中小學(xué)智能機器人教學(xué)的創(chuàng)新實踐

劉朋飛

（杭州市文淵小學(xué)，浙江杭州310015）

中小學(xué)智能機器人教學(xué)的創(chuàng)新實踐

劉朋飛

（杭州市文淵小學(xué)，浙江杭州310015）

創(chuàng)客教育理念下，以智能機器人為載體，從學(xué)習(xí)活動設(shè)計和活動實施兩個層面出發(fā)，開展智能機器人教學(xué)。教學(xué)中遵循“小任務(wù)驅(qū)動，化復(fù)雜為簡單，搭建腳手架”設(shè)計思路，實施過程注重“合作探究，強化練習(xí)，反饋評價”等環(huán)節(jié)，不斷探索智能機器人教學(xué)的創(chuàng)新模式，并結(jié)合《投籃機器人》教學(xué)案例深入剖析，旨在提升中小學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力，也為今后深入開展創(chuàng)客教育夯實基礎(chǔ)。

智能機器人；創(chuàng)客；學(xué)習(xí)活動

一、問題的提出

智能機器人融合了機械、電子、傳感器、計算機軟件、硬件等多學(xué)科知識，是一個充滿神奇色彩的學(xué)習(xí)內(nèi)容。在學(xué)習(xí)活動的設(shè)計上需要立足于學(xué)生視角，把復(fù)雜的學(xué)習(xí)內(nèi)容分解成目標(biāo)明確的小任務(wù)，把復(fù)雜的學(xué)習(xí)過程通過搭建腳手架的方式使其簡單明了，做到在學(xué)生獲得科技知識和實踐能力的同時,激發(fā)他們的創(chuàng)新意識和創(chuàng)造發(fā)明的潛能，使其成為真正的“創(chuàng)客”。

同時，也不能一味的拔高學(xué)生的能力，忽略基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，只有量的積累才有質(zhì)的飛越，中小學(xué)智能機器人教學(xué)更要“化復(fù)雜為簡單”，使“創(chuàng)客”不再遙遠(yuǎn)。那么作為指導(dǎo)者，如何引領(lǐng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，激發(fā)他們主動探究，勤于思考，在智能機器人搭建和編程中學(xué)習(xí)，在快樂的活動體驗中學(xué)習(xí)，最終學(xué)會動手、學(xué)會分享、學(xué)會創(chuàng)造，針對這些問題筆者在日常教學(xué)中一直在探索實踐。

二、智能機器人教學(xué)的探索和創(chuàng)新

1.學(xué)習(xí)活動的設(shè)計

（1）化復(fù)雜為簡單，以小任務(wù)驅(qū)動

在充分分析學(xué)生已有知識技能的前提下，將復(fù)雜的學(xué)習(xí)任務(wù)轉(zhuǎn)化成簡單的而又相互聯(lián)系的小任務(wù)，這樣能大大降低任務(wù)完成的難度，既不超出學(xué)生能力之外，又不限于學(xué)生能力之內(nèi)，使學(xué)習(xí)任務(wù)真正具有“挑戰(zhàn)性”。小任務(wù)的呈現(xiàn)是具體的、可操作性的、有實際意義的完整任務(wù)，任務(wù)操作過程中提供“輔助性信息”和“程序性信息”，引導(dǎo)和促進(jìn)學(xué)生完成知識的建構(gòu)和重構(gòu)。值得注意的是學(xué)習(xí)任務(wù)的特征要和學(xué)生的操作緊密聯(lián)系，這樣能有效促進(jìn)知識技能學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生實現(xiàn)操作的熟練化?！锻痘@機器人》組編的學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)計如表1所示。

表1 《投籃機器人》組編的學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)計

（2）輔助性信息設(shè)計

輔助性信息是在機器人組編過程中用來解決如何完成學(xué)習(xí)任務(wù)的基礎(chǔ)性知識，一般傾向于理論知識。它是已有知識技能向?qū)⒁獙W(xué)習(xí)的知識技能過渡的連接紐帶；對將要學(xué)習(xí)的知識技能起鋪墊、指導(dǎo)和促進(jìn)的作用；促進(jìn)學(xué)習(xí)任務(wù)有效地完成。這些輔助性信息是學(xué)生和教師在邊學(xué)邊做，邊做邊學(xué)，不斷嘗試和探索中進(jìn)行的總結(jié)和分享。

