入境生情，開啟中學(xué)機器人教學(xué)“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(chuàng)業(yè)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(chuàng)新能力。溫城輝的成長讓我們想起許多學(xué)生，他們在中小學(xué)階段因參與機器人活動，與機器人結(jié)緣，從此有了不一樣的人生軌跡。細(xì)數(shù)起來，本地區(qū)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(yōu)勢。究竟是什么讓參加機器人活動的孩子更加優(yōu)秀？如何讓參與活動的孩子獲得更大的發(fā)展呢？當(dāng)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(guān)注孩子們在機器人技術(shù)上習(xí)得的情況和動手能力的培養(yǎng)，更關(guān)注孩子們面對困難的態(tài)度、應(yīng)對問題的策略、與人合作的能力、創(chuàng)新品質(zhì)的培養(yǎng)、科學(xué)素養(yǎng)的提升以及運用技術(shù)解決問題的世界觀。基于這樣的認(rèn)識，我們的機器人教育發(fā)乎于情，形成了“入境生情—獲取新知—探究創(chuàng)作—分享反思”的教學(xué)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(fā)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(tài)度與價值觀的引領(lǐng)比以往任何時候都重要。那么，我們在開展機器人教學(xué)時應(yīng)如何培養(yǎng)學(xué)生的情感態(tài)度與價值觀呢？

1.精心選取教學(xué)載體

用于引入教學(xué)情境的教學(xué)載體應(yīng)具備三方面功用：一是明確學(xué)習(xí)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；二是引發(fā)學(xué)生對機器人與人類生活聯(lián)系的思考；三是打開學(xué)生創(chuàng)造的思維。

在教學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)對同齡人的優(yōu)秀作品，學(xué)生最感興趣，而大師級的優(yōu)秀作品，對拓展學(xué)生的創(chuàng)造思路和提升作品的質(zhì)量最有裨益。需要強調(diào)的是，作為教學(xué)引入的情境，必須與學(xué)生的生活相關(guān)，即來自真實的情境，這樣才能在最短的時間內(nèi)喚起學(xué)生的共情，激發(fā)學(xué)生的社會責(zé)任感，讓學(xué)生愿意專注于所學(xué)的內(nèi)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(fā)學(xué)生對利用智能機器人開展環(huán)境保護與治理的設(shè)想；汽車總動員、智能快遞等項目能夠讓學(xué)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(huán)節(jié)是為學(xué)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(xiàn)的第二份教學(xué)載體是本課學(xué)生需要完成的任務(wù)。機器人教學(xué)中交給學(xué)生完成的任務(wù)應(yīng)當(dāng)是開放性的，每位學(xué)生都可以擁有自己的想法和解決問題的方法。例如，讓學(xué)生設(shè)計一個讓機器人對垃圾進行分類收集的方案，學(xué)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(xué)生可以根據(jù)地圖環(huán)境自行選擇距離傳感器、灰度傳感器、指南針等配件設(shè)計單邊或雙邊巡線的程序算法。像這樣開放性的任務(wù)，有利于保持學(xué)生思維的靈活與開闊。

2.精心運用教學(xué)語言

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

例如，在教學(xué)《機器人走迷宮》時，我們這樣引入新課：“同學(xué)們，今天我們將設(shè)計一款機器人，幫助視力殘疾人士方便而安全地在室內(nèi)行走?！苯又敢龑W(xué)生思考：“想象一下，假設(shè)教室未擺放桌椅，蒙上眼睛，你能從前門準(zhǔn)確地走到后門嗎？”在問題的導(dǎo)引下，學(xué)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(dǎo)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(jié)果是學(xué)生主動進階思考當(dāng)出現(xiàn)90度拐角時，如何用正前方避障法防止機器人“碰壁”。當(dāng)師生的對話催生出學(xué)生解決問題的策略后，教師提出期望：“技術(shù)與智慧的結(jié)合能讓我們做許多有意義的事情。老師希望同學(xué)們能在今天所掌握的知識的基礎(chǔ)上，設(shè)計出能識別更復(fù)雜環(huán)境的機器人，讓機器人在室外也能為視力殘疾人士導(dǎo)航。”

● 獲取知識

學(xué)生明確學(xué)習(xí)任務(wù)后，接下來要做的事情就是對自己的知識結(jié)構(gòu)進行分析，已經(jīng)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(huán)節(jié)教師要準(zhǔn)備好多種學(xué)習(xí)資源，以支撐學(xué)生的自主建構(gòu)。對于學(xué)生自己摸索耗時較多的知識點，教師應(yīng)作適當(dāng)?shù)闹v解。對部分掌握知識點較遲緩的學(xué)生，教師可以提供微課、文檔等資源供學(xué)生自主學(xué)習(xí)。對少數(shù)自主學(xué)習(xí)有困難的學(xué)生，教師可通過同伴互助或親自指導(dǎo)的方式，讓學(xué)生能掌握解決問題應(yīng)具備的知識與技能。

例如，講授《認(rèn)識機器人的感覺器官——傳感器》一課時，可以讓學(xué)生將亮度傳感器置于手電筒光源下、室內(nèi)、室外等光線強度不同的環(huán)境中，記錄返回的數(shù)值范圍，掌握改變外部環(huán)境因素檢測傳感器的通用方法。然后提供微課資源，讓學(xué)生分組自行探究學(xué)習(xí)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(jié)果。

