《機器人向導》教學案例

● 案例概述

《機器人向導》選自浙江省杭州市江干區信息技術學科區本課程“Swift程序設計與創意作品開發”。課程主要內容包括Swift程序設計基礎、機器人指令創意開發兩個部分，課程實施前一部分使用iPad版的Swift Playgrounds作為開發環境進行編程學習與開發創作，后一部分則基于Dash實體機器人進行指令設計與開發。

● 教學設計

1.前期分析

本課的教學對象是小學五年級學生，在學習本課之前，學生已具備一定的信息技術學科知識與操作技能，其中8%的學生已經系統學習過Scratch圖形化編程方法，9%的學生通過社團等渠道已經有過實體機器人和傳感器開發基礎。

本課例的主要目標是讓學生掌握將iPad與實體機器人進行無線互聯并進行開發調試的方法，在此基礎上，利用先前所學的Swift語言基礎實現機器人直行、轉彎等動作指令。因為在之前的編程課程中，學生已經習慣了屏幕輸出或數據線連接的開發環境，因此讓學生理解利用藍牙技術，將移動學習終端和機器人構建無線連接的開發環境是達成本課目標的關鍵之處，也是難點所在。對于教師而言，一人一機的教學環境下的學生有效管理與指導，也是實施上的難點之一。

2.設計思路

結合本課的教學特點，筆者決定采用協作學習、任務驅動的教學思路，即將開發技能的學習融入到循序漸進的開發任務之中。為了給不同學習起點的學生提供針對性的指導，本課利用Hiteach智慧教學系統實施教學，采用交互式一體機作為課堂的公共顯示屏幕，在教師和學生的iPad終端上分別安裝教學系統的教師端和學生端軟件，以借助系統的作品展示、屏幕廣播、即時反饋等功能，來實現對學生學情的及時把握與行為管理。此外，為便于小組協作學習活動的開展，本課也對教學空間進行了重組，利用活動桌椅為不同小組創設了活動空間（如圖1）。

3.教學過程

（1）新課導入，引出主題

本課是一個公開展示的課例，因此在課堂導入環節，教師提出了一個問題：前來聽課的外校老師對校園的布局還不熟悉，如何為他們觀摩課例、瀏覽校園等活動提供向導？就此，教師呈現了一張校園布局平面圖（如下頁圖2），并提議可以利用已經學過的Swift程序設計技能，利用機器人來做校園向導，由此引出課題《機器人向導》。

（2）連接設備，初步感知

因為本課需要使用Swift驅動實體機器人，因此作為預備知識需要讓學生掌握正確取放機器人、將iPad與機器人互聯的方法。前者是為了避免教學過程中的設備損毀，后者則是本課后續開發實踐的前提。在取用方法上，教師通過呈現不同取用方法的圖片，利用教學系統中的即時反饋功能進行全班投票，再進行分析方式開展;而在設備互聯方法上，則采用教師操作演示的方式，并讓學生分組實踐，因設備尺寸較小，因此教師操作的過程采用無線投影的方式投射到一體機以便所有學生能清晰觀看。

設備連接之后，教師引導學生的注意力至一體機，講解并展示實現機器人前進、后退、左轉、右轉功能的4個程序語句——moveForward（）（前進）、moveBackward（）（后退）、turnLeft（）（左轉）、turnRight（）（右轉），并安排第一個實踐任務——讓學生分組協作測量一下機器人每執行一次moveForward（）的行進距離。最終學生分組實踐，構建了iPad與機器人的開發環境，并得出一次moveForward（）指令行進距離約為15厘米，就此為后續開發做好鋪墊。

（3）設計路線，編寫程序

在初步感知機器人后，教師依次提出本課的兩項實踐任務，要求學生以兩人為一小組的形式協作完成機器人系列巡視動作的實現，這一動作系列包括線性的動作序列、可以用循環結構簡化的動作序列。

這樣的任務由淺及深，目的在于讓學生在循序漸進的問題解決中建構實現巡視動作的程序表達。例如，第一個任務設計“大門→綜合南樓”的路徑，與學生分析需求之后，形成的機器人向導步驟為：前進→右轉→前進→前進，轉化為Swift語句就是：moveForward（）→turnRight（）→moveForward（）→moveForward（）。第二個任務“沿校園雕塑繞行一周”雖依然可以序列的方式設計指令，但因為運動路徑是正方形的四邊，因此引導學生可以執行4次“前進→右轉”的操作來實現，由此引入循環結構的使用。

在此部分的教學序列上，采用分段教學的方式，即指導學生逐個完成實踐任務。在每一個實踐任務的教學組織上，先由師生互動分析需求，提出策略，之后學生以兩人小組的方式合作完成任務，待各小組完成任務之后，教師安排作品展示分享與經驗小結環節，并給予優勝小組積分獎勵。在這一環節的實施上，主要用到了教學系統中的教師屏幕廣播、即時反饋、學生作品提交、學生分組、計分器和計時器等功能。