表2 《投籃機器人》組編的輔助信息設(shè)計

（3）程序性信息設(shè)計

程序性信息是在機器人組編過程中隨時提供給學(xué)生的前提性信息，比如機器人設(shè)計搭建過程的直接說明、正確操作所必備的知識技能，諸如概念、原理、規(guī)則等。促使學(xué)生從已有能力上升到預(yù)期能力，順利完成搭建任務(wù)的操作。這些程序性信息是在學(xué)生為主，教師為輔的學(xué)習(xí)過程中總結(jié)出來的經(jīng)驗和技巧，有著即學(xué)即用、即用即學(xué)的組織形式。

表3 《投籃機器人》組編的程序性信息設(shè)計

（4）子任務(wù)練習(xí)設(shè)計

《投籃機器人》組編中，將每個課時里的具體的整體學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行歸類，可分為LDD建模，實體組裝，程序編寫和運行調(diào)試四大類任務(wù)，每類任務(wù)再細(xì)化，如表4所示。

針對每一大類任務(wù)，個性化設(shè)置子任務(wù)練習(xí)，子任務(wù)難度設(shè)置有高有低，適應(yīng)不同程度的學(xué)生，特別是面向有困難的、操作不熟練的學(xué)生。旨在強化他們的技能，幫助他們順利完成每一課時的學(xué)習(xí)任務(wù)，最終實現(xiàn)機器人精準(zhǔn)投籃這一相對復(fù)雜的學(xué)習(xí)任務(wù)。

2.學(xué)習(xí)活動的實施

根據(jù)《投籃機器人》組編的學(xué)習(xí)活動設(shè)計，學(xué)生在設(shè)計制作投籃機器人，實現(xiàn)精準(zhǔn)投籃的學(xué)習(xí)過程中，主要有以下5個操作要點：

表4 《投籃機器人》組編的子任務(wù)練習(xí)設(shè)計

（1）任務(wù)呈現(xiàn)。作為指導(dǎo)教師，應(yīng)該化復(fù)雜為簡單，向?qū)W生呈現(xiàn)出具體的、可操作性的，更是有實際意義的學(xué)習(xí)任務(wù)，就是使學(xué)生清楚要做什么，任務(wù)的難度要適中，充分把握學(xué)生最近發(fā)展區(qū)，使任務(wù)變得真正具有挑戰(zhàn)性，既不觸手可得也不望而生畏。

圖1 機器人投籃場地及投籃規(guī)則說明

如圖1所示，一開始就向?qū)W生提供任務(wù)的情景，如投籃場地的設(shè)置，具體到投籃機器人需要走什么樣的線路，在哪個位置投籃等等，也可以演示任務(wù)，創(chuàng)造出機器人投籃的情景，以此增加學(xué)生的學(xué)習(xí)情趣，提高他們的學(xué)習(xí)動機。同時更有利于他們針對學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行思考，比如，該如何完成學(xué)習(xí)任務(wù)，完成任務(wù)需要逐一解決什么問題，這些任務(wù)怎樣簡化，怎么統(tǒng)籌安排任務(wù)的學(xué)習(xí)。

（2）提供信息。任務(wù)呈現(xiàn)后，學(xué)生知道了要做什么，隨后便開始頭腦風(fēng)暴，集思廣益，思考該怎么做，形成自己的想法，與他人分享交流，探討解決問題的方案。通過生生、師生之間的討論，最終確定合理的解決問題、完成任務(wù)的思路，這一過程教師要及時引導(dǎo)，對于在任務(wù)完成中需要提供給學(xué)生的必要信息要及時呈現(xiàn)，以免學(xué)生走錯路，比如，在設(shè)計投籃機器人的移動基座時，可以向?qū)W生提供參考模型。如圖2所示，在“零件連接”沒有困惑的情況下，引導(dǎo)搭建牢固的移動基座，同時又要配合投籃裝置的靈活運作。

圖2 投籃機器人的移動基座參考模型

（3）合作探究。智能機器人的組編是一個相對復(fù)雜的學(xué)習(xí)過程，需要學(xué)生的合作學(xué)習(xí)，在任務(wù)的完成過程中，需要不斷的探討，是一個“設(shè)計—實踐—再設(shè)計—再實踐”的循環(huán)往復(fù)的過程，直至機器人調(diào)試成功，一個人的力量是微小的，思維有局限，想法也有限，因此需要2 至3人合作完成，這樣學(xué)生才能在相互否定的過程中產(chǎn)生思維碰撞，形成新的想法，開闊視野，對于拓展發(fā)散性思維固然有好處。當(dāng)然合作的過程，需要教師引導(dǎo)，幫助學(xué)生制定合理的合作規(guī)則，做到分工合理，人人要思考，人人要動手，使整個學(xué)習(xí)任務(wù)的完成過程協(xié)調(diào)有序，讓每個學(xué)生都能得到實踐能力的提高。

