《機器人向?qū)А方虒W(xué)案例

● 案例概述

《機器人向?qū)А愤x自浙江省杭州市江干區(qū)信息技術(shù)學(xué)科區(qū)本課程“Swift程序設(shè)計與創(chuàng)意作品開發(fā)”。課程主要內(nèi)容包括Swift程序設(shè)計基礎(chǔ)、機器人指令創(chuàng)意開發(fā)兩個部分，課程實施前一部分使用iPad版的Swift Playgrounds作為開發(fā)環(huán)境進行編程學(xué)習(xí)與開發(fā)創(chuàng)作，后一部分則基于Dash實體機器人進行指令設(shè)計與開發(fā)。

● 教學(xué)設(shè)計

1.前期分析

本課的教學(xué)對象是小學(xué)五年級學(xué)生，在學(xué)習(xí)本課之前，學(xué)生已具備一定的信息技術(shù)學(xué)科知識與操作技能，其中8%的學(xué)生已經(jīng)系統(tǒng)學(xué)習(xí)過Scratch圖形化編程方法，9%的學(xué)生通過社團等渠道已經(jīng)有過實體機器人和傳感器開發(fā)基礎(chǔ)。

本課例的主要目標是讓學(xué)生掌握將iPad與實體機器人進行無線互聯(lián)并進行開發(fā)調(diào)試的方法，在此基礎(chǔ)上，利用先前所學(xué)的Swift語言基礎(chǔ)實現(xiàn)機器人直行、轉(zhuǎn)彎等動作指令。因為在之前的編程課程中，學(xué)生已經(jīng)習(xí)慣了屏幕輸出或數(shù)據(jù)線連接的開發(fā)環(huán)境，因此讓學(xué)生理解利用藍牙技術(shù)，將移動學(xué)習(xí)終端和機器人構(gòu)建無線連接的開發(fā)環(huán)境是達成本課目標的關(guān)鍵之處，也是難點所在。對于教師而言，一人一機的教學(xué)環(huán)境下的學(xué)生有效管理與指導(dǎo)，也是實施上的難點之一。

2.設(shè)計思路

結(jié)合本課的教學(xué)特點，筆者決定采用協(xié)作學(xué)習(xí)、任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)思路，即將開發(fā)技能的學(xué)習(xí)融入到循序漸進的開發(fā)任務(wù)之中。為了給不同學(xué)習(xí)起點的學(xué)生提供針對性的指導(dǎo)，本課利用Hiteach智慧教學(xué)系統(tǒng)實施教學(xué)，采用交互式一體機作為課堂的公共顯示屏幕，在教師和學(xué)生的iPad終端上分別安裝教學(xué)系統(tǒng)的教師端和學(xué)生端軟件，以借助系統(tǒng)的作品展示、屏幕廣播、即時反饋等功能，來實現(xiàn)對學(xué)生學(xué)情的及時把握與行為管理。此外，為便于小組協(xié)作學(xué)習(xí)活動的開展，本課也對教學(xué)空間進行了重組，利用活動桌椅為不同小組創(chuàng)設(shè)了活動空間（如圖1）。

3.教學(xué)過程

（1）新課導(dǎo)入，引出主題

本課是一個公開展示的課例，因此在課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)，教師提出了一個問題：前來聽課的外校老師對校園的布局還不熟悉，如何為他們觀摩課例、瀏覽校園等活動提供向?qū)?？就此，教師呈現(xiàn)了一張校園布局平面圖（如下頁圖2），并提議可以利用已經(jīng)學(xué)過的Swift程序設(shè)計技能，利用機器人來做校園向?qū)?，由此引出課題《機器人向?qū)А贰?/p>

（2）連接設(shè)備，初步感知

因為本課需要使用Swift驅(qū)動實體機器人，因此作為預(yù)備知識需要讓學(xué)生掌握正確取放機器人、將iPad與機器人互聯(lián)的方法。前者是為了避免教學(xué)過程中的設(shè)備損毀，后者則是本課后續(xù)開發(fā)實踐的前提。在取用方法上，教師通過呈現(xiàn)不同取用方法的圖片，利用教學(xué)系統(tǒng)中的即時反饋功能進行全班投票，再進行分析方式開展;而在設(shè)備互聯(lián)方法上，則采用教師操作演示的方式，并讓學(xué)生分組實踐，因設(shè)備尺寸較小，因此教師操作的過程采用無線投影的方式投射到一體機以便所有學(xué)生能清晰觀看。

