基于云端的跨區(qū)域機(jī)器人雙線融合教學(xué)的實(shí)踐與研究

周小江 鄭澤崇 李影 江悅呈

摘要：本研究結(jié)合新冠疫情期間線上教學(xué)實(shí)際和學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，將現(xiàn)代信息技術(shù)與課程教學(xué)相融合，結(jié)合中小學(xué)智能機(jī)器人核心能力的培養(yǎng)成果導(dǎo)向理念，以教育教學(xué)實(shí)踐為基礎(chǔ)，以智能化的教學(xué)資源平臺(tái)和智能終端為依托，構(gòu)建了“AI機(jī)器人編程與人工智能教材”課程智慧化教學(xué)模式，促使學(xué)生基于實(shí)際工作任務(wù)自主探究學(xué)習(xí)，培育創(chuàng)新能力、學(xué)習(xí)能力和勞動(dòng)精神，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)教育資源共享，為構(gòu)建智能化時(shí)代教育新的優(yōu)質(zhì)教育資源共享提供了新的思路和途徑。

關(guān)鍵詞：云端平臺(tái);智慧教育;智能機(jī)器人;雙線嵌入式教學(xué)

中圖分類號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2022）05-0069-03

● 前言

新冠疫情暴發(fā)后，教育部發(fā)出了“停課不停學(xué)”的通知，各地教育主管部門紛紛跟進(jìn)部署，各學(xué)校充分利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及信息技術(shù)平臺(tái)開展線上教學(xué)，確保“空中課堂”正常開展。筆者所在學(xué)校也先后引入了CCTALK、釘釘?shù)然?dòng)教育平臺(tái)進(jìn)行直播、錄播教學(xué)，取得了良好效果，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。隨著新冠疫情進(jìn)入常態(tài)化，相對(duì)于傳統(tǒng)課堂，線上線下雙線融合教學(xué)課堂的優(yōu)勢(shì)愈發(fā)凸顯。

1.云端平臺(tái)的背景

2020年，深圳市入選了教育部“基于教學(xué)改革、融合信息技術(shù)的新型教與學(xué)模式實(shí)驗(yàn)區(qū)”和“智慧教育示范區(qū)”名單，在此環(huán)境下，深圳市云端平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生（如圖1）。平臺(tái)集成了大量基于人工智能、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新技術(shù)的應(yīng)用手段，創(chuàng)設(shè)了“常態(tài)化、全學(xué)科、多主講、直播互動(dòng)+智能輔助”的新型教學(xué)模式;構(gòu)建了“跨校組班、多師協(xié)同、最優(yōu)助學(xué)、線上/線下無(wú)縫融合、自由切換”的自主學(xué)習(xí)模式;形成了“全國(guó)知名專家深度參與、市教研員駐點(diǎn)指導(dǎo)、市內(nèi)名師牽頭”的嵌入式教學(xué)模式。

2.跨區(qū)域機(jī)器人線上線下融合教學(xué)的背景

本研究以深圳市新安中學(xué)（集團(tuán)）第一實(shí)驗(yàn)學(xué)校（以下簡(jiǎn)稱學(xué)校）、龍崗區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校、東莞市長(zhǎng)安二小等大灣區(qū)區(qū)域?qū)W校為例，對(duì)學(xué)校開展線上智能機(jī)器人課程跨區(qū)域雙線嵌入式教學(xué)融合教學(xué)，以及依托云端平臺(tái)，開展科創(chuàng)課程線上教學(xué)進(jìn)行了探索，并以“AI機(jī)器人編程與人工智能教材”課程為例，從基礎(chǔ)知識(shí)、實(shí)現(xiàn)條件、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)活動(dòng)和教學(xué)評(píng)價(jià)五個(gè)方面來(lái)分析課堂教學(xué)模式，探索教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、評(píng)價(jià)方法的創(chuàng)新路徑。

● 基于云端平臺(tái)的線上線下教學(xué)特點(diǎn)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及新冠疫情期間“空中課堂”的檢驗(yàn)，線上教學(xué)已展現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。尤其是學(xué)校在加入深圳市云端學(xué)校后，融合了基于人工智能、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新技術(shù)的應(yīng)用手段，教學(xué)上實(shí)現(xiàn)了線上線下雙線有機(jī)融合、無(wú)縫切換。圖2是基于云端跨區(qū)域雙線融合教學(xué)框架。

