基于核心素養的機器人教學微視頻設計策略

邱振華

機器人學科是一門涵蓋計算機、機械、通信、材料、傳感、物理等多個學科領域知識的通用技術學科。由于其操作性強，所以使用微視頻進行輔助教學是一種普遍且有效的教學方式。但細觀各類機器人教學微視頻，大量的微視頻都是一種“操作指南”，即將操作步驟一步步演示出來，而后讓學生模仿操作。不可否認，這種方式對學生的知識技能的提升會有幫助，但能否對學生的思維方法進行內化就有待商榷了，更妄談學生核心素養的培養。

筆者有幸參加了“2018年中小學機器人教學微視頻征集評選活動”，投稿的作品《智能聲控畫筆》獲得了一等獎。《智能聲控畫筆》是一個以模擬影音軟件中出現的波形為情境的項目，通過主控板上的聲音傳感器接收用戶發出的聲音，然后通過軟件中的繪圖功能將傳感器接收到的數值作為坐標點進行繪圖，最終實現將聲音轉換成波形的效果。下面，筆者就結合這個作品來分享一下基于核心素養的機器人教學微視頻設計策略。

● 知識的連接——核心素養扎根的土壤

關于核心素養的概念界定，筆者比較認同余文森博士在《核心素養導向的課堂教學》一書中的說法：就實際表現而言，核心素養指的是個體在面對復雜的、不確定的現實生活情境時，能夠綜合運用特定學習方式所孕育出來的（跨）學科觀念、思維模式和探究技能，結構化的（跨）學科知識和技能，以及世界觀、人生觀和價值觀在內的動力系統，進行分析情境、提出問題、解決問題、交流結果的綜合性品質。從中可以發現，知識技能、學科觀念、思維模式、動力系統等是核心素養蘊含的要素，而知識又是其中最根本的要素，可視為核心素養扎根的土壤，知識習得的效率、習得的深度都將直接影響核心素養的培養。

就傳統的知識傳授弊端而言，“知識孤島”是其中一個典型問題，機器人教學也存在此類問題。教師傳授的知識是碎片的、孤立的、片面的，看似根據教學大綱劃分成一個個有序的章節，但實際上只是在做簡單的“物理加法”，并沒有形成“化學反應”。在生態鏈中，如果動物間沒有連接，那么等待動物的將是死亡;在知識鏈中，如果知識間沒有連接，那么等待知識的將是遺忘。

在機器人教學微視頻中，一般會有硬件部分（建模搭建）、軟件部分（程序編寫）的相關內容，但卻罕見關于軟硬件如何通信的原理講解，于是就會出現學生硬件搭建與軟件編寫完全正確，卻在調試環節遇到困難的情況。究其原因，就是“硬件”和“軟件”的壁壘沒有消除，教師在講授中忽視了中間的連接橋梁。針對這一問題，筆者在獲獎微視頻中，除了演示了軟硬件的基本連接使用外，還特別強調了“選擇何種設備、選擇哪個串口、如何觀察軟硬件是否連接成功”等操作要領及背后原理，讓學生通過軟硬件通信原理這座橋梁，實現了軟硬件知識的連接貫通。

奧蘇泊爾認為，學習的本質就是學生認知結構的組織和重新組織。組織的方式一般有兩種：一種是多個新知識間形成連接，組成一個新的知識組塊，這樣一方面可以降低認知負荷，另一方面可以內化新知識間的關系，例如，機器人教學中常需實現某一特定功能，可圍繞該功能使得軟硬件間的知識自然產生連接形成知識組塊方便學習;另一種是使新知識與舊知識發生連接，例如，在機器人課程的教學中會涉及許多傳感器的應用，在學習新的傳感器時便可借助已有的學習經驗，通過知識間的相似性方便新知識的吸收，同時又發現新知識與舊知識的相異點，豐富原有認知結構，將新知識納入已有認知體系中。

機器人學科作為一門融合多種技術的學科，涉及的知識范疇跨度廣闊，在教學微視頻的設計中，能否用好以上兩種知識連接策略，使得零碎的“珍珠”串成“項鏈”，是將知識轉化成核心素養的基本要求。

