術(shù)在社會各個(gè)活動領(lǐng)域廣泛而深入的應(yīng)用，就是人們所熟知的信息化。信息化是21世紀(jì)最為重要的時(shí)代特征。作為信息時(shí)代的必然要求，它的經(jīng)濟(jì)、政治、文化、民生和安全都要接受信息化的洗禮。因此，生活在信息時(shí)代的人們應(yīng)當(dāng)具備信息科學(xué)的基本知識和應(yīng)用信息技術(shù)的能力。
　　理論和實(shí)踐表明，信息時(shí)代是一個(gè)優(yōu)勝劣汰、激烈競爭的時(shí)代。誰先掌握了信息科學(xué)技術(shù)，誰就可能在激烈的競爭中贏得制勝的先機(jī)。因此，對于一個(gè)國家來說，信息科學(xué)技術(shù)教育的成敗優(yōu)劣，就成為關(guān)系國家興衰和民族存亡的根本所在。
　　同其他學(xué)科的教育一樣，信息科學(xué)技術(shù)的教育也包含基礎(chǔ)教育和高等教育兩個(gè)相互聯(lián)系、相互作用、相輔相成的階段。少年強(qiáng)則國強(qiáng)，少年智則國智。因此，信息科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)教育不僅具有基礎(chǔ)性意義，而且具有全局性意義。
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　　為了搞好信息科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)教育，首先需要明確：什么是信息科學(xué)技術(shù)？信息科學(xué)技術(shù)在整個(gè)科學(xué)技術(shù)體系中處于什么地位？在此基礎(chǔ)上，明確：什么是基礎(chǔ)教育階段應(yīng)當(dāng)掌握的信息科學(xué)技術(shù)？
　　眾所周知，人類一切活動的目的歸根結(jié)底就是要通過認(rèn)識世界和改造世界，不斷地改善自身的生存環(huán)境和發(fā)展條件。為了認(rèn)識世界，就必須獲得世界（具體表現(xiàn)為外部世界存在的各種事物和問題）的信息，并把這些信息通過處理提煉成為相應(yīng)的知識；為了改造世界（表現(xiàn)為變革各種具體的事物和解決各種具體的問題），就必須根據(jù)改善生存環(huán)境和發(fā)展條件的目的，利用所獲得的信息和知識，制定能夠解決問題的策略并把策略轉(zhuǎn)換為可以實(shí)踐的行為，通過行為解決問題、達(dá)到目的。
　　可見，在人類認(rèn)識世界和改造世界的活動中，不斷改善人類生存環(huán)境和發(fā)展條件這個(gè)目的是根本的出發(fā)點(diǎn)與歸宿，獲得信息是實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的的基礎(chǔ)和前提，處理信息、提煉知識和制定策略是實(shí)現(xiàn)目的的關(guān)鍵與核心，而把策略轉(zhuǎn)換成行為則是解決問題、實(shí)現(xiàn)目的的最終手段。不難明白，認(rèn)識世界所需要的知識、改造世界所需要的策略以及執(zhí)行策略的行為是由信息加工分別提煉出來的產(chǎn)物。于是，確定目的、獲得信息、處理信息、提煉知識、制定策略、執(zhí)行策略、解決問題、實(shí)現(xiàn)目的，就自然地成為信息科學(xué)技術(shù)序的基本任務(wù)。
　　這樣，信息科學(xué)技術(shù)的基本內(nèi)涵就應(yīng)當(dāng)包括：①信息的概念和理論；②信息的地位和作用，包括信息資源與物質(zhì)資源的關(guān)系以及信息資源與人類社會的關(guān)系；③信息運(yùn)動的基本規(guī)律與原理，包括獲得信息、傳遞信息、處理信息、提煉知識、制定策略、生成行為、解決問題、實(shí)現(xiàn)目的的規(guī)律和原理；④利用上述規(guī)律構(gòu)造認(rèn)識世界和改造世界所需要的各種信息工具的原理和方法；⑤信息科學(xué)技術(shù)特有的方法論。
