入境生情，開啟中學機器人教學“情”模式

方少芹 魏爍佳

前不久，被譽為“90后馬云”的“禮物說”CEO溫城輝返回高中母校與全校師生分享他創業成長的體驗，在演講中，溫城輝提到高中時代參與機器人活動大大提升了自己的創新能力。溫城輝的成長讓我們想起許多學生，他們在中小學階段因參與機器人活動，與機器人結緣，從此有了不一樣的人生軌跡。細數起來，本地區開展機器人教育活動已有十一年的光陰，追蹤在機器人活動中成長起來的孩子，他們的成長比同齡人更有優勢。究竟是什么讓參加機器人活動的孩子更加優秀？如何讓參與活動的孩子獲得更大的發展呢？當我們叩問這兩個問題時，“不忘初衷，方得始終”這句話漫上心頭。的確，“不忘初衷”的教育情懷讓機器人教育不僅關注孩子們在機器人技術上習得的情況和動手能力的培養，更關注孩子們面對困難的態度、應對問題的策略、與人合作的能力、創新品質的培養、科學素養的提升以及運用技術解決問題的世界觀。基于這樣的認識，我們的機器人教育發乎于情，形成了“入境生情—獲取新知—探究創作—分享反思”的教學模式，踐行了機器人教育的初衷，取得了較好的育人效果。

● 入境生情

2016年3月15日，谷歌圍棋人工智能程序AlphaGo以高超的運算能力和縝密的邏輯判斷，4：1擊敗世界圍棋的頂尖高手李世石，讓世人對新一代人工智能刮目相看。AlphaGo的勝利，再一次激發了機器人教育工作者的使命感。因此，對機器人教育工作者來說，今天對機器人愛好者情感態度與價值觀的引領比以往任何時候都重要。那么，我們在開展機器人教學時應如何培養學生的情感態度與價值觀呢？

1.精心選取教學載體

用于引入教學情境的教學載體應具備三方面功用：一是明確學習內容，激發學習興趣；二是引發學生對機器人與人類生活聯系的思考；三是打開學生創造的思維。

在教學中，我們發現對同齡人的優秀作品，學生最感興趣，而大師級的優秀作品，對拓展學生的創造思路和提升作品的質量最有裨益。需要強調的是，作為教學引入的情境，必須與學生的生活相關，即來自真實的情境，這樣才能在最短的時間內喚起學生的共情，激發學生的社會責任感，讓學生愿意專注于所學的內容。例如，智能垃圾分類收集、五水共治等機器人項目能夠引發學生對利用智能機器人開展環境保護與治理的設想；汽車總動員、智能快遞等項目能夠讓學生暢想未來無人駕駛高智能交通工具給生活帶來的美好與便利；等等。這些環節是為學生種下類似“友善的超人工智能價值觀”的情懷的合適時機。

引入新課之后，教師呈現的第二份教學載體是本課學生需要完成的任務。機器人教學中交給學生完成的任務應當是開放性的，每位學生都可以擁有自己的想法和解決問題的方法。例如，讓學生設計一個讓機器人對垃圾進行分類收集的方案，學生有的想把所有的垃圾收集到回收站再逐一分類，有的則想讓機器人將垃圾一邊進行分類，一邊收集。又如，機器人巡線行走，學生可以根據地圖環境自行選擇距離傳感器、灰度傳感器、指南針等配件設計單邊或雙邊巡線的程序算法。像這樣開放性的任務，有利于保持學生思維的靈活與開闊。

2.精心運用教學語言

學生思想的高度、深度與開闊程度，取決于教師對學生的期許以及教師個人的審美，而教師對學生的期許以及教師個人的審美往往通過教學語言來達成，因此，教師在情境導向中一定要重視教學語言的提煉，以便讓學生在簡潔易懂、溫暖美好、開闊暢達的語境中學習。特別是在創作引導上，教學語言的指引尤為重要，學生學習的信心及創造性思維的靈活度將由此生發。

例如，在教學《機器人走迷宮》時，我們這樣引入新課：“同學們，今天我們將設計一款機器人，幫助視力殘疾人士方便而安全地在室內行走。”接著指引學生思考：“想象一下，假設教室未擺放桌椅，蒙上眼睛，你能從前門準確地走到后門嗎？”在問題的導引下，學生很快由生活常識用手摸著墻壁行走得出利用紅外距離傳感器引導機器人貼著墻壁走的策略。教師接著問：“再想想，一只手摸著墻壁走，有沒有可能撞上墻壁？另一只手能否也來輔助？來，比一比如何輔助。”教師拓展性的問題帶來的結果是學生主動進階思考當出現90度拐角時，如何用正前方避障法防止機器人“碰壁”。當師生的對話催生出學生解決問題的策略后，教師提出期望：“技術與智慧的結合能讓我們做許多有意義的事情。老師希望同學們能在今天所掌握的知識的基礎上，設計出能識別更復雜環境的機器人，讓機器人在室外也能為視力殘疾人士導航。”

● 獲取知識

學生明確學習任務后，接下來要做的事情就是對自己的知識結構進行分析，已經掌握的知識與技能是否能解決問題，如果不能，是聽老師講解還是與伙伴進行研討以獲取問題解決所需的知識與技能。這個環節教師要準備好多種學習資源，以支撐學生的自主建構。對于學生自己摸索耗時較多的知識點，教師應作適當的講解。對部分掌握知識點較遲緩的學生，教師可以提供微課、文檔等資源供學生自主學習。對少數自主學習有困難的學生，教師可通過同伴互助或親自指導的方式，讓學生能掌握解決問題應具備的知識與技能。