在習(xí)得新的知識與技能之后，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)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(xué)習(xí)中，教師可引導(dǎo)學(xué)生通過體味優(yōu)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(xué)生總結(jié)出“快、穩(wěn)、準(zhǔn)”三種程序設(shè)計策略：巡線和滅火求“快”，否則時間可能不夠；伐木環(huán)節(jié)應(yīng)“穩(wěn)”，此區(qū)域線路細(xì)且模糊，穩(wěn)定是關(guān)鍵，速度是其次；計數(shù)辨路環(huán)節(jié)貴在“準(zhǔn)”，用好碰撞偵測準(zhǔn)確計數(shù)是辨路的前提。在機器人學(xué)習(xí)過程中，策略既是智慧的外顯，又是經(jīng)驗的整合；既強調(diào)實現(xiàn)目標(biāo)方法的多元，又強調(diào)能根據(jù)實際情況靈活調(diào)整行動方案。因此，教師應(yīng)重視培養(yǎng)學(xué)生掌握解決問題的策略。

學(xué)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(chuàng)作需求。若未滿足，繼續(xù)尋找；若已經(jīng)滿足，則可以進入機器人制作與程序設(shè)計的創(chuàng)作階段。

● 探究創(chuàng)作

在探究創(chuàng)作階段，學(xué)生的主要行動是規(guī)劃問題解決方案和實施方案解決問題。規(guī)劃問題解決方案是承上啟下的，學(xué)生在自主規(guī)劃問題解決方案前，對問題大抵已經(jīng)有了應(yīng)對的策略，當(dāng)下要做的就是將思想策略轉(zhuǎn)化為可落實的方案并運用所學(xué)的知識與技能將其實現(xiàn)。如前文提到九宮樂園計數(shù)辨路策略的實現(xiàn)，如果學(xué)生習(xí)慣性用碰撞感應(yīng)器進行簡單碰撞記錄，他們將會遇到出現(xiàn)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(xiàn)實的創(chuàng)造過程，學(xué)生在這一過程中將得到多方面的鍛煉。

在學(xué)生努力實現(xiàn)方案時，教師應(yīng)特別關(guān)注學(xué)生面對困難的情緒、與同伴合作的融洽程度以及創(chuàng)新度。這是因為在機器人的學(xué)習(xí)過程中問題總是層出不窮，這些問題可能出現(xiàn)在程序設(shè)計過程中，也可能出現(xiàn)在調(diào)試過程中。調(diào)試過程中的問題往往在學(xué)生的意料之外，因為機器人對周圍環(huán)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(xué)生必須自己耐心地找出問題的所在，然后再想辦法來應(yīng)對。這個過程需要不斷修改機器人程序的參數(shù)，然后實驗……這樣的調(diào)試過程常常要重復(fù)幾十到幾百次。一直重復(fù)同一件事情難免會產(chǎn)生負(fù)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(xué)生只要多經(jīng)歷幾次這樣的柳暗花明，直面困難與挑戰(zhàn)的信心就會增加，而這種品質(zhì)是可以直接遷移到其他學(xué)科的學(xué)習(xí)和生活中去的。

另外，在學(xué)習(xí)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(xué)、共同成長。對于大部分是獨生子女的學(xué)生而言，合作并非易事，大部分學(xué)生需要許多次磨合才能達到融洽。在學(xué)生合作的過程中，教師要用心感受學(xué)生情緒的變化，在學(xué)生各執(zhí)己見矛盾激化時，要引導(dǎo)學(xué)生用包容的心態(tài)去審視對方的想法，學(xué)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(chuàng)新精神的學(xué)生，其解決問題的方案自有特別之處，但學(xué)生自己可能并不知道。在學(xué)生實施方案解決問題時，教師要及時發(fā)現(xiàn)方案的優(yōu)勢，通過點評或點贊的方式，讓學(xué)生感受到創(chuàng)新的價值，從而讓創(chuàng)新成為學(xué)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(xué)生要做的事情是分享學(xué)習(xí)成果，接受同伴及教師評價，并根據(jù)評價反思、優(yōu)化作品。

評價環(huán)節(jié)最有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。從介紹成果的語言表達，到評價過程中對審美和創(chuàng)新的把握，再到反思不足，確定優(yōu)化方向，對投入其中的學(xué)生，這不啻一次成長蛻變的過程。這個過程也是教師雕塑學(xué)生美好情懷的契機，學(xué)生對機器人的態(tài)度以及運用技術(shù)設(shè)計生活的情懷將在這里啟程。近幾年，隨著RTEC創(chuàng)意闖關(guān)項目和創(chuàng)意機器人項目的興起，我們留意到，善于分享與反思的學(xué)生往往能自信且到位地展現(xiàn)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(shè)想到實現(xiàn)項目的漫長過程。學(xué)生此時的表現(xiàn)就離不開平時學(xué)習(xí)機器人的過程中所養(yǎng)成的展示、分享的態(tài)度和習(xí)慣。

● 結(jié)語

自2006年與機器人結(jié)緣，11年的經(jīng)歷讓我們看到了機器人活動對學(xué)生的長久影響。從直接收獲來看，學(xué)生在學(xué)習(xí)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(tài)度和團隊合作能力得到了改善，這對數(shù)理學(xué)科的后續(xù)學(xué)習(xí)幫助很大；從長遠(yuǎn)來看，學(xué)生經(jīng)過機器人學(xué)習(xí)的磨練，其思維方式、抗挫能力、創(chuàng)新精神及創(chuàng)新能力明顯優(yōu)于同齡人。最早參加機器人活動的那批學(xué)生，他們的學(xué)業(yè)和事業(yè)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(xù)讓機器人融入中小學(xué)生的學(xué)習(xí)之旅。