智械動景：構建機械與程序融合的生命體

王曉珍

摘要：創客教育理念下，以智能機器人為載體、以培育計算思維為導向的學習已悄然而至。當靈動而具象的機械結構被賦予程序的靈魂，學習也將呈現一番動感而富有生命力的美景。本文在創客教育主題下，結合機器人教學實踐經驗，從啟蒙、嘗試、實現、創造四方面規劃出一條機器人教學的通用路徑，并探究不同階段教學策略的有效運用。

關鍵詞：計算思維；機器人；機械；程序；教學策略

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2018）21-0009-04

當人工智能時代的鐘聲敲響，當創客的風帆已經高高揚起，當STEAM教育的浪潮已經涌向岸邊，我們可以清晰地感受到未來的教育將發生巨大的改變。在人工智能新時代，中小學信息技術教育肩負著讓孩子觸摸人工智能，培育其計算思維的使命。以機器人為載體的教學活動已然成為教育迭代的產物，它既可以通過機械的精巧搭建觸摸思維，又可以通過程序的精密設計活躍思維。

然而，一個嶄新的時代留給教育的更多的是機遇與挑戰。縱觀當前機器人教學的現狀，要完成新時代所賦予的使命我們是“心有余而力不足”。機器人價格的制約、理論研究的缺乏、競賽趨勢的導向等都阻礙了機器人教學的普及。其實，機器人教學光有硬件設備是不夠的，還需要有配套的課程；光有課程也是不夠的，還需要有適切的教學策略。只有這樣，機器人教學才能勾勒出一條有效的路徑，以通往新時代所期待的唯美境地。

啟蒙，始于觸摸機器而迸發的滿腔熱情

古人云：啟其蒙而引其趣。機器人教育的啟蒙也要從學生的興趣出發，形成樂學、好學、自學的態勢。機器人盡管以其多變的造型、智能的技藝受孩子們青睞，但卻難以經受多重的考驗。因此，興趣不是天生的，也不是固定不變的。如何能夠激發并保持孩子們學習機器人的興趣呢？針對這一問題，筆者結合實際的教學經驗與機器人本身的特征進行研究整理，并歸納出一種可行的策略——三度觸摸策略（如圖1）。

1.一度觸摸，感受機械與程序融合的魅力

今天的孩子是數據時代的原住民，在人工智能的時代背景下，他們不乏與機器人親密接觸的機會。但在與機器人打成一片的同時，卻鮮有人思考其組成、原理、技術、意義……因此，有必要將機器人請進課堂，讓學生浸潤到機器人世界中，在充分的觸摸體驗與深刻的感悟中習得知識技能，培養學生持久的興趣。

案例1：《認識機器人》——課堂里出現的智能伙伴。

在《認識機器人》一課中，目標是讓學生了解機器人結構的基本組成。筆者將智能機器人——小優引進課堂，孩子們一進門便一片嘩然，難以抑制的好奇與熱情溢于言表。課堂上，孩子們可以通過全方位觀察活動，了解機器人的執行機構；可以通過互動體驗，感知機器人的傳感器模塊；可以通過交流對話，感受機器人核心處理器的強大……在教師的適當引導下，孩子們在不知不覺中印象深刻地儲備了機器人基礎知識。

一度觸摸的形式可以多樣化，除了實體機器人，也可以是虛擬機器人、視頻、圖片、簡易模型等。而它們的共同目的是讓孩子們浸潤到機器人的世界，并為之傾倒，激發興趣，驅動主動學習的熱情。

2.二度觸摸，與零件交朋友

二度觸摸，是一個從整體到局部的演變。學生對機器人有了整體的感性認識，也對每一個部件充滿了好奇。那就順應孩子們的好奇心，讓其在零件的海洋中尋找機械結構的奧秘。

案例2：百變造型中探究齒輪的相互作用。

以樂高機器人為例，齒輪是動力傳遞的主要來源。而樂高機件中齒輪的種類繁多，功能不一，機械傳遞的原理也不盡相同。筆者在教授大齒輪與小齒輪之間帶動關系時，為學生設計了一份導學單，引導學生在用自己設計的齒輪結構傳遞動力的過程中，觀察力的大小、速度、方向等的變化。通過比較與分析，得出齒輪間相互作用的結論。在整個教學活動中，孩子們既傾心于自己設計的齒輪造型，又力求尋找規律將齒輪的價值發揮到最大。

機械結構的觸摸讓孩子更進一步接觸機器人，并可以親自體驗對機器人進行改造。教師在二度觸摸的過程中要做好引導作用，結構的設計不僅僅是為了美觀與好玩，合理的結構設計是機器人得以施展其功能的物質基礎。

