《青少年科技創(chuàng)新叢書》
編委會(huì)


主編： 鄭劍春
副主編： 李甫成李夢(mèng)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(hào)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(huì)各個(gè)活動(dòng)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(shí)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(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代。誰(shuí)先掌握了信息科學(xué)技術(shù)，誰(shuí)就可能在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中贏得制勝的先機(jī)。因此，對(duì)于一個(gè)國(guó)家來(lái)說(shuō)，信息科學(xué)技術(shù)教育的成敗優(yōu)劣，就成為關(guān)系國(guó)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(guó)強(qiáng)，少年智則國(guó)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(dòng)的目的歸根結(jié)底就是要通過(guò)認(rèn)識(shí)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(shí)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(wèn)題）的信息，并把這些信息通過(guò)處理提煉成為相應(yīng)的知識(shí)；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(wèn)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(shí)，制定能夠解決問(wèn)題的策略并把策略轉(zhuǎn)換為可以實(shí)踐的行為，通過(guò)行為解決問(wèn)題、達(dá)到目的。
　　可見，在人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界的活動(dòng)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(shí)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(wèn)題、實(shí)現(xiàn)目的的最終手段。不難明白，認(rèn)識(shí)世界所需要的知識(shí)、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(lái)的產(chǎn)物。于是，確定目的、獲得信息、處理信息、提煉知識(shí)、制定策略、執(zhí)行策略、解決問(wèn)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(huì)的關(guān)系；③信息運(yùn)動(dòng)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(shí)、制定策略、生成行為、解決問(wèn)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(shí)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(shí)世界和改造世界活動(dòng)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(shí)世界和改造世界活動(dòng)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(shí)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(dòng)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(jiǎn)單信息工具的可能方法；⑤信息工具在日�；顒�(dòng)中的典型應(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(wèn)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(shí)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(wèn)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(wèn)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(shí)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(shí)： 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(duì)某種活動(dòng)有了濃厚的興趣和好奇心，就會(huì)主動(dòng)、積極地探尋奧秘；如果沒(méi)有興趣，就會(huì)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(huì)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(dòng)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(dòng)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(lái)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(shí)活動(dòng)的另一個(gè)重要規(guī)律： 人們的認(rèn)識(shí)過(guò)程通常是由個(gè)別上升到一般，由直觀上升到抽象，由簡(jiǎn)單上升到復(fù)雜。所以，從個(gè)別的、簡(jiǎn)單的、直觀的學(xué)習(xí)內(nèi)容開始，經(jīng)過(guò)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(guò)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(jiǎn)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(jí)到高年級(jí)，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(guò)渡。
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　　我們欣喜地看到，在信息化需求的推動(dòng)下，信息科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)教育已在我國(guó)眾多的中小學(xué)校試行多年。感謝全國(guó)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(guó)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(jī)。
　　由于信息科學(xué)技術(shù)本身還在迅速發(fā)展，人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)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(dòng)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(guó)信息科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)教育存在不少問(wèn)題，亟須研究和解決。
　　針對(duì)這種情況，在教育部基礎(chǔ)司的領(lǐng)導(dǎo)下，我國(guó)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(wèn)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(lái)，共同交流和梳理信息科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)教育的知識(shí)體系與知識(shí)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(lái)自國(guó)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(guó)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(dòng)手能力與創(chuàng)新技能的叢書，希望為我國(guó)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(dòng)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(dòng)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(guò)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(guó)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(guó)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(hào)角，希望在它的鼓動(dòng)下，有更多的志士仁人關(guān)注我國(guó)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(guó)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(dòng)力來(lái)自對(duì)所學(xué)內(nèi)容的興趣，這是古今中外之共識(shí)。正如愛因斯坦所說(shuō)： 一頭貪婪的獅子，如果被人們強(qiáng)迫不斷進(jìn)食，也會(huì)失去對(duì)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(duì)周圍探索的興趣。在很多學(xué)生的眼中，已經(jīng)看不到對(duì)學(xué)習(xí)的渴望，他們無(wú)法享受學(xué)習(xí)帶來(lái)的樂(lè)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(guò)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(hào)中學(xué)習(xí)的過(guò)程，極易導(dǎo)致學(xué)生機(jī)械地記憶科學(xué)知識(shí)，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(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，不能滿足學(xué)生自身發(fā)展的需要和社會(huì)發(fā)展對(duì)創(chuàng)新人才的需求。
　　美國(guó)教育家杜威指出：成年人的認(rèn)識(shí)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(huì)取代傳授他人學(xué)問(wèn)的被動(dòng)的教育”。如何開發(fā)學(xué)生潛在的創(chuàng)造力，使他們對(duì)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(wèn)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(shí)的來(lái)源已經(jīng)不再局限于書本，他們每天面對(duì)大量的信息，這些信息可以來(lái)自網(wǎng)絡(luò)，也可以來(lái)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(mèng)想的舞臺(tái)，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(lái)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?cè)诙嗄甑膶?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(guò)本套叢書獲得對(duì)科技的興趣，產(chǎn)生創(chuàng)新與發(fā)明的動(dòng)力。

　　叢書編委會(huì)序

　　前言

　　樂(lè)高機(jī)器人的學(xué)習(xí)可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)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(lè)高機(jī)器人搭建圖，生動(dòng)地講解樂(lè)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(lè)高EV3機(jī)器人，它是樂(lè)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(jiǎn)單易學(xué)，能夠搭建出復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)。而且，樂(lè)高機(jī)器人使用圖形化的編程方式，對(duì)于機(jī)器人初學(xué)者來(lái)說(shuō)，是一個(gè)非常不錯(cuò)的學(xué)習(xí)平臺(tái)。
　　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(guò)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(wèn)題討論與作業(yè)設(shè)置。讓學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)探究是本書的教學(xué)理念。
　　對(duì)于中小學(xué)學(xué)生或者機(jī)器人初學(xué)者來(lái)說(shuō)，在學(xué)習(xí)完本書的課程后，能夠基本掌握樂(lè)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(duì)于學(xué)校機(jī)器人輔導(dǎo)教師來(lái)說(shuō)，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(dòng)，每一課都可以用2～3個(gè)學(xué)時(shí)去講授。
本書在撰寫過(guò)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(lè)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(duì)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