基于數(shù)學任務情境的樂高機器人課程初探

邱雅番

摘 要 隨著機器人教育在我國基礎教育的不斷探索與實踐，機器人走進了中小學的課堂，走進了不同的學科。筆者通過研讀小學數(shù)學教材，以新課程標準為依據(jù)，將數(shù)學與機器人教學結合，設計出基于數(shù)學任務情境下的機器人課程，旨在讓學生通過機器人制作與任務完成，形成數(shù)學學習的積極性和主動性。對一線從事機器人教育的教師具有一定的參考價值和實踐指導意義。

關鍵詞 機器人與數(shù)學 樂高機器人 情境教學

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

Lego Robotics Course Based on Mathematical Task Situation

QIU Yafan

(School of Education, Fujian Normal University, Fuzhou, Fujian 350007)

Abstract Robotics education in basic education in China continues to explore and practice, the robot into the primary and secondary school classroom, into the different disciplines. Through the study of elementary school mathematics textbooks, the new curriculum standards based on the combination of mathematics and robot teaching robotics curriculum design based on the context of mathematical tasks, designed to allow students to be completed by robot production and tasks, the formation of mathematics learning enthusiasm and initiative. First-line robot education teachers with a certain reference value and practical significance.

Key words robot and mathematics; Lego Robotics; situational teaching

當前，已經(jīng)有越來越多的英國教育專家強調(diào)指出，以往小學數(shù)學內(nèi)容枯燥，缺乏適宜的教學方法，很難激勵孩子們的學習興趣。①對于我國來說，在新課改之前存在同樣的情形。但隨著近年來課程改革的不斷進展，數(shù)學的新課標強調(diào)重視學生的經(jīng)驗、強調(diào)數(shù)學內(nèi)容要通過問題情境引入、強調(diào)讓學生經(jīng)歷解決問題的過程，這就使得數(shù)學的應用，從傳統(tǒng)上數(shù)學課程內(nèi)容的終端，一下子置換到了起點。②秉著新課程的這個理念下，筆者嘗試將中小學盛行的機器人融入到小學數(shù)學的教學中，以此來討論機器人對提高學生數(shù)學學習興趣和促進數(shù)學知識理解和應用方面的影響。

1 機器人與數(shù)學整合的理念

1.1 機器人做中學的理念

隨著近年來，機器人教育在我國基礎教育的不斷探索與實踐，機器人教育從機器人競賽逐漸走向了機器人教學與教育研究。機器人的教育價值使它既可以作為家庭的益智玩具，也可以作為學校課外活動的載體，還可以作為基礎教育課程的載體。③建構主義是指從自己的經(jīng)歷和思考中建立自己的知識和表征的觀點。④這啟示我們，在數(shù)學的學習過程，也應該提供給學生去經(jīng)歷、去思考的平臺和機會，在已有經(jīng)驗的基礎上建構起新的知識體系。而機器人活動不僅讓學生擁有高昂的學習樂趣，更提供了他們進行主動建構知識的平臺。

1.2 在有意義的情境中學習數(shù)學

賈斯珀系列（Jasper series）是20世紀80年代以來美國建構主義教學模式的典范案例之一。其中，他們提出了惰性知識的概念：指人們刻意回憶時能夠回憶起來的知識，但這種知識卻不能被自發(fā)地用來解決問題。而克服惰性知識的形成的其中一個手段就是在有意義的情境中學習。⑤因此，如果還沿用傳統(tǒng)的數(shù)學教學模式，無疑產(chǎn)生了大量的惰性知識。

機器人與數(shù)學課程的整合理念恰恰就是想讓孩子們把學到的數(shù)學惰性知識通過應用轉化成活的知識，去解決生活的問題。我們不在于讓學生只學數(shù)學，而在于教他們用數(shù)學去解決他們的問題。

2 機器人與數(shù)學的課程設計

表1 機器人與數(shù)學課程目錄

選擇樂高這一國際品牌的教育機器人套裝的NXT藍牙機器人系列，以及配套的圖形化編程軟件作為開展此活動的機器人載體。在研讀小學數(shù)學三年級至六年級的課本，以及教學參考書和新課程小學數(shù)學標準，了解小學生數(shù)學知識應用狀況的基礎上，選擇適合與機器人教學融合的教學內(nèi)容，設計出基于數(shù)學任務情境下的機器人教學課題，如表1所示。

第一章主要任務是：制作一臺機器人，并編寫一個程序，讓機器人逐步完成自動計時、測距、計速的功能，并將結果轉換成一定的單位顯示到NXT控制器的屏幕上。掌握這些之后，進行出租車計價器的綜合設計，應用路程與單價的關系簡單地實現(xiàn)價格的計算，并同步在屏幕上顯示（如圖1）。本章涉及到的數(shù)學知識：圓的周長（小學數(shù)學六年級上冊）、乘（小數(shù)）、除（小數(shù)）、毫秒、路程、速度等數(shù)學概念和公式，應用到的編程模塊有：定時器模塊、變量模塊、數(shù)學模塊、數(shù)字轉文本模塊，以及各模塊之間數(shù)據(jù)連接。自動測距的參考程序如圖2所示。