（4）強化練習(xí)。通過子任務(wù)的練習(xí)使學(xué)生達(dá)到熟練操作的程度。對于簡單的技能，直接重復(fù)操練至熟練即可。對于復(fù)雜的技能，實踐中發(fā)現(xiàn)要從最簡單的任務(wù)開始，逐漸增加任務(wù)難度，即遵循“簡單—復(fù)雜”問題序列，就是要從簡單到復(fù)雜的任務(wù)練習(xí)順序。

例如，在光電傳感器的程序設(shè)計編寫過程中，就要先設(shè)計編寫單光電傳感器的巡線程序，在程序調(diào)試成功后再嘗試設(shè)計編寫雙光電傳感器的巡線程序，使投籃機器人的巡線動作更加精準(zhǔn)，為后續(xù)的精準(zhǔn)投籃做準(zhǔn)備。

在學(xué)習(xí)過程中選用交替式的子任務(wù)練習(xí)搭配，即任務(wù)一/練習(xí)1，任務(wù)二/練習(xí)2……比如，某一學(xué)生在搭建投籃機器人移動基座的時候有困難，那么在分析出原因之后，可以針對性的進(jìn)行子任務(wù)練習(xí)“LDD建模軟件的基本操作”、“常見零件的虛擬拼裝操作”或“牢固的移動基座搭建”。

圖3 機器人精準(zhǔn)投籃的視頻連拍

圖3 機器人精準(zhǔn)投籃的視頻連拍

（5）反饋評價。利用手機，對學(xué)生的制作過程進(jìn)行拍照和拍攝，形成照片和微視頻，通過最常用的QQ軟件，將手機和電腦互連，實現(xiàn)無線傳送，非常方便快捷，能即時高效地將學(xué)生制作過程的照片、微視頻通過教室的多媒體系統(tǒng)實時向全體學(xué)生展示，如圖4所示。

圖4 學(xué)生制作調(diào)試機器人的照片和視頻

三、實踐總結(jié)

在教學(xué)實踐探索中，根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成情況以及在學(xué)生實際搭建、編程過程中的表現(xiàn)來看，學(xué)生在充滿趣味性的主題情景中，通過清晰明了的學(xué)習(xí)任務(wù)驅(qū)動，輔助信息、程序性信息的幫助，子任務(wù)練習(xí)的強化，復(fù)雜的問題具體化、簡單化，充分調(diào)動了學(xué)習(xí)積極性，學(xué)生很容易上手搭建，再利用計算機和圖形化的編程軟件編寫機器人程序，為機器人創(chuàng)造智能，這樣的學(xué)習(xí)活動，充分發(fā)揮了學(xué)生的天性和個性，符合他們的身心發(fā)展特點，因此對機器人的學(xué)習(xí)更加充滿了興趣，所有更加勤于動手、樂于思考。

在做中學(xué)，玩中學(xué)，由簡到難挑戰(zhàn)不同類型任務(wù)，這需要學(xué)生動腦設(shè)計，動手實踐，根據(jù)實踐情況，再重新設(shè)計矯正，再去實踐，這樣循環(huán)往復(fù)直至調(diào)試成功，不僅提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，還提高了他們動手實踐的能力，同時有利于培養(yǎng)他們的發(fā)散性思維和創(chuàng)新意識。在實際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生動手操作能力差異性比較大，今后的教學(xué)中如何更好的關(guān)注差異，使?jié)夂竦膶W(xué)習(xí)興趣促成學(xué)習(xí)能力的提升，在課堂教學(xué)上還需要不斷的探索實踐。

1.任務(wù)呈現(xiàn)要清晰。要把復(fù)雜的機器人搭建編程任務(wù)化解成子任務(wù)，不能太難也不能太簡單，否則學(xué)生會失去實踐操作的興趣，要向?qū)W生呈現(xiàn)出具體的、可操作性的任務(wù)，就是使學(xué)生清楚要做什么，進(jìn)而引發(fā)如何做的思維碰撞。

2.幫助信息要得當(dāng)。針對學(xué)生易理解的內(nèi)容，教師可以不提供或少提供，引導(dǎo)學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問題，自己解決問題；而對于一些較難的知識要有針對性地提供信息支持，此外，在學(xué)生實際操作時，教師需要加強巡視，及時幫助學(xué)生解決搭建和編程中的疑難問題。

3.強化練習(xí)要到位。不是所有的子任務(wù)學(xué)習(xí)都要練習(xí)，而是哪里薄弱，強化哪方面的練習(xí)，最終實現(xiàn)技能的熟練，這樣在搭建編程智能機器人時才能游刃有余。