　　鑒于信息科學(xué)技術(shù)在人類認(rèn)識世界和改造世界活動中所扮演的主導(dǎo)角色，同時(shí)鑒于信息資源在人類認(rèn)識世界和改造世界活動中所處的基礎(chǔ)地位，信息科學(xué)技術(shù)在整個(gè)科學(xué)技術(shù)體系中顯然應(yīng)當(dāng)處于主導(dǎo)與基礎(chǔ)雙重地位。信息科學(xué)技術(shù)與物質(zhì)科學(xué)技術(shù)的關(guān)系，可以表現(xiàn)為信息科學(xué)工具與物質(zhì)科學(xué)工具之間的關(guān)系： 一方面，信息科學(xué)工具與物質(zhì)科學(xué)工具同樣都是人類認(rèn)識世界和改造世界的基本工具；另一方面，信息科學(xué)工具又駕馭物質(zhì)科學(xué)工具。
　　參照信息科學(xué)技術(shù)的基本內(nèi)涵，信息科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)教育的內(nèi)容可以歸結(jié)為：①信息的基本概念；②信息的基本作用；③信息運(yùn)動規(guī)律的基本概念和可能的實(shí)現(xiàn)方法；④構(gòu)造各種簡單信息工具的可能方法；⑤信息工具在日�；顒又械牡湫蛻�(yīng)用。
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　　與信息科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)教育內(nèi)容同樣重要甚至更為重要的問題是要研究： 怎樣才能使中小學(xué)生真正喜愛并能夠掌握基礎(chǔ)信息科學(xué)技術(shù)？其實(shí)，這就是如何認(rèn)識和實(shí)踐信息科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)教育的基本規(guī)律的問題。
　　信息科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)教育的基本規(guī)律有很豐富的內(nèi)容，其中有兩個(gè)重要問題： 一是如何理解中小學(xué)生的一般認(rèn)知規(guī)律，二是如何理解信息科學(xué)技術(shù)知識特有的認(rèn)知規(guī)律和相應(yīng)能力的形成規(guī)律。
在人類（包括中小學(xué)生）一般的認(rèn)知規(guī)律中，有兩個(gè)普遍的共識： 一是“興趣決定取舍”，二是“方法決定成敗”。前者表明，一個(gè)人如果對某種活動有了濃厚的興趣和好奇心，就會主動、積極地探尋奧秘；如果沒有興趣，就會放棄或者消極應(yīng)付。后者表明，即使有了濃厚的興趣，如果方法不恰當(dāng)，最終也會導(dǎo)致失敗。所以，為了成功地培育人才，激發(fā)濃厚的興趣和啟示良好的方法都非常重要。
　　小學(xué)教育處于由學(xué)前的非正規(guī)、非系統(tǒng)教育轉(zhuǎn)為正規(guī)的系統(tǒng)教育的階段，原則上屬于啟蒙教育。在這個(gè)階段，調(diào)動興趣和激發(fā)好奇心理更加重要。中學(xué)教育的基本要求同樣是要不斷調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和激發(fā)他們的好奇心理，但是這一階段越來越重要的任務(wù)是要培養(yǎng)他們的科學(xué)思維方法。
　　與物質(zhì)科學(xué)技術(shù)學(xué)科相比，信息科學(xué)技術(shù)學(xué)科的特點(diǎn)是比較抽象、比較新穎。因此，信息科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)教育還要特別重視人類認(rèn)識活動的另一個(gè)重要規(guī)律： 人們的認(rèn)識過程通常是由個(gè)別上升到一般，由直觀上升到抽象，由簡單上升到復(fù)雜。所以，從個(gè)別的、簡單的、直觀的學(xué)習(xí)內(nèi)容開始，經(jīng)過量變到質(zhì)變的飛躍和升華，才能掌握一般的、抽象的、復(fù)雜的學(xué)習(xí)內(nèi)容。其中，親身實(shí)踐是實(shí)現(xiàn)由直觀到抽象過程的良好途徑。
　　綜合以上幾方面的認(rèn)知規(guī)律，小學(xué)的教育應(yīng)當(dāng)從個(gè)別的、簡單的、直觀的、實(shí)際的、有趣的學(xué)習(xí)內(nèi)容開始，循序漸進(jìn)，由此及彼，由表及里，由淺入深，邊做邊學(xué)，由低年級到高年級，由小學(xué)到中學(xué)，由初中到高中，逐步向一般的、抽象的、復(fù)雜的學(xué)習(xí)內(nèi)容過渡。