● 情境的韻味——核心素養滋養的水分

石中英在《知識轉型與教育改革》一書中這樣描繪知識：“任何知識都是存在于一定的時間、空間、理論范式、價值體系、語言符號等文化因素之中的。”知識往往是在特定生活情境中產生的，如果把知識比作魚，把情境比作水，沒有情境的知識，那就是畫紙上的魚，即使再栩栩如生，也是靜態的、僵化的，只有把知識放到情境這條溪流中，才能讓魚真正“活”起來。知識只有通過情境的活化才能成為素養滋養的水分。

機器人課程一般在拓展課或社團中開展，不少學校也主要以機器人競賽為目標開展課程。在這樣的背景下，不少以競賽為目標的機器人教學，缺少必要的情境融入，大都圍繞競賽要求進行教學，雖可將學生訓練得“又快又準”，但卻缺乏深層次的素養落實。以最常見的機器人巡線為例，教師會教學生讓機器小車在黑白相間的各種賽道上“自動行駛”。在這個過程中，學生也會興致盎然地投入學習，但在現實生活中卻罕見黑白相間的道路存在，那么，這樣的教學過程對于學生的素養提升來說就缺少了與生活真正融合的情境。針對這一問題，筆者的獲獎微視頻以“以模擬影音軟件中出現的波形”為情境進行教學，讓學生在模擬再現的過程中，理解聲音這種模擬信號是如何通過傳感器輸入，又如何通過編碼一步步轉換成圖像輸出的過程，讓學生在知識與生活的碰撞中，有一種“原來是這么回事”的恍然大悟，讓知識找到轉化的生長點和著力點，讓學生找到學習的需求感與認同感，在教育的深刻意義中體現核心素養的落實。

情境創設的關鍵點在于真實世界與抽象知識的連接，以下列舉一些筆者常用的連接途徑。

1.通過生活進行連接

生活是無字的書，其中蘊含了無盡的情境源泉。仍以機器人巡線為例，可以創設這樣一個生活情境：在一間無菌病房中，住著幾位行動不便的病人，由于病房的特殊性，醫護人員需盡量減少進出，在這種情況下，你是否可以采用特制的黑白地板，通過機器人巡線的方式運送食物等必需品到病房中？在這個情境中，學生的知識有了真正的用武之地，體驗到了知識的內在價值與意義。

2.通過實物進行連接

再以巡線機器人為例，現實生活中，京東的快遞機器人已經亮相，一時間也成為街頭巷尾熱議的話題。通過這一大家都感興趣的實物創設情境，可以讓學生有強烈的參與欲望，激起探索科學奧秘的興趣。

3.通過自身進行連接

俗話說：事不關己，高高掛起。但如果“事要關己”，那又會起到什么效果呢？在一次巡線機器人的教學中，開場筆者問了學生一個問題：“如果你擁有了這個巡線機器人，你最希望它來幫你做什么事情？”這個問題激起了學生們的興致：“讓它幫媽媽買菜去。”“讓它背著我的書包上學去。”……無論是深思熟慮后的回答還是童言無忌的話語，都代表著孩子們的心聲，如此便創建了以自身為連接的特殊情境。這種連接途徑的優勢在于每個人都有屬于自己的獨特情境，不會出現學生由于不喜歡或不熟悉教師提供的情境，而無法融入到學習中去的情況。

除此之外，情境化的途徑還有多種，也沒有絕對固定的模式，正如真實世界是豐富多彩的一樣，情境創設也是多種多樣的。

作為一門實踐性很強的通用技術學科，機器人學科在教學微視頻的設計中，更要通過情境化的策略實現知識與背景、理論與實踐、生活與技術等方面的融合，構建真實情境中學習的認知路徑，把知識的活化作為轉化素養的必經之路。

● 思維的深度——核心素養綻放的花朵

深度學習是瑞典學者費爾倫斯·馬頓和羅杰·賽爾杰針對孤立記憶和非批判性接受知識的淺層學習提出的一個概念。不同的思維方式看到的知識的層級是完全不同的。以蘋果落地為例，有的人看到的僅僅是這一現象;有的人可能會引申到各種東西在高空中都會掉落這一結論;有的人則會進一步思考，不同高度是否對其掉落速度會有影響，這便有了亞里士多德和伽利略等人對自由落地的研究;有人則發現了其中的根本規律——萬有引力定律，那便是牛頓。關于“蘋果落地”故事的真假并不重要，重要的是其中可以體現的超越知識表層結構進入深層結果的思維過程。素養從來都不是靠灌輸和“就事論事”的教學方式形成的，只有讓學生深挖表層知識背后的本質，實現深度思考，才能綻放核心素養的花朵。