圖1 出租車計價器在NXT屏幕顯示的效果及公式

圖2 自動測距參考程序

第二章主要任務是：制作一臺可以數(shù)出地上有幾條黑線的機器人。設計思路是機器人采集到黑線后變量自動加一，然后循環(huán)進行，實現(xiàn)變量中的數(shù)字不斷累加（程序如圖3）。在實現(xiàn)數(shù)線的基礎上增加數(shù)字判斷：進行定線舉旗、定線踢球等趣味性、競爭性的活動。

圖3 機器人數(shù)線、并進行定線舉旗的參考程序

第三部分主要任務是：在NXT控制器屏幕上顯示點、線、圖形，以及動態(tài)地顯示動畫形象。本節(jié)最主要涉及到的數(shù)學知識：位置（六年級上冊第一單元），而這個知識為以后學習坐標、函數(shù)的學習做很大的鋪墊。比如一個點的坐標是A（x,y），當y不變，x循環(huán)加一，這個點的運動軌跡就是一條橫線，那如何讓軌跡就變成一條豎線呢？如果x+1，y+1，或者x+1，y+2進行循環(huán)累加呢？如果把點換成一只小鳥，一個小人又會怎樣呢？這樣就激發(fā)了學生的大膽想象，各種有趣的動畫就產(chǎn)生了。這里需要第三方開發(fā)的一個共享軟件nxtRICedit.exe，可以隨意畫出自己的圖片素材和中文，然后導出、添加到NXT軟件目錄下的圖片庫中即可實現(xiàn)編程了（圖4）。

圖4 學生在nxtRICedit軟件中設計 “憤怒的小鳥”形象

第四部分主要任務是回顧前面所學的各種數(shù)學知識和編程知識，提出自己的設計項目然后在團隊合作下實現(xiàn)它。例如：同學進行了憤怒小鳥簡單版游戲的設計、打地鼠游戲、自動升旗裝置、出租車計價器升級版等作品。

3 機器人與數(shù)學課程的實施建議

《機器人與數(shù)學》是在數(shù)學任務情境的驅(qū)動下，以機器人課程的形式，學生通過機器人平臺、搭建機器人模型、設計程序，應用數(shù)學知識完成任務的課程。實施本課程過程中，需要考慮以下條件：

（1）設備的要求。NXT機器人套裝數(shù)目根據(jù)學生人數(shù)配備，兩人一套，盡量采用小班化教學，以不超過20人為宜。

（2）對學生能力的要求。要求學生在樂高機器人結構搭建和基礎編程方面有一定基礎，學段最好在四年級以上。

（3）對工程手冊的要求。一個團隊的整個工程設計過程是非常重要的。因此要求每位學生每堂課都要填寫工程手冊，包含以下內(nèi)容：本節(jié)課任務、可能用到的數(shù)學知識和編程知識、程序流程圖、設計進展和過程、成果描述、自我評價、家長評價、指導教師評語。

（4）課程環(huán)節(jié)力求能夠做到貫穿于課前、課中、課后。課前預習，通過搜集資料尋找解決問題需要的數(shù)學知識。課中分享與應用，在師生的頭腦風暴下分析問題，在機器人設備的支持下解決問題。課后反思：教師上傳課堂照片、課程資料等到各學生博客上，以供學生和家長在博客上提出問題、寫感受、寫評價等。

4 總結與反思

本課程已經(jīng)在福州市創(chuàng)未來機器人培訓學校的課程中進行了實施。通過教師的多次實踐和改進，本課程獲得了一定的成效，總結在以下幾方面起到了積極的作用：運用機器人教學設備提供的親身搭建、感知，團隊合作，逼真的數(shù)學學習情境，使學生在不斷的任務解決中，實現(xiàn)對數(shù)學知識的應用；通過不斷的提出問題與解決問題，從而建構出分析、解決問題的方法；通過不斷地提出一些挑戰(zhàn)性的問題，鼓勵學生不斷的提出自己的學習目標；通過復雜的任務情境，將分散的數(shù)學知識點串聯(lián)起來，進行數(shù)學知識的綜合應用；在頭腦風暴的學習氛圍中，學會互相尊重，學會團隊合作與溝通。

同時，本課程存在著一定的局限性。正如格拉摩根大學一位專家家指出，雖然教學實踐表明人工智能機器人肯定能吸引小學生積極參與和有目的探究相關的數(shù)學知識，但這并不是說，機器人必然會永遠保持高度吸引力。⑥我們教師在嘗試把機器人作為吸引他們興趣、承載知識的一個載體，但是它不是學習目的。而本文提出的機器人與數(shù)學課程存在內(nèi)容還不夠豐富，與數(shù)學知識的整合還不夠全面，機器人編程難度較大等問題，在此希望其他一線教師和業(yè)內(nèi)人士予以補充、指正，使機器人與學科的整合能夠得到更好的發(fā)展。

注釋

①⑥章鵬遠.人工智能機器人與小學數(shù)學教學[J].小學教學研究,2005(6)

② 余文森.個體知識與公共知識——課程變革的知識基礎研究[M].北京:教育科學出版社,2010.4:252.

③ 王益,張劍平.美國機器人教育的特點及其啟示[J],現(xiàn)代教育技術,2007(11).

④ (美)馬丁(Martin,D.J.).建構兒童的科學:探究過程導向的科學教育[M].北京:北京師范大學出版社,2006:200.

⑤ 王文靜,鄭秋賢.賈斯珀系列──基于情境認知的美國數(shù)學學習案例研究[J].教育發(fā)展研究,2001(8).