中學(xué)機(jī)器人社團(tuán)課教學(xué)模式設(shè)計(jì)與實(shí)踐
——《風(fēng)扇的制作》為例

申杰，秦健

(陜西師范大學(xué)教育學(xué)院，陜西西安710062)

1 引言

人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的浪潮勢(shì)不可擋?？梢灶A(yù)見的是，未來(lái)的社會(huì)一定是智能化的、強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新的。這就對(duì)我們培養(yǎng)的人才提出了新的要求，今天的教育體系所培養(yǎng)出的“學(xué)科分割”的人才還能否適應(yīng)未來(lái)的社會(huì)？

2017年7月，國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》通知中，中國(guó)到2020 年人工智能技術(shù)和應(yīng)用與世界先進(jìn)水平同步，提倡在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能課程，普及推廣編程教育。

2018 年4 月，教育部發(fā)布了《教育信息化2.0》，其中“智慧教育創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)”強(qiáng)調(diào)要加強(qiáng)智能教學(xué)助手、教育機(jī)器人、智能學(xué)伴等技術(shù)的研究、應(yīng)用。

2019年11月，教育部《關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見》中指出，注重加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與多學(xué)科融合教育、編程教育、創(chuàng)客教育、人工智能教育、社會(huì)實(shí)踐等有機(jī)融合。

2020 年7 月，教育部印發(fā)《中小學(xué)勞動(dòng)教育指導(dǎo)綱要(試行)》通知中，提出將提高創(chuàng)意物化能力列為勞動(dòng)教育要求之一。

從上面的政策文件可以看出，近些年來(lái)國(guó)家十分重視科技創(chuàng)新，隨著政策的不斷發(fā)布，越來(lái)越多的學(xué)校開展了科創(chuàng)教育，其中機(jī)器人教育是一種較受歡迎的模式。機(jī)器人教育是一種典型的跨學(xué)科教育，融合了機(jī)械電子知識(shí)、力學(xué)知識(shí)、算法程序知識(shí)，同時(shí)它又是面向真實(shí)情景的一種學(xué)習(xí)，學(xué)會(huì)解決生活中的問題。

2 機(jī)器人教學(xué)現(xiàn)狀

2.1 傳統(tǒng)教學(xué)模式

國(guó)內(nèi)的機(jī)器人教育發(fā)展歷史并不長(zhǎng)久，因此配套的課程內(nèi)容、教學(xué)理念、教學(xué)模式并不完善。在基礎(chǔ)教育體系中，機(jī)器人教育并沒有明確進(jìn)入國(guó)家課程體系，我國(guó)采用的三級(jí)課程體系中國(guó)家課程、地方課程、校本課程，機(jī)器人教育以校本課程為主。缺乏課程標(biāo)準(zhǔn)和專家指導(dǎo)，各學(xué)校的機(jī)器人教法、學(xué)法、種類各不相同[1]。許多教師都是“趕鴨子上架”，不少人還在用傳統(tǒng)的教學(xué)方法上機(jī)器人課程。講練結(jié)合法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法、講授演示法。這些方法適合機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)內(nèi)容和簡(jiǎn)單技能的掌握，沒有給學(xué)生足夠的創(chuàng)造機(jī)會(huì)和創(chuàng)造空間，也就背離了機(jī)器人教育的初心。

2.2 以競(jìng)賽為主的機(jī)器人教學(xué)