例如，講授《認識機器人的感覺器官——傳感器》一課時，可以讓學生將亮度傳感器置于手電筒光源下、室內、室外等光線強度不同的環境中，記錄返回的數值范圍，掌握改變外部環境因素檢測傳感器的通用方法。然后提供微課資源，讓學生分組自行探究學習灰度、距離、聲音、指南針等傳感器的使用。最后各組匯報交流實驗結果。

在習得新的知識與技能之后，教師應引導學生思考問題解決的策略，分析其中隱含著的思想方法。如在“九宮樂園”項目的學習中，教師可引導學生通過體味優秀范例程序或自主嘗試，小組討論得出其中所隱藏的策略，讓學生總結出“快、穩、準”三種程序設計策略：巡線和滅火求“快”，否則時間可能不夠；伐木環節應“穩”，此區域線路細且模糊，穩定是關鍵，速度是其次；計數辨路環節貴在“準”，用好碰撞偵測準確計數是辨路的前提。在機器人學習過程中，策略既是智慧的外顯，又是經驗的整合；既強調實現目標方法的多元，又強調能根據實際情況靈活調整行動方案。因此，教師應重視培養學生掌握解決問題的策略。

學生在形成解決問題的初步策略的同時，還要判斷自己所擁有的資源是否滿足創作需求。若未滿足，繼續尋找；若已經滿足，則可以進入機器人制作與程序設計的創作階段。

● 探究創作

在探究創作階段，學生的主要行動是規劃問題解決方案和實施方案解決問題。規劃問題解決方案是承上啟下的，學生在自主規劃問題解決方案前，對問題大抵已經有了應對的策略，當下要做的就是將思想策略轉化為可落實的方案并運用所學的知識與技能將其實現。如前文提到九宮樂園計數辨路策略的實現，如果學生習慣性用碰撞感應器進行簡單碰撞記錄，他們將會遇到出現障礙物被撞開前有多次碰撞記錄的情況，必須從替換其他傳感器或程序算法修改的角度去完善。這是一個將想法變成現實的創造過程，學生在這一過程中將得到多方面的鍛煉。

在學生努力實現方案時，教師應特別關注學生面對困難的情緒、與同伴合作的融洽程度以及創新度。這是因為在機器人的學習過程中問題總是層出不窮，這些問題可能出現在程序設計過程中，也可能出現在調試過程中。調試過程中的問題往往在學生的意料之外，因為機器人對周圍環境的要求較高，光、磁場、場地的平滑度等都會影響機器人的行為，學生必須自己耐心地找出問題的所在，然后再想辦法來應對。這個過程需要不斷修改機器人程序的參數，然后實驗……這樣的調試過程常常要重復幾十到幾百次。一直重復同一件事情難免會產生負面情緒，如厭倦、煩躁、抱怨等。這時，教師及時的鼓勵與點撥非常重要。學生只要多經歷幾次這樣的柳暗花明，直面困難與挑戰的信心就會增加，而這種品質是可以直接遷移到其他學科的學習和生活中去的。

另外，在學習機器人的過程中，同伴的合作尤為重要，許多機器人項目都是需要兩人或兩人以上合作完成的，在合作的過程中，互幫互學、共同成長。對于大部分是獨生子女的學生而言，合作并非易事，大部分學生需要許多次磨合才能達到融洽。在學生合作的過程中，教師要用心感受學生情緒的變化，在學生各執己見矛盾激化時，要引導學生用包容的心態去審視對方的想法，學會吸納對方的長處，從而形成更有利于解決問題的方案。

富有創新精神的學生，其解決問題的方案自有特別之處，但學生自己可能并不知道。在學生實施方案解決問題時，教師要及時發現方案的優勢，通過點評或點贊的方式，讓學生感受到創新的價值，從而讓創新成為學生的自覺追求。

● 分享反思

問題得到解決，方案塵埃落定，接下來學生要做的事情是分享學習成果，接受同伴及教師評價，并根據評價反思、優化作品。

評價環節最有利于培養學生的綜合素質。從介紹成果的語言表達，到評價過程中對審美和創新的把握，再到反思不足，確定優化方向，對投入其中的學生，這不啻一次成長蛻變的過程。這個過程也是教師雕塑學生美好情懷的契機，學生對機器人的態度以及運用技術設計生活的情懷將在這里啟程。近幾年，隨著RTEC創意闖關項目和創意機器人項目的興起，我們留意到，善于分享與反思的學生往往能自信且到位地展現他們作品的獨到之處，面對老師的提問也能從容且有條理地陳述從設想到實現項目的漫長過程。學生此時的表現就離不開平時學習機器人的過程中所養成的展示、分享的態度和習慣。

● 結語

自2006年與機器人結緣，11年的經歷讓我們看到了機器人活動對學生的長久影響。從直接收獲來看，學生在學習機器人的過程中動手能力和解決問題的能力得到了提升，面對問題的態度和團隊合作能力得到了改善，這對數理學科的后續學習幫助很大；從長遠來看，學生經過機器人學習的磨練，其思維方式、抗挫能力、創新精神及創新能力明顯優于同齡人。最早參加機器人活動的那批學生，他們的學業和事業都同樣出色。今年正好是人工智能誕生60周年，站在承接歷史、展望未來的門檻，我們愿盡自己的微薄之力，繼續讓機器人融入中小學生的學習之旅。