借助機器人巡線引領探究性學習

張俊花　賈丙輝

摘? 要 借助程序設計課程中的機器人巡線問題，引導學生通過質疑、發現問題;通過調查研究、分析研討，提出解決問題的方法;通過表達與交流等探究學習活動，獲得知識，激發學習程序設計的興趣，掌握程序設計的方法并用于解決實際問題。

關鍵詞 機器人;程序設計;信息技術;探究性學習;Scratch

中圖分類號：G633.67? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）15-0068-03

1 引言

程序設計是初中信息技術課程中的重要內容，旨在培養中學生的創新能力、實踐能力、主動獲取知識并應用所學習知識解決問題的能力。探究性學習方法的特點與信息技術課程中程序設計相關知識點的教學要求十分一致。如何借助探究性學習相關方法引導學生開展程序設計相關內容的學習是教學中亟待解決的問題。

2 案例實踐載體的確定：機器人

程序設計是蘇教版初中八年級信息技術第四章的內容，是信息技術學科教育中的重要內容，著重培養學生分析問題、解決問題的能力和創新思維，滿足學生個性化發展。機器人教育屬于人工智能模塊范疇，是一項綜合多種學科知識技能的科技創新活動。只有通過編寫相應功能的任務程序，機器人才能對外界環境信息進行響應，從而實現機器人的智能化判斷。程序設計教學和機器人教育有著天然的融合基礎，因此，針對初中程序設計課程比較抽象、學生學習興趣缺乏和積極性不高等問題，嘗試將機器人教育和初中程序設計教學進行融合，以機器人的巡線問題為出發點，將與生活聯系緊密并具備吸引力的機器人作為程序設計實踐的載體，使學生在學習程序設計課程時有實際目標、有實踐對象。

3 案例主題的引入：機器人巡線任務

本案例內容是在介紹程序中的條件語句和循環語句之后，且上一節課已指導學生完成機器人結構的搭建，并使得學生熟悉了機器人各個結構的功能，如巡線的兩只眼睛——灰度傳感器，機器人的動力——馬達等。基于機器人巡線任務，首先分析機器人巡線程序的算法并畫出流程圖，然后在Scratch 2.0中用條件語句模塊和循環語句模塊進行編程，最后經編程調試后讓機器人巡線走起來。本案例旨在以機器人巡線為抓手，復習和整合程序設計中算法、條件語句及循環語句，使學生認識到程序設計能解決實際問題，進而提升其學習程序設計的興趣。

4 案例的實施過程

片段一：情境導入? 教師導入：“同學們，我們上節課搭建好了機器人，而且它能沿直線走，但是我們知道道路不僅有直線，更多時候是曲線，那么能不能實現它自主巡線走呢？”教師展示機器人巡線場地圖（圖1）。學生看到巡線場地圖，教室里立馬就炸開了鍋，從他們一個個的興奮勁兒可以看出他們對這個問題很感興趣。教師接著問：“大家想一想，應該怎樣實現機器人巡線呢？”學生思考，覺得無從下手。教師把問題難度降低：“大家想一想，機器人要巡線分為哪幾種情況？”

片段二：探究機器人巡線算法? “大家先來想想機器人在巡線的過程中會有幾種情況發生？”在學生思考的過程中，教師在黑板上畫出機器人小車巡線的模擬圖，如圖2所示。一個學生回答說：“當兩個光感都沒有檢測到黑線時，車子直行就可以了;但是當車子碰到黑線，我就不知道該怎么辦了。”

教師啟發：“車子碰到黑線分幾種情況？下面請同學們以小組為單位進行探究?！?/p>

一小組學生回答說：“車頭左側碰到黑線或者車頭右側碰到黑線?！?/p>

“非常好！那么當車頭左側碰到黑線時，應該怎么修正車子，讓車子繼續巡線呢？”

“往左轉?！?/p>

“非常好！那么當車頭右側碰到黑線時，應該怎么修正車子，讓車子繼續巡線呢？”

“往右轉?！?/p>

“機器人要一直巡線下去嗎？當什么情況下它會自動停止呢？請同學們觀察巡線場地圖?！?/p>

“當兩個光感都檢測到黑線時吧？”

“非常好！下面請大家測一下你們組的機器人的光感值，看看當兩個傳感器分別在黑線和白色區域時的光感值。注意：每個傳感器要多測幾組數據，然后分別取平均值。”

片段三：畫出巡線流程圖

【實踐學習1】請同學們以小組為單位，嘗試用流程圖描述機器人巡線算法。

畫流程圖既使學生對前面分析的巡線算法有更加深入的理解，又復習了程序設計中畫流程圖的基本知識。但是從學生畫的流程圖看，他們對流程圖的使用方法和各個幾何圖形在流程圖中的作用仍然不太明晰，對處理框和輸入框作用混淆。還有的學生不知道如何下手畫流程圖，這時候就顯示出小組合作的重要性了。經過學生交流和教師指導，完成圖3所示巡線流程圖。