4.反饋評價要即時。實踐操作中拍攝的視頻和照片使用“手機-電腦”這樣無線方式傳輸，然后再通過投影儀實時展示，這樣的評價手段方便快捷，能夠即時反饋，即時修正，即時評價，大大提高學(xué)生搭建和編程的積極性。

5.合作探究要引導(dǎo)。不是放手不管，而是要善于觀察學(xué)生的困惑，做有針對性的幫助，特別是小組合作探究中學(xué)生不能解決的問題教師一定要及時指導(dǎo)，否則制作智能機器人這樣比較高精度的任務(wù)很難順利完成。

四、啟示與建議

1.任務(wù)導(dǎo)向，巧妙留白

脫離任務(wù)情景來學(xué)習(xí)智能機器人是枯燥的、茫然的，將學(xué)習(xí)內(nèi)容轉(zhuǎn)化成挑戰(zhàn)性任務(wù)。向?qū)W生呈現(xiàn)出具體的、可操作性的，更是有實際意義的學(xué)習(xí)任務(wù)，就是充分把握學(xué)生最近發(fā)展區(qū)，使任務(wù)變得真正具有挑戰(zhàn)性，既不觸手可得也不望而生畏。值得注意的是，任務(wù)的操作過程中，教師要適當(dāng)提供幫助，為學(xué)生順利完成任務(wù)搭建“腳手架”，但并不是所有的任務(wù)都要由教師提供幫助，適時引導(dǎo)，留有空白，激發(fā)學(xué)生思考，利于學(xué)生創(chuàng)造性思維的養(yǎng)成。

2.同伴教育，示范引領(lǐng)

你有一個蘋果，我有一個蘋果，交換后各自還是只有一個蘋果，但是你有一個想法，我有一個想法，交換后各自卻有了兩個想法。在機器人的學(xué)習(xí)動手實踐操作上，同伴之間相互學(xué)習(xí)，學(xué)生用自己的方式去教同伴，就是“兵教兵”的模式，因為他們的表達(dá)、他們的思維相互更接近，相互更容易理解，教師去指導(dǎo)要用10句話解說，而學(xué)生去指導(dǎo)只用1句話解說就達(dá)到同樣效果。當(dāng)然這并不是說教師任性地“放羊”，要做到示范引領(lǐng)，以免學(xué)生走錯路。

3.動態(tài)評價，實時反饋

利用“手機+無線網(wǎng)絡(luò)+QQ在線+計算機/大屏幕”的方式展示智能機器人搭建、編程、運行、調(diào)試的動態(tài)過程，實時反饋提升分析問題解決問題的有效性。（1）學(xué)生典型的操作錯誤，以照片的形式通過投影儀展示，這樣更加直觀形象，易引發(fā)學(xué)生共鳴，進(jìn)而思考糾正，最終形成正確操作。（2）學(xué)生做的好的地方，比如結(jié)構(gòu)搭建的方法很新穎，程序編寫的有創(chuàng)意，通過這樣的展示，能夠激勵學(xué)生更好地完成任務(wù)，同時鞭策其他學(xué)生學(xué)習(xí)。（3）將學(xué)生的實踐操作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)拍攝下來，以微視頻的形式實時上傳至云盤，一方面記錄了學(xué)生學(xué)習(xí)成長的過程，起到激勵作用，另一方面，以視頻的形式存儲下來，有利于學(xué)生查缺補漏，從視頻中找問題，從視頻中解決問題。

4.充分自主，創(chuàng)新啟智

在充滿趣味性的主題情景中，通過清晰明了的學(xué)習(xí)任務(wù)驅(qū)動，輔助信息、程序性信息的幫助，子任務(wù)練習(xí)的強化，復(fù)雜的問題具體化、簡單化，充分調(diào)動了學(xué)習(xí)積極性，學(xué)生很容易上手搭建，再利用計算機和圖形化的編程軟件編寫機器人程序，為機器人創(chuàng)造智能，這樣的學(xué)習(xí)活動，充分發(fā)揮了學(xué)生的天性和個性，符合他們的身心發(fā)展特點，使學(xué)生在充滿了興趣的氛圍中自主學(xué)習(xí)。

場景式的完成各種各樣的任務(wù)，由簡到難挑戰(zhàn)不同類型任務(wù)，這需要學(xué)生動腦設(shè)計，動手實踐，根據(jù)實踐情況，再重新設(shè)計矯正，再去實踐，這樣循環(huán)往復(fù)直至調(diào)試成功，不僅提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，還提高了他們動手實踐的能力，同時有利于培養(yǎng)他們的發(fā)散性思維和創(chuàng)新意識。

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（編輯：郭桂真）

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1673-8454（2017）12-0010-04