（4）拓展思維，改進提高

經過上述環節的教學，學生基本已經達到了本課預設的目標，當然這些實踐任務只是現實情境的簡化，為引導學生更系統地思考機器人向導設計的影響因素，教師展示了現實生活中行人穿越馬路、交通堵塞等場景，引導學生思考解決策略。最終師生協商，提出需要增加機器人的避障功能和改變路線的功能，并導出本課的第三個實踐任務，即讀取超聲波傳感器的數據并進行條件判斷，由此引入分支結構的使用，之后同樣由學生協作完善程序，實現避障功能。

（5）回顧總結，分享實例

此部分引導學生回顧本節課的三個實踐任務，說說本節課的收獲，教師適時補充完成課堂總結。在教學的最后，播放博物館中機器人向導的視頻，引導學生拓寬視野，感受機器人、人工智能等在生活中的實際應用，進一步鼓勵學生學會用計算機知識技能解決現實問題。

● 實施成效

新課程倡導學生主動參與、樂于探究、善于合作，本課通過富有挑戰但又新奇有趣的實踐任務，通過任務驅動、小組學習的方式開展實施，從學生學習的效果來看，所有的小組均通過自主開發、調試改進、同伴交流和教師指導，完成了三項實踐任務的指令開發，較好地實現了預設的教學目標。

此外，本課重組了課堂的物理教學空間，并借助機器人開發套件和智慧教學系統，將傳統師生授受式的課堂改變為一個自由、協作、有趣的實踐場。而智慧教學系統中即時反饋、無線投影、屏幕廣播、作品提交等功能的整合，為師生和同伴間的互動、協作、指導提供了更大的靈活實施空間，也使得教師可以掌握每一位學生的學習進展并提供個性化指導，提升了課堂教學的效率。

● 教學反思

《機器人向導》一課采用全新的編程語言Swift進行教學，基于Playgrounds編程APP，又以可愛的Dash機器人為載體，給學生帶來了感官上的沖擊，調動著學生們的探索熱情。通過此次參賽，筆者學到了很多，如恰當利用智慧教學系統中的技術功能達到即時傳遞互動、優化展示效果等目的，從而輔助教學活動達成更好的效果。在課例展示與參加大賽的過程中，筆者也發現，在智慧教室環境下需要修煉和提升的地方還有很多，如如何設計能促進學生高階思維發展的半開放或開放性任務，如何有效評價學生的學習成果等。在本課多次磨課試教的過程中，通過多次不斷地探索新設備、新技術，不斷地對教學設計進行改良，筆者切身地感受到智慧教育永無止境，沒有最好，只有更好！

（本案例獲得2018年度“兩岸智慧好課堂”邀請賽三等獎）

案例點評：

孫秀芝老師執教的《機器人向導》這一課，在知識點分布上屬于“Swift程序設計與創意作品開發”課程中Swift程序設計部分內容結束，過渡到機器人編程與創意作品開發部分的一個關鍵環節，學生在這一內容上能否掌握扎實的機器人編程方法與流程，并獲得良好的學習體驗，會影響到后續課程內容的順利實施和學生自信心與熱情的保持。同時，本課的教學內容比較豐富，既需要回顧Swift程序語言知識，也需要學習實體機器人開發環境創設、開發流程與基本指令的開發，因此對于執教者是一個極大的挑戰。而這些挑戰，孫老師通過一項預備感知活動和三項循序漸進的實踐任務較好地進行了串接，試圖讓學生在過關闖將式的任務解決中拾級而上。

從教學的實施效果來看，所有的學生小組最終均順利地完成了實踐任務，較好地達成了預設的教學目標，并且這一結果通過智慧課堂技術系統中基于即時反饋系統的隨堂測評以及作品投遞功能進行了佐證。實際上在本課實施中，智慧課堂技術系統的助力不僅體現在對學生的全員評價環節，在內容呈現、師生互動、課堂組織等方面也同樣提供了適切的支持，如無線投影技術在操作過程呈現的應用，屏幕廣播與作品收集在教學展示和學情診斷中的應用，分組與計分功能在引導小組協作學習中的應用等。因此從某種意義上來說，正是這些技術手段優化了這些在傳統課堂中費時費力的環節，才可以讓師生更加聚焦于知識建構、技能習得的核心環節，而這也是本節課可以承載如此豐富的教學內容的原因之一。當然，本課在教學流程設計上與傳統課堂比較接近，學生學習上比較整齊劃一，這可能是受教學內容、展示活動等因素的限制，但也啟示我們，結合信息技術學科教學中常見的學習者起點與基礎差異，開展多樣性教學，為不同層次的學生提供個性化的教學干預也是一個值得在后續實踐中持續關注的問題。

（點評人：浙江省金華市廣播電視大學 王一丹）