片段四：編寫程序

【實踐學習2】嘗試在Scratch 2.0中進行巡線編程。

Scratch 2.0是一個圖形化編程工具，由于學生在小學已學過類似的圖形化編程軟件，所以對他們來說比較容易接受。教師主要演示Scratch 2.0中如何讀取光感值的程序塊和馬達設置模塊，然后請學生小組內合作，自主嘗試編程。對于剛學了程序基本知識的學生來說，這是一個綜合題目，難度較大，但是由于在前面的探究學習中已通過算法分析和畫流程圖對巡線程序進行了鋪墊，會對學生的代碼編寫有所引導，而且在小組內學生可以互相合作，因此，學生的任務完成度較好。

片段五：機器人巡線? 本環節是學生程序編寫完成并寫入機器人主板中，通過在場地實際巡線來檢驗程序的執行。這需要不斷地測試與調試。

5 分析反思

本案例整合機器人教育與程序設計的理念，通過機器人巡線創設情境激發學生的興趣，完成設計巡線算法、畫巡線流程圖以及編寫程序等一系列探究活動。引導學生不斷思考和進行知識整合，機器人巡線問題的解決使學生真切體會到程序設計的價值與樂趣。

明確的實踐對象使得程序設計有的放矢? 初中程序設計課程內容一直因為比較抽象、學生興趣不高而讓教師難教、學生難學。機器人是學生比較感興趣的，而且觀察機器人巡線項目也是難度不大而學生又很感興趣的，機器人巡線恰好能把機器人教育與程序設計結合起來，借助機器人巡線能給程序設計找到落腳點。在情境導入階段，從學生的興奮勁兒就可以看出學生對機器人巡線很感興趣，有了興趣就有了學習的動力。

探究性學習方法與程序設計課程的要求不謀而合? 通過機器人巡線任務的引領，首先使學生了解到算法是程序的靈魂，沒有算法編程就無從下手，復習了用流程圖描述算法，通過繪制流程圖進一步理清了巡線的算法;接著請學生嘗試在Scratch 2.0中進行巡線編程，教師主要演示Scratch 2.0中如何讀取光感值的程序塊和馬達設置模塊，并沒有直接演示條件語句及循環語句如何使用，而是先請學生嘗試編程，目的是使學生進一步理解和掌握條件語句及循環語句，在圖形化編程中實現巡線;最后經過程序調

試，在實際場地中讓機器人巡線成功是整堂課的高潮。

具體問題的解決及任務的完成，促使學生對知識的理解更加深入? 在整個教學過程中，可以看出教師并沒有因為學生接觸機器人的機會少而大包大攬，從設計巡線算法到編程，教師一直在引導學生思考，引導學生不斷地探究，通過設置一系列的問題與實踐任務請學生完成。

“大家先來想想機器人在巡線的過程中會有幾種情況發生？”教師拋出問題，看到學生思考有困難時，在黑板上畫出機器人小車巡線的模擬圖，幫助學生分析問題，接著不斷啟發：“車子碰到黑線分幾種情況？”在探究了算法之后，請學生嘗試畫流程圖，然后請學生自主編程，一系列的探究任務之后慢慢地實現巡線。

合作學習幫助學生突破學習難點? 采用小組合作學習的方式，是創客教育理念下一種基本的教學方法，目的在于解決學習個體差異的困難，提高學習效率，提高教學目標達成度。畢竟，教師只有一名，學生間有效的互助與討論是一種可預見的、十分有效的教學方式。

畫巡線流程圖和編程兩個實踐任務較難，學生一時覺得無從下手，這時先請學生以小組為單位討論，請學生說說他們談論之后的結果;在問題進一步探究深入之后，再請學生討論，直到解決問題。在實踐學習和拓展任務部分，提倡小組內合作和鼓勵最先完成任務的學生做“小老師”，這樣，學生間的互助和交流提高了課堂的教學效率。

6 結語

總之，本案例針對初中程序設計課程中的問題，嘗試將機器人教育與程序設計進行融合，通過機器人巡線這一活動展開，提高了學生學習程序設計的興趣，也為程序設計教學找到落腳點。本案例借助機器人巡線任務，通過設計巡線算法、畫巡線流程圖以及編寫程序等一系列探究活動，引導學生不斷思考和整合知識，并采用合作學習的方式突破實踐任務中的難點，最后，機器人巡線的成功進行使學生真切體會到程序設計的樂趣與價值。