跨區(qū)域線上線下教學(xué)主要有以下特點(diǎn)：

一是打破傳統(tǒng)學(xué)校的有形邊界和物理空間。通過(guò)在線學(xué)習(xí)平臺(tái)、互動(dòng)教學(xué)平臺(tái)等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的遠(yuǎn)程師生互動(dòng)的教學(xué)方式，提升各入駐校間的互聯(lián)互通，建設(shè)泛在、沉浸式的智能教育學(xué)環(huán)境。

二是整合優(yōu)質(zhì)教育資源，為更多的學(xué)生群體提供優(yōu)質(zhì)教育服務(wù)。云端教室可以直接對(duì)直播課堂進(jìn)行錄制，為課后師生開展教研活動(dòng)提供課堂授課回放，有力支持教育教學(xué)持續(xù)深入開展。

三是云端平臺(tái)具備學(xué)生行為分析系統(tǒng)。通過(guò)行為分析攝像機(jī)捕捉學(xué)生上課狀態(tài)，及時(shí)傳送到云端學(xué)校AI超腦，通過(guò)行為分析邊緣計(jì)算中心，分別就學(xué)生行為、課堂微表情、人臉識(shí)別、學(xué)生坐姿等進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，直接生成入駐班學(xué)生課堂關(guān)注度排序等數(shù)據(jù)，直接呈現(xiàn)在課室后方的LED顯示屏上，為授課教師觀察學(xué)生上課狀態(tài)、及時(shí)調(diào)整授課進(jìn)度提供有力決策依據(jù)。

● 基于云端平臺(tái)的跨區(qū)域雙線融合教學(xué)實(shí)踐

在“AI機(jī)器人編程與人工智能教材”課程智慧教學(xué)模式下，本研究開展了為期半年的跨區(qū)域線上線下嵌入式教學(xué)實(shí)踐。通過(guò)線上的跨區(qū)域同步課程學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的編程與計(jì)算思維，并在以下三個(gè)方面給機(jī)器人教學(xué)基礎(chǔ)薄弱的區(qū)域的學(xué)生與教師帶來(lái)極大益處：首先是解決問(wèn)題的能力，即掌握計(jì)算思維的學(xué)生能更好地知道如何克服突發(fā)困難，并且盡可能快速地給出解決方案;其次是創(chuàng)造性思考的能力，即掌握計(jì)算思維的學(xué)生更善于研究、收集和了解最新的信息，并運(yùn)用新的信息來(lái)解決各種問(wèn)題和實(shí)施各項(xiàng)方案;最后是獨(dú)立自信的精神，即掌握計(jì)算思維的學(xué)生能更好地適應(yīng)團(tuán)隊(duì)工作，并能在獨(dú)立面對(duì)挑戰(zhàn)時(shí)表現(xiàn)得更為自信和淡定。

1.跨區(qū)域線上線下教學(xué)培養(yǎng)實(shí)例

面對(duì)新冠疫情，作為教育主戰(zhàn)場(chǎng)的校園是防疫的重點(diǎn)，因此線上教育應(yīng)時(shí)而生，教師均成了“主播”。但機(jī)器人教學(xué)不同于常規(guī)的基礎(chǔ)學(xué)科教學(xué)，機(jī)器人知識(shí)是跨多學(xué)科知識(shí)的綜合，機(jī)器人具有明顯的跨界、融合特征，融合了自動(dòng)控制、人工智能、機(jī)械設(shè)計(jì)、人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通信、仿生學(xué)等多學(xué)科技術(shù)。單一的線上授課，脫離實(shí)踐操作，而機(jī)器人線上教學(xué)能很好地兼顧趣味性、多樣性、延展性、創(chuàng)意性，機(jī)器人線下實(shí)踐能夠彌補(bǔ)學(xué)校教育中缺乏的對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力和操作能力的實(shí)訓(xùn)，有助于培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)。

例如，在《節(jié)能路燈》一課的教學(xué)中，第一階段，教師在線上先讓學(xué)生確立學(xué)習(xí)目標(biāo)，熟知各元器件，能夠用積木搭建路燈的基本模型（如下頁(yè)圖3）與正確連接元器件，并進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)與構(gòu)思等跨區(qū)域線上同步教學(xué)。