機(jī)器人教育的發(fā)展，少不了機(jī)器人競(jìng)賽的助力。機(jī)器人競(jìng)賽能夠激發(fā)出學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新精神、動(dòng)手實(shí)踐能力、工程素養(yǎng)。開設(shè)機(jī)器人課程的學(xué)校大多都會(huì)組織學(xué)生參加機(jī)器人比賽。以機(jī)器人比賽為目標(biāo)開展機(jī)器人教學(xué)，激發(fā)師生教學(xué)、學(xué)習(xí)的激情，形成了機(jī)器人競(jìng)賽的以賽促教模式。在全人教育、素質(zhì)教育的大背景下，機(jī)器人競(jìng)賽的獎(jiǎng)項(xiàng)似乎成了科技強(qiáng)校、重視學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新精神的一種證明。于是各個(gè)學(xué)校購(gòu)買各種比賽器材，圍繞競(jìng)賽任務(wù)開展教學(xué)。課程完全為比賽服務(wù)，而比賽不是所有人能夠參加的，所以只能抓住少數(shù)幾個(gè)學(xué)生來(lái)重點(diǎn)培養(yǎng)，這是有位教育公平的表現(xiàn)，機(jī)器人教育應(yīng)當(dāng)是普適化教學(xué)而非精英教育。在機(jī)器人教育的發(fā)展過程中，機(jī)器人競(jìng)賽確實(shí)起到了重大推動(dòng)作用，但是由于市場(chǎng)監(jiān)管的缺失，各路資本的涌入，使得市面上出現(xiàn)了各種各樣的機(jī)器人。機(jī)器人競(jìng)賽逐漸從學(xué)生之間的競(jìng)賽轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器之間的競(jìng)賽，不僅背離了機(jī)器人教育培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力與創(chuàng)新精神的初衷，也使得學(xué)校與家長(zhǎng)陷入了無(wú)止境的內(nèi)耗中[2]。

3 教學(xué)模式構(gòu)建

3.1 樂高4C教育理念

樂高認(rèn)為，兒童是天生的好學(xué)者，只要加以引導(dǎo)，每個(gè)孩子都能成功。樂高將學(xué)習(xí)過程集體分為聯(lián)系(Connect)、建構(gòu)(Con‐struct) 、反思(Contemplate) 、延續(xù)(Continue) 四個(gè)階段。1) 聯(lián)系階段將新知識(shí)與學(xué)生已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系，從真實(shí)的情境出發(fā)，尋求問題的解決方案；2)建構(gòu)階段，學(xué)生通過利用樂高教具搭建可供分享的創(chuàng)意作品，在不斷嘗試、反復(fù)、體驗(yàn)和總結(jié)的過程中，同化與順應(yīng)的認(rèn)知過程也在不斷發(fā)生；3)反思階段，即對(duì)建構(gòu)作品的反思，通過討論、交流發(fā)現(xiàn)其中的問題并形成調(diào)整方案，也是深化學(xué)習(xí)的重要階段；4)延續(xù)階段，通過上一步的反思激發(fā)了新的創(chuàng)意的產(chǎn)生，應(yīng)用新想法又可以改進(jìn)或創(chuàng)作一個(gè)全新的作品，尋找聯(lián)系點(diǎn)，進(jìn)入下一個(gè)聯(lián)系階段[3]。四個(gè)環(huán)節(jié)并非一個(gè)簡(jiǎn)單的線性結(jié)構(gòu)，各環(huán)緊緊相扣形成一個(gè)動(dòng)態(tài)的循環(huán)過程。

3.2 PBL教學(xué)理念

PBL 是Porblem-Based Learning 的簡(jiǎn)稱,即基于問題的學(xué)習(xí)。PBL最早起源于美國(guó)，Barrows教授認(rèn)為PBL既可以作為一門課程又可以作為一種過程。作為一門課程，它是由精心設(shè)計(jì)的問題構(gòu)成，為了解決這些問題，要求學(xué)習(xí)者具備自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、解決問題的能力；作為一種過程，學(xué)習(xí)者要求學(xué)會(huì)使用系統(tǒng)全面的方法解決實(shí)際問題[4]。PBL教學(xué)法起初在醫(yī)學(xué)教育中應(yīng)用，逐漸進(jìn)入到中小學(xué)教學(xué)中[5]。該教學(xué)模式為學(xué)生創(chuàng)造真實(shí)且有意義的教學(xué)環(huán)境，學(xué)生以小組的方式合作解決實(shí)際問題，在解決問題的過程中習(xí)得知識(shí)和技能，培養(yǎng)科學(xué)探究思維、實(shí)際問題解決能力。傳統(tǒng)課堂環(huán)境下，PBL活動(dòng)獲取的資源有限，情境創(chuàng)設(shè)多是依賴于教師的語(yǔ)言描述，導(dǎo)致學(xué)生理解存在困難。