3.三度觸摸，與程序打招呼

如果機械結構的搭建培養了孩子們的動手能力，那么程序便是對思維能力的提升。三度觸摸，將原本機械的動力結構智能化，將孩子們的學習熱情推向了高潮。

案例3：比比誰的小車更靈動。

以小車作為機器人的基本結構，加以程序的作用，學生能輕松地驅動其前進與后退。而筆者在此基礎上，教授機器人轉向的奧秘。首先讓學生觀察，小車在轉向過程中輪子的方向與速度變化，從而得出左轉與右轉輪子的速度、轉向角度等變化規律。孩子們在調試過程中，感受到程序的巨大魅力，研制出各種走向的機器人。筆者以此為契機，增設了“比比誰的小車更靈動”環節，展示的機器人中有的能走正方形，有的能繞障礙物，有的還能跳舞……孩子們在分享的過程中，看到的是機器人靈動的行為，收獲的卻是程序設計的奧秘。同時，他們在同伴和老師的認可中，增強自信，對機器人的熱情也得以保持。

三度觸摸，直達機器人的核心，孩子們也在此過程中體驗到程序是機器人靈魂一樣的存在。對程序的調控而產生的機器人不同行為的反饋，正是孩子們熱衷的焦點，進而也推動了程序的學習熱情。

嘗試，匯于模仿所帶來的成功體驗

嘗試，意味著機器人教學由單一的結構學習轉向整體的項目學習。在嘗試階段，學生對機器人的設計與操練尚未成熟。因此，模仿是該階段最有意義的學習行為。模仿是學習復雜動作技能的早期階段，適用于機器人學習的起步。模仿的目的在于讓學生體驗完整的機器人項目所帶來的成就感，同時，也深化機器人相關的基本知識，了解機器人原理如何應用到實際機器人設計與制作中。筆者在引導學生嘗試的過程中，總結出一些教學策略，讓該階段教學效果最大化。

1.解構剖析法

解構是把已有的事物打開，學習其中的規律和知識，是發現原理和規律的過程。學生在模仿機器人結構時，通常有兩種途徑：一是參照已有的圖紙搭建，這種情況下解構已提前完成，學生只需要剖析機械結構設計意圖，在模仿中感知其中的原理與規律；二是參照已有的模型搭建，這種情況下必然解構優先，必須通過深入剖析探究出其中的規律與原理，方能完整模仿出來。因此，解構剖析是模仿的必要條件，該策略的應用也是學生能力提升、思維訓練的契機。

2.聚類耦合法

學生在模仿的過程中，總會有意識地將結構相似、功能相似，甚至技術思想相似的模塊歸為一類，這正是聚類思想在機器人制作中的體現。教師加以適當的引導，有利于學生掌握機器人結構與設計的共通點，更能在今后根據任務需求應用類似的結構去解決問題。

3.翻轉自研法

機器人的模仿其實是一個漫長的穩步實現過程，僅僅靠課堂里的時間是遠遠不夠的。再考慮到學生的差異性、調試過程的重復性等因素，這就需要在機器人教學中謀求一條翻轉課堂的道路。機器人課堂的翻轉可以是課堂知識的翻轉，利用微課等手段為已學知識的鞏固、拓展性知識的提升、重難點知識的突破尋求一條高效的捷徑；可以是機械搭建的翻轉，學生不再是依葫蘆畫瓢，而是有了更多自主學習與實踐的機會；可以是程序設計的翻轉，通過不斷的調試，學生在家就可以輕松指揮機器人了。合理利用翻轉策略，為課堂增效，同時又提升了學生的自主探究能力。

實現，成于任務所驅動的問題解決

該階段，學生雖然擁有了大量的知識儲備，但是在親身實踐過程中依然會遇到很多問題，并且尚未清晰項目完成的一般過程與方法，因此，教師的引導作用顯得尤為重要。一個項目的實現通常依賴集體的智慧，于是小組合作的優勢也在這個階段得以體現。任務的難易程度直接影響項目的可行性、進度，甚至學生的積極性，所以任務難度要適中，既不觸手可得也不望而生畏。筆者將機器人項目式驅動的過程歸納為五部曲（如圖2），并以FLL工程挑戰賽中“機器人喂食”任務為例進行解說。

1.提出問題

“機器人喂食”是本項目需要解決的問題。明確目標后，分析在機器人執行任務過程中可能遇到的障礙：（1）飼料塊投遞過程中可能超出邊界；（2）機械臂該如何設計才能運送8塊飼料塊；（3）機器人行走過程中受到盲道的較大阻力；（4）如何每次投遞出相同顏色的飼料塊；（5）機器人行走到遠處時如何準確定位路線……所有的問題被一一拋出后，組員們各抒己見，盡可能突破問題難點，尋求一條最佳路徑。