在機器人教學中，有一個問題是，各種品牌的機器人都使用開發商獨立的軟硬件設備，因此大量針對特定品牌的機器人教學微視頻，并不具備通用性，無法發揮微視頻跨時間、跨空間、跨對象的教學優勢。針對這一問題，筆者的獲獎微視頻雖也選擇了某一特定品牌的機器人設備進行講解，但講解的過程通過“軟硬件協同工作的知識技能（連接硬件+安裝軟件+進行調試）”—“知識技能背后的方法規律（軟硬件需通過某一中間物建立聯結）”的途徑進行，以此讓學生理解硬件與軟件協同工作的背后原理，將其作為探索任何一種機器人設備的利器，實現舉一反三，并逐漸意識到“萬物間皆可通過某種途徑進行聯結”這一深層次哲理思想。

具體來說，筆者認為，在機器人教學微視頻的設計中，可以采用以下兩種策略引發學生的深度思考。

1.以問題激發思維活躍

陶行知說過：“創造始于問題，有了問題才會思考，有了思考，才有解決問題的方法，才有找到獨立思路的可能。”這句話說明了問題是思考的起源，是讓思維往深度發展的可能性。合理的提問，可以激發學習者的思維，讓學習者在問題的引導下獨立思考、不斷質疑，最終透過表面的現象，挖掘到深層次的瑰寶。在微視頻教學中，雖然提問無法像課堂上通過追問等形式進行精確引導，只能通過自問自答的形式予以解答，但這并不影響提問在活躍思維中的作用。以軟硬件協同工作的知識點為例，可以提出問題：“兩個不同國家的人，均不懂對方國家的語言，在這種情況下，他們該如何交流呢？”學生可能會想到使用翻譯機，此時就可以引出“軟硬件需通過某一中間物建立聯結”這一原理規律。之后還可以進一步提問：“通過翻譯機進行交流比較麻煩，有沒有一種語言可以讓他們直接交流？”學生一定會想到英語，此時便可以引出深層次的問題，如果軟硬件間有統一的規范標準，那么將會消除許多壁壘。可目前為何會出現規范標準不統一的現象？這一困境又該如何解決呢？這些便是知識背后的深層次問題，當學生意識到這些問題，并嘗試探索背后的真相時，核心素養已經潛移默化地落實了。

2.以參與促進思維加工

思維作為一種高級認知活動，是感覺、知覺等獲得的各種材料的精細加工的產物，其形成是一個實踐、體驗、感悟的過程，需讓學生主動參與認知的建構，以實現思維的提升飛躍。在課堂中基于學生認知建構的“項目學習”“自主學習”等模式已被廣泛應用，但在微視頻教學中，這一點卻經常被忽略，大量的微視頻講究的是“一氣呵成”，并未給學生提供“留白”參與的機會。要解決這一問題，一是可在視頻適當的地方進行“暫停”，如提出一個問題后，可提示學生“請將視頻暫停，待思考完成后繼續觀看”;二是借助特殊的平臺實現一些交互功能，如播放到某一時間點后，彈出問題選項，當學生完成選擇后視頻才會繼續播放，如此做到手腦并用、學思結合，有助于學生思維的精細加工;三是在視頻最后提出一些開放性的問題或任務供學生探索，如在學習了LED燈的點亮技能點后，給學生布置“請將LED燈放置到某一實物上形成特殊功能”這樣一個開放任務，并舉出一個將LED燈作為“波斯貓”眼睛變色效果的例子激起學生的興趣，以達到讓學生觀看后繼續自主“線下學習”的效果。

深度思維的形成絕非一朝一夕的事，但只有在每個教學環節盡可能引發學生思考、促使學生參與，才能逐漸形成“量變到質變的效果”。在機器人微視頻教學中也需采用各種策略引發學生深度思考、深挖知識的內涵，以實現素養的內化。