第二階段，各區(qū)域?qū)W校線下分別進(jìn)行程序編寫與設(shè)計(jì)（如圖4）、節(jié)能路燈的實(shí)踐操作，并進(jìn)行各區(qū)域線上共享研究成果。在教學(xué)組織上，采用線上線下相結(jié)合的融合教學(xué)，課堂教學(xué)以達(dá)到傳授基本的知識(shí)為目的，以適當(dāng)?shù)难杏憰r(shí)間培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識(shí)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。線上以項(xiàng)目練習(xí)、實(shí)踐操作加深學(xué)生的理解，強(qiáng)化學(xué)生知識(shí)體系。通過(guò)布置任務(wù)讓學(xué)生主動(dòng)去學(xué)習(xí)知識(shí)、思考問(wèn)題，并運(yùn)用知識(shí)去設(shè)計(jì)方案以解決問(wèn)題。

2.跨區(qū)域機(jī)器人線上線下教學(xué)模式優(yōu)勢(shì)

（1）教學(xué)模式的突破

線上線下嵌入式教學(xué)的實(shí)施，將基于互聯(lián)網(wǎng)的云課堂與傳統(tǒng)課堂相結(jié)合，使得課程的教學(xué)活動(dòng)擴(kuò)大到線上線下，突破了內(nèi)容、時(shí)間、空間、人數(shù)的限制，構(gòu)建了線下與線上優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)共存的柔性課程。一方面，可以均衡不同地區(qū)的教育不均衡，特別是機(jī)器人教學(xué)，學(xué)校與學(xué)校之間、區(qū)域之間極不均衡，通過(guò)跨區(qū)域機(jī)器人線上線下教學(xué)，可以讓機(jī)器人教育不發(fā)達(dá)的區(qū)域共享到機(jī)器人教學(xué);另一方面，教師既能在線下利用線上資源和手段有效組織教學(xué)，又能在線上根據(jù)學(xué)生情況構(gòu)建自主學(xué)習(xí)課程，并初步構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+教學(xué)做”一體化的教學(xué)模式。

（2）學(xué)習(xí)模式的優(yōu)勢(shì)

通過(guò)“互聯(lián)網(wǎng)+教學(xué)”，各區(qū)域可以在機(jī)器人工作室的背景下進(jìn)行跨區(qū)域的遠(yuǎn)程教學(xué)與交流，充分發(fā)揮名師的引領(lǐng)作用。一方面，在課程與課堂實(shí)施中每個(gè)學(xué)生都可以根據(jù)自己的專業(yè)特點(diǎn)、學(xué)習(xí)背景、興趣愛好參與相關(guān)課程的學(xué)習(xí);另一方面，不同學(xué)校的教師可以進(jìn)行交流學(xué)習(xí)，形成“全國(guó)知名專家深度參與、科技名師駐點(diǎn)指導(dǎo)、區(qū)域名師牽頭”的嵌入式同研同培教研模式，有力推進(jìn)科技教育優(yōu)質(zhì)資源共建、共享。

（3）課程設(shè)計(jì)的新路徑

線上線下的嵌入式教學(xué)是基于云端平臺(tái)的新模式教學(xué)。通過(guò)優(yōu)化線上線下的教學(xué)模式，促進(jìn)課程設(shè)計(jì)的重新調(diào)整，整合教研組的優(yōu)質(zhì)教育資源，全方位融合線上線下教學(xué)，為更多不同區(qū)域的愛好機(jī)器人的學(xué)生群體和教師群體提供優(yōu)質(zhì)教育服務(wù)，利用智慧手段開辟推進(jìn)基礎(chǔ)教育優(yōu)質(zhì)均衡發(fā)展的新路徑。

● 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)踐研究，學(xué)校一方面在常態(tài)化、全學(xué)科、多主講、直播互動(dòng)+智能輔助等新型教學(xué)模式背景下，基于“互聯(lián)網(wǎng)+”打造智能化、交互化、泛在化的教學(xué)資源平臺(tái)，構(gòu)建了面向跨區(qū)域?qū)W生的線上線下雙線融合教學(xué)模式;另一方面結(jié)合學(xué)校在線課堂的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)線上線下的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)思考和學(xué)習(xí)的能力，從而使課堂教育更具有啟發(fā)性、開拓性。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)教育資源共享，為優(yōu)質(zhì)教育資源共享提供了新的思路和途徑。

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