設(shè)備連接之后，教師引導(dǎo)學(xué)生的注意力至一體機，講解并展示實現(xiàn)機器人前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)功能的4個程序語句——moveForward（）（前進）、moveBackward（）（后退）、turnLeft（）（左轉(zhuǎn)）、turnRight（）（右轉(zhuǎn)），并安排第一個實踐任務(wù)——讓學(xué)生分組協(xié)作測量一下機器人每執(zhí)行一次moveForward（）的行進距離。最終學(xué)生分組實踐，構(gòu)建了iPad與機器人的開發(fā)環(huán)境，并得出一次moveForward（）指令行進距離約為15厘米，就此為后續(xù)開發(fā)做好鋪墊。

（3）設(shè)計路線，編寫程序

在初步感知機器人后，教師依次提出本課的兩項實踐任務(wù)，要求學(xué)生以兩人為一小組的形式協(xié)作完成機器人系列巡視動作的實現(xiàn)，這一動作系列包括線性的動作序列、可以用循環(huán)結(jié)構(gòu)簡化的動作序列。

這樣的任務(wù)由淺及深，目的在于讓學(xué)生在循序漸進的問題解決中建構(gòu)實現(xiàn)巡視動作的程序表達。例如，第一個任務(wù)設(shè)計“大門→綜合南樓”的路徑，與學(xué)生分析需求之后，形成的機器人向?qū)Р襟E為：前進→右轉(zhuǎn)→前進→前進，轉(zhuǎn)化為Swift語句就是：moveForward（）→turnRight（）→moveForward（）→moveForward（）。第二個任務(wù)“沿校園雕塑繞行一周”雖依然可以序列的方式設(shè)計指令，但因為運動路徑是正方形的四邊，因此引導(dǎo)學(xué)生可以執(zhí)行4次“前進→右轉(zhuǎn)”的操作來實現(xiàn)，由此引入循環(huán)結(jié)構(gòu)的使用。

在此部分的教學(xué)序列上，采用分段教學(xué)的方式，即指導(dǎo)學(xué)生逐個完成實踐任務(wù)。在每一個實踐任務(wù)的教學(xué)組織上，先由師生互動分析需求，提出策略，之后學(xué)生以兩人小組的方式合作完成任務(wù)，待各小組完成任務(wù)之后，教師安排作品展示分享與經(jīng)驗小結(jié)環(huán)節(jié)，并給予優(yōu)勝小組積分獎勵。在這一環(huán)節(jié)的實施上，主要用到了教學(xué)系統(tǒng)中的教師屏幕廣播、即時反饋、學(xué)生作品提交、學(xué)生分組、計分器和計時器等功能。

（4）拓展思維，改進提高

經(jīng)過上述環(huán)節(jié)的教學(xué)，學(xué)生基本已經(jīng)達到了本課預(yù)設(shè)的目標，當然這些實踐任務(wù)只是現(xiàn)實情境的簡化，為引導(dǎo)學(xué)生更系統(tǒng)地思考機器人向?qū)гO(shè)計的影響因素，教師展示了現(xiàn)實生活中行人穿越馬路、交通堵塞等場景，引導(dǎo)學(xué)生思考解決策略。最終師生協(xié)商，提出需要增加機器人的避障功能和改變路線的功能，并導(dǎo)出本課的第三個實踐任務(wù)，即讀取超聲波傳感器的數(shù)據(jù)并進行條件判斷，由此引入分支結(jié)構(gòu)的使用，之后同樣由學(xué)生協(xié)作完善程序，實現(xiàn)避障功能。

（5）回顧總結(jié)，分享實例

此部分引導(dǎo)學(xué)生回顧本節(jié)課的三個實踐任務(wù)，說說本節(jié)課的收獲，教師適時補充完成課堂總結(jié)。在教學(xué)的最后，播放博物館中機器人向?qū)У囊曨l，引導(dǎo)學(xué)生拓寬視野，感受機器人、人工智能等在生活中的實際應(yīng)用，進一步鼓勵學(xué)生學(xué)會用計算機知識技能解決現(xiàn)實問題。

● 實施成效

新課程倡導(dǎo)學(xué)生主動參與、樂于探究、善于合作，本課通過富有挑戰(zhàn)但又新奇有趣的實踐任務(wù)，通過任務(wù)驅(qū)動、小組學(xué)習(xí)的方式開展實施，從學(xué)生學(xué)習(xí)的效果來看，所有的小組均通過自主開發(fā)、調(diào)試改進、同伴交流和教師指導(dǎo)，完成了三項實踐任務(wù)的指令開發(fā)，較好地實現(xiàn)了預(yù)設(shè)的教學(xué)目標。