3.3 問題情境教學(xué)模式

樂高的4C 教育理念雖然符合學(xué)習(xí)的認(rèn)知過程，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性參與到學(xué)習(xí)中來(lái)。但是對(duì)于中小學(xué)機(jī)器人新手教師來(lái)講，該模式過于簡(jiǎn)練，一時(shí)之間不知道如何下手。PBL教學(xué)在傳統(tǒng)課堂中存在問題情境創(chuàng)設(shè)不足、資源獲取不足的問題，在機(jī)器人課堂中可以通過樂高教具來(lái)解決。樂高4C 理念其實(shí)與PBL教學(xué)模式也有內(nèi)在的聯(lián)系。樂高4C理念是一個(gè)循環(huán)，“延續(xù)”之后又是“聯(lián)系”，實(shí)際上也是通過一個(gè)又一個(gè)的問題所連接起來(lái)的，從“聯(lián)系”到“延續(xù)”也是問題的解決過程。因此將樂高4C 理念與PBL 教學(xué)模式結(jié)合起來(lái)，提出了問題情境教學(xué)模式。將樂高4C 理念細(xì)化分為：1)情景引入，激發(fā)興趣；2)主動(dòng)思考，發(fā)現(xiàn)問題；3)知識(shí)講授，明確原理；4)動(dòng)手實(shí)踐，小組探究；5)結(jié)果展示，交流表達(dá)；6)答疑解惑，評(píng)價(jià)總結(jié)；7)改進(jìn)與拓展；8) 遷移與應(yīng)用。同時(shí)將PBL 的理念融合于教學(xué)過程中?；跇犯?C理念的問題情境教學(xué)模式圖如圖1。

圖1 問題情境教學(xué)模式

4 基于問題情境教學(xué)模式的教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)踐——以風(fēng)扇為例

4.1 教學(xué)目標(biāo)

本課例以“炎炎夏日，如何舒適度過”這一情境為依托，學(xué)生通過學(xué)習(xí)理論知識(shí)和實(shí)踐操作，達(dá)到以下目標(biāo)：

知識(shí)與技能：齒輪的扭矩、角速度、傳動(dòng)比等概念；風(fēng)扇的組成部分與原理；計(jì)算齒輪的傳動(dòng)比，了解扭矩與角速度的關(guān)系。

過程與方法：通過“輸入—處理—輸出”的基本模式體會(huì)工程思想；通過小組合作學(xué)習(xí)、解決問題的過程培養(yǎng)問題解決能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。

情感態(tài)度與價(jià)值觀：通過解決實(shí)際問題激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、建立自信心，提升科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)勇于質(zhì)疑、勇于探索的科學(xué)態(tài)度。

4.2 教學(xué)對(duì)象及特征分析

本課程以社團(tuán)課的形式開展，面向的學(xué)習(xí)者為初中一年級(jí)、二年級(jí)的學(xué)生。他們?nèi)粘Ｉ钪幸灿胸S富的經(jīng)驗(yàn)，學(xué)習(xí)了基礎(chǔ)的物理知識(shí)，掌握了一些概念，因此可以從已掌握的概念出發(fā)，結(jié)合觀察實(shí)驗(yàn)了解相關(guān)的知識(shí)。學(xué)生總體處于較低層次，知識(shí)傳授方面傾向于定性地學(xué)習(xí)。學(xué)生每周都有信息技術(shù)課程，對(duì)計(jì)算機(jī)有一定的操作能力。通過前期的調(diào)查問卷發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)樂高機(jī)器人都很感興趣，但是接觸得不多，因此風(fēng)扇的設(shè)計(jì)上給出簡(jiǎn)單的模型。