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　　我們欣喜地看到，在信息化需求的推動下，信息科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)教育已在我國眾多的中小學(xué)校試行多年。感謝全國各中小學(xué)校的領(lǐng)導(dǎo)和教師的重視，特別感謝廣大一線教師們堅(jiān)持不懈的努力，克服了各種困難，展開了積極的探索，使我國信息科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)教育在摸索中不斷前進(jìn)，取得了不少可喜的成績。
　　由于信息科學(xué)技術(shù)本身還在迅速發(fā)展，人們對它的認(rèn)識在不斷深化。由于“重書本”、“重灌輸”等傳統(tǒng)教育思想和教學(xué)方法的影響，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性尚未得到充分發(fā)揮，加上部分學(xué)校的教學(xué)師資、教學(xué)設(shè)施和條件還不夠充足，教學(xué)效果尚不能令人滿意�？傊�，我國信息科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)教育存在不少問題，亟須研究和解決。
　　針對這種情況，在教育部基礎(chǔ)司的領(lǐng)導(dǎo)下，我國從事信息科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)教育與研究的廣大教育工作者正在積極探索解決這些問題的有效途徑。與此同時(shí)，北京、上海、廣東、浙江等省市的部分教師也在自下而上地聯(lián)合起來，共同交流和梳理信息科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)教育的知識體系與知識要點(diǎn)，編寫新的教材。所有這些努力，都取得了積極的進(jìn)展。
　　《青少年科技創(chuàng)新叢書》是這些努力的一個(gè)組成部分，也是這些努力的一個(gè)代表性成果。叢書的作者們是一批來自國內(nèi)外大中學(xué)校的教師和教育產(chǎn)品創(chuàng)作者，他們懷著“讓學(xué)生獲得最好教育”的美好理想，本著“實(shí)踐出興趣，實(shí)踐出真知，實(shí)踐出才干”的清晰信念，利用國內(nèi)外最新的信息科技資源和工具，精心編撰了這套重在培養(yǎng)學(xué)生動手能力與創(chuàng)新技能的叢書，希望為我國信息科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)教育提供可資選用的教材和參考書，同時(shí)也為學(xué)生的科技活動提供可用的資源、工具和方法，以期激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)信息科學(xué)技術(shù)的興趣，啟發(fā)他們創(chuàng)新的靈感。這套叢書突出體現(xiàn)了讓學(xué)生動手和“做中學(xué)”的教學(xué)特點(diǎn)，而且大部分內(nèi)容都是作者們所在學(xué)校開發(fā)的課程，經(jīng)過了教學(xué)實(shí)踐的檢驗(yàn)，具有良好的效果。其中，也有引進(jìn)的國外優(yōu)秀課程，可以讓學(xué)生直接接觸世界先進(jìn)的教育資源。
筆者看到，這套叢書給我國信息科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)教育吹進(jìn)了一股清風(fēng)，開創(chuàng)了新的思路和風(fēng)格。但愿這套叢書的出版成為一個(gè)號角，希望在它的鼓動下，有更多的志士仁人關(guān)注我國的信息科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)教育的改革，提供更多優(yōu)秀的作品和教學(xué)參考書，開創(chuàng)百花齊放、異彩紛呈的局面，為提高我國的信息科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)教育水平作出更多、更好的貢獻(xiàn)。