此外，本課重組了課堂的物理教學(xué)空間，并借助機器人開發(fā)套件和智慧教學(xué)系統(tǒng)，將傳統(tǒng)師生授受式的課堂改變?yōu)橐粋€自由、協(xié)作、有趣的實踐場。而智慧教學(xué)系統(tǒng)中即時反饋、無線投影、屏幕廣播、作品提交等功能的整合，為師生和同伴間的互動、協(xié)作、指導(dǎo)提供了更大的靈活實施空間，也使得教師可以掌握每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)進展并提供個性化指導(dǎo)，提升了課堂教學(xué)的效率。

● 教學(xué)反思

《機器人向?qū)А芬徽n采用全新的編程語言Swift進行教學(xué)，基于Playgrounds編程APP，又以可愛的Dash機器人為載體，給學(xué)生帶來了感官上的沖擊，調(diào)動著學(xué)生們的探索熱情。通過此次參賽，筆者學(xué)到了很多，如恰當利用智慧教學(xué)系統(tǒng)中的技術(shù)功能達到即時傳遞互動、優(yōu)化展示效果等目的，從而輔助教學(xué)活動達成更好的效果。在課例展示與參加大賽的過程中，筆者也發(fā)現(xiàn)，在智慧教室環(huán)境下需要修煉和提升的地方還有很多，如如何設(shè)計能促進學(xué)生高階思維發(fā)展的半開放或開放性任務(wù)，如何有效評價學(xué)生的學(xué)習(xí)成果等。在本課多次磨課試教的過程中，通過多次不斷地探索新設(shè)備、新技術(shù)，不斷地對教學(xué)設(shè)計進行改良，筆者切身地感受到智慧教育永無止境，沒有最好，只有更好！

（本案例獲得2018年度“兩岸智慧好課堂”邀請賽三等獎）

案例點評：

孫秀芝老師執(zhí)教的《機器人向?qū)А愤@一課，在知識點分布上屬于“Swift程序設(shè)計與創(chuàng)意作品開發(fā)”課程中Swift程序設(shè)計部分內(nèi)容結(jié)束，過渡到機器人編程與創(chuàng)意作品開發(fā)部分的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，學(xué)生在這一內(nèi)容上能否掌握扎實的機器人編程方法與流程，并獲得良好的學(xué)習(xí)體驗，會影響到后續(xù)課程內(nèi)容的順利實施和學(xué)生自信心與熱情的保持。同時，本課的教學(xué)內(nèi)容比較豐富，既需要回顧Swift程序語言知識，也需要學(xué)習(xí)實體機器人開發(fā)環(huán)境創(chuàng)設(shè)、開發(fā)流程與基本指令的開發(fā)，因此對于執(zhí)教者是一個極大的挑戰(zhàn)。而這些挑戰(zhàn)，孫老師通過一項預(yù)備感知活動和三項循序漸進的實踐任務(wù)較好地進行了串接，試圖讓學(xué)生在過關(guān)闖將式的任務(wù)解決中拾級而上。

從教學(xué)的實施效果來看，所有的學(xué)生小組最終均順利地完成了實踐任務(wù)，較好地達成了預(yù)設(shè)的教學(xué)目標，并且這一結(jié)果通過智慧課堂技術(shù)系統(tǒng)中基于即時反饋系統(tǒng)的隨堂測評以及作品投遞功能進行了佐證。實際上在本課實施中，智慧課堂技術(shù)系統(tǒng)的助力不僅體現(xiàn)在對學(xué)生的全員評價環(huán)節(jié)，在內(nèi)容呈現(xiàn)、師生互動、課堂組織等方面也同樣提供了適切的支持，如無線投影技術(shù)在操作過程呈現(xiàn)的應(yīng)用，屏幕廣播與作品收集在教學(xué)展示和學(xué)情診斷中的應(yīng)用，分組與計分功能在引導(dǎo)小組協(xié)作學(xué)習(xí)中的應(yīng)用等。因此從某種意義上來說，正是這些技術(shù)手段優(yōu)化了這些在傳統(tǒng)課堂中費時費力的環(huán)節(jié)，才可以讓師生更加聚焦于知識建構(gòu)、技能習(xí)得的核心環(huán)節(jié)，而這也是本節(jié)課可以承載如此豐富的教學(xué)內(nèi)容的原因之一。當然，本課在教學(xué)流程設(shè)計上與傳統(tǒng)課堂比較接近，學(xué)生學(xué)習(xí)上比較整齊劃一，這可能是受教學(xué)內(nèi)容、展示活動等因素的限制，但也啟示我們，結(jié)合信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)中常見的學(xué)習(xí)者起點與基礎(chǔ)差異，開展多樣性教學(xué)，為不同層次的學(xué)生提供個性化的教學(xué)干預(yù)也是一個值得在后續(xù)實踐中持續(xù)關(guān)注的問題。

（點評人：浙江省金華市廣播電視大學(xué) 王一丹）