2.擬定方案

學生在正式搭建前，需要擬定任務實施的方案。方案的制訂是指對該項目中所涉及的活動預先進行計劃。實施方案的設計應該包含兩個方面：項目實施的步驟內容和實施的時間安排。學生在搭建的時候根據實施方案來進行，可以保證完成的進度，同時也可以有序進行。方案可以根據實施過程中遇到的問題和實際情況進行修改。

3.模型搭建

經過前期的充分準備，學生已經具備了搭建的全部條件，可以進入模型搭建的過程。模型搭建過程是機器人教育區別于其他教學模式的重要特征，在這個過程中，學生將自己的想法注入機器人的機械臂設計中，通過小組合作，體會集體智慧的魅力，以及親手制作的樂趣。學生在進行制作的時候仍會遇到一些困難，然后再進入發現問題階段，通過自主探究進行解決，再接著進行模型搭建。

4.程序調試

搭建好的模型，需要編制核心的程序讓其動起來。程序設計前，初始位置的設定也很關鍵。確定初始位置后，將規劃的機器人行走路徑以及機械臂擺動時機一一編寫入程序中，通過對實際路線的測量可以準確計算出齒輪所需轉動的圈數或秒數。編寫好程序，機器人便進入了調試模式。在調試過程中，不可忽略的是摩擦力、環境光線、電量等造成的干擾，因此，調試是一個不穩定的過程，需要在多次嘗試中尋求一組較為適宜的參數。

5.分享交流

任務完成之后，同學之間要相互交流，展示自己的機器人，分享制作的過程，以及在這個過程遇到的困難和解決辦法，同時交流自己的經驗和體會。在分享交流中，借鑒他人的意見，提升自身的水平。

五部曲的體驗，留給學生的不僅僅是機器人設計的樂趣，更是一個科學素養、工程意識、計算思維、團隊合作精神等的培育過程。機器人教學所帶來的核心價值，也在實現的過程中體現得淋漓盡致，學生獲得了利用機器人技術解決實際問題的能力，更形成了利用機器人分析問題、解決問題的思維方法和價值觀。

創造，源于感受生活而發揮的無限遐想

機器人的學習不僅僅是一個功能實現的過程，更是一個創意滋長的過程。對于學生而言，機器人課堂給他們帶來的不單是利用所學知識去搭建既有模型，更要形成利用智能裝置改造生活的方法論和認識人工智能的世界觀；對于教師而言，機器人課堂不單要關注學生具象的疑問或驚奇，更要點亮每個孩子思維閃亮的瞬間。創造，是在嘗試、模仿、實現之后思維的再度提升。創意的來源不是憑空捏造的，也不是刻意演繹的，它可能是生活中不經意間的靈光一現，也可能是經歷過程后的反思總結，還可能是求解問題時的想法分支……因此，教師應該讓學生充分體驗生活，發散思維，用智能化的手段去優化生活。

案例4：從垃圾分類到識色機器人的創意智造。

在日常生活中，學生發現垃圾分類是一個重復歸類的勞作。但是，這類重復勞動又意義重大，經過分類的垃圾不僅可以實現垃圾資源的利用，減少垃圾處置量，還可以改善人類生存環境質量。面對生活中的困惑，有學生就提出讓機器人來幫助分類。為了讓學生的想法落地，教師引導學生利用機器人項目式驅動過程五部曲來實現創造。

從起初的問題提出到擬定方案，學生遇到了不少問題，在小組的通力合作下，設計了紅、黃、綠、藍四色的垃圾標簽，只需在垃圾袋上貼上標簽，垃圾桶就能自動分類了。模型的搭建塑造了機器人的形象，程序的編寫又為它插上了智能的翅膀，最終當一個成品展現在所有師生面前的時候，孩子們感到由衷的自豪。

跳出課堂的思維定勢，機器人學習是一個追問生活的平臺，這個平臺不僅是創新思維活動的另一開端，更是在真實生活中不斷實現自我的另類延續。創造不以實現為起點，也不以實現為終點，它是隨著生活的變化不斷革新、動態生成的過程。

如果說機械是機器人教學的“外殼”，那么，程序就是機器人教學的“內件”。兩者的完美結合，使得機器人教學更顯靈性和生命的美麗。在這個教育變維的時代，我們要讓機器人教學真正在中小學“落地生根”，更要學會升維思考，降維執行，選擇合適的教學路徑，運用適切的教學策略，達成學習變頻的交集。這個由智能機械與程序構建的動態美景，有了孩子們的定義、參與，將展現得更迷人，更搖曳。

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