　　鐘義信2013年冬于北京

　　序（2）

　　探索的動力來自對所學(xué)內(nèi)容的興趣，這是古今中外之共識。正如愛因斯坦所說： 一頭貪婪的獅子，如果被人們強(qiáng)迫不斷進(jìn)食，也會失去對食物貪婪的本性。學(xué)習(xí)本應(yīng)源于天性，而不是強(qiáng)迫地灌輸。但是，當(dāng)我們環(huán)顧目前教育的現(xiàn)狀，卻深感沮喪與悲哀：學(xué)生太累，壓力太大，以至于使他們失去了對周圍探索的興趣。在很多學(xué)生的眼中，已經(jīng)看不到對學(xué)習(xí)的渴望，他們無法享受學(xué)習(xí)帶來的樂趣。
　　在傳統(tǒng)的教育方式下，通常由教師設(shè)計(jì)各種實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生進(jìn)行驗(yàn)證，這種方式與科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程相違背。那種從概念、公式、定理以及脫離實(shí)際的抽象符號中學(xué)習(xí)的過程，極易導(dǎo)致學(xué)生機(jī)械地記憶科學(xué)知識，不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)興趣、科學(xué)精神、科學(xué)技能，以及運(yùn)用科學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力，不能滿足學(xué)生自身發(fā)展的需要和社會發(fā)展對創(chuàng)新人才的需求。
　　美國教育家杜威指出：成年人的認(rèn)識成果是兒童學(xué)習(xí)的終點(diǎn)。兒童學(xué)習(xí)的起點(diǎn)是經(jīng)驗(yàn)，“學(xué)與做相結(jié)合的教育將會取代傳授他人學(xué)問的被動的教育”。如何開發(fā)學(xué)生潛在的創(chuàng)造力，使他們對世界充滿好奇心，充滿探索的愿望，是每一位教師都應(yīng)該思考的問題，也是教育可以獲得成功的關(guān)鍵。令人感到欣慰的是，新技術(shù)的發(fā)展使這一切成為可能。如今，我們正處在科技日新月異的時(shí)代，新產(chǎn)品、新技術(shù)不僅改變我們的生活，而且讓我們的視野與前人迥然不同。我們可以有更多的途徑接觸新的信息、新的材料，同時(shí)在工作中也易于獲得新的工具和方法，這正是當(dāng)今時(shí)代有別于其他時(shí)代的特征。
　　當(dāng)今時(shí)代，學(xué)生獲得新知識的來源已經(jīng)不再局限于書本，他們每天面對大量的信息，這些信息可以來自網(wǎng)絡(luò)，也可以來自生活的各個(gè)方面： 手機(jī)、iPad、智能玩具等。新材料、新工具和新技術(shù)已經(jīng)滲透到學(xué)生的生活之中，這也為教育提供了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。
將新的材料、工具和方法介紹給學(xué)生，不僅可以改變傳統(tǒng)的教育內(nèi)容與教育方式，而且將為學(xué)生提供一個(gè)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新夢想的舞臺，教師在教學(xué)中可以更好地觀察和了解學(xué)生的愛好、個(gè)性特點(diǎn)，更好地引導(dǎo)他們，更深入地挖掘他們的潛力，使他們具有更為廣闊的視野、能力和責(zé)任。
　　本套叢書的作者大多是來自著名大學(xué)、著名中學(xué)的教師和教育產(chǎn)品的科研人員，他們在多年的實(shí)踐中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，并在教學(xué)中形成了相關(guān)的課程，共同的理想讓我們走到了一起，“讓學(xué)生獲得最好的教育”是我們共同的愿望。本套叢書可以作為各校選修課程或必修課程的教材，同時(shí)也希望借此為學(xué)生提供一些科技創(chuàng)新的材料、工具和方法，讓學(xué)生通過本套叢書獲得對科技的興趣，產(chǎn)生創(chuàng)新與發(fā)明的動力。

　　叢書編委會序

　　前言

　　樂高機(jī)器人的學(xué)習(xí)可以鍛煉學(xué)生的動手能力與編程能力，也能夠培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神、技術(shù)能力及數(shù)學(xué)能力。因此本書以生活中的實(shí)例，并配以大量的樂高機(jī)器人搭建圖，生動地講解樂高機(jī)器人的搭建與程序設(shè)計(jì)，讓學(xué)生能夠快速掌握機(jī)器人制作的方法。
　　本書所使用的機(jī)器人是樂高EV3機(jī)器人，它是樂高公司最新推出的智能機(jī)器人套裝。它使用積木進(jìn)行搭建，簡單易學(xué)，能夠搭建出復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)。而且，樂高機(jī)器人使用圖形化的編程方式，對于機(jī)器人初學(xué)者來說，是一個(gè)非常不錯(cuò)的學(xué)習(xí)平臺。
　　本書以授課的形式，鼓勵(lì)學(xué)生去想象、去思考，從而建構(gòu)出自己的機(jī)器人。同時(shí)告知學(xué)生，機(jī)器人的制作不是一蹴而就的，需要不斷優(yōu)化與實(shí)踐。因此，在書中特別設(shè)立了“優(yōu)化與改進(jìn)”欄目，使得在每一課中制作的機(jī)器人都能通過逐步改進(jìn)最終達(dá)到理想的狀態(tài)。書中每一課后都有問題討論與作業(yè)設(shè)置。讓學(xué)生主動學(xué)習(xí)、主動探究是本書的教學(xué)理念。
　　對于中小學(xué)學(xué)生或者機(jī)器人初學(xué)者來說，在學(xué)習(xí)完本書的課程后，能夠基本掌握樂高機(jī)器人的搭建技巧以及程序編寫的方法，可以自主地搭建屬于自己的機(jī)器人。
　　對于學(xué)校機(jī)器人輔導(dǎo)教師來說，本書是一本難得的機(jī)器人教學(xué)參考書，教師可以參考本書進(jìn)行學(xué)校的機(jī)器人課程或者研究性學(xué)習(xí)活動，每一課都可以用2～3個(gè)學(xué)時(shí)去講授。
本書在撰寫過程中，得到了鄭劍春和吳俊杰兩位老師的幫助與支持，在此表示感謝。
樂高機(jī)器人愛好者或者學(xué)校機(jī)器人輔導(dǎo)教師如果對機(jī)器人的制作或者機(jī)器人教學(xué)方法感興趣，可以與我進(jìn)行交流。郵箱： 2071586369@qq.com。

　　編者
　　2014年3月