4.3 教學(xué)環(huán)境

課程在創(chuàng)客教室開展，配備有5臺(tái)裝有樂高EV3mindstorms教師版的電腦，一共5套樂高45544和5套9898套裝，教室內(nèi)有6張桌子。每張可容納4人，共分為5組。

4.4 教學(xué)內(nèi)容和主題分析

前期已經(jīng)開展了4 課時(shí)的課程，學(xué)生對(duì)零件有一定的認(rèn)識(shí)，本課例讓學(xué)生設(shè)計(jì)制作一個(gè)風(fēng)扇來(lái)降低溫度，是對(duì)前面學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)搭建知識(shí)總結(jié)，也是帶領(lǐng)學(xué)生開始學(xué)習(xí)編程知識(shí)的第一步。

4.5 學(xué)習(xí)工具

LEGO 9898套裝，LEGO 45544套裝。

4.6 教學(xué)方法

以樂高4C教學(xué)法為基礎(chǔ)，結(jié)合問題情境教學(xué)模式，以小組協(xié)作的方式開展。組內(nèi)分為搭建手、編程手、答辯手、小助手4名不同角色，組內(nèi)分工明確。圖2為學(xué)生作品

圖2 學(xué)生作品

4.7 教學(xué)過程

本課例一共分為4個(gè)課時(shí)，2次課，第一次講授齒輪的相關(guān)知識(shí)，讓學(xué)生搭建出小風(fēng)扇，并學(xué)會(huì)計(jì)算傳動(dòng)比。第二次認(rèn)識(shí)觸碰傳感器、LEGO EV3主控和中型馬達(dá)，學(xué)習(xí)使用軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的編程。

表1 第一次課教學(xué)過程

改進(jìn)與拓展遷移與應(yīng)用依據(jù)教師的總結(jié)和其他小組的作品對(duì)自身進(jìn)行改進(jìn)。嘗試使用多個(gè)齒輪組加速并計(jì)算其傳動(dòng)比，這里可以用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證轉(zhuǎn)動(dòng)后面的把手風(fēng)扇開始轉(zhuǎn)動(dòng)，假設(shè)傳動(dòng)比為1:10，也就是說后面的把手轉(zhuǎn)動(dòng)1 圈，風(fēng)扇應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)10圈，反過來(lái)讓風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，把手就應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)0.1 圈，一圈為360 度，因此可以推算出把手轉(zhuǎn)動(dòng)了36 度?？梢阅繙y(cè)把手轉(zhuǎn)動(dòng)的角度估算傳動(dòng)比是否正確遷移到小車爬坡的情境中，有一個(gè)小車動(dòng)力不足，爬不上山坡，你能利用今天學(xué)到的齒輪知識(shí)來(lái)幫助小車爬上山坡嗎迭代設(shè)計(jì)，實(shí)踐驗(yàn)證將知識(shí)遷移到不同的情境中去。從一個(gè)問題到另一個(gè)問題，從另一個(gè)角度深化知識(shí)的學(xué)習(xí)

表2 第二次課教學(xué)過程

4.8 教學(xué)評(píng)價(jià)

采用學(xué)生自評(píng)、小組評(píng)價(jià)和教師評(píng)價(jià)結(jié)合。在每節(jié)課的最后都會(huì)給出本節(jié)課的自我評(píng)價(jià)等級(jí)表，該表參考了樂高官方網(wǎng)站上的格式，分為銅、銀、金、鉑金四個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)本節(jié)課知識(shí)的掌握情況；小組評(píng)價(jià)是以匯報(bào)的形式展開，每個(gè)小組都要展示自己設(shè)計(jì)的風(fēng)扇，并對(duì)老師和同學(xué)們的問題進(jìn)行回答，依據(jù)作品設(shè)計(jì)完成度和答辯表現(xiàn)來(lái)評(píng)價(jià)；教師評(píng)價(jià)在小組匯報(bào)之后，對(duì)各個(gè)小組的作品進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，總結(jié)優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，指出下一步改進(jìn)的方向。

4.9 教學(xué)反思

在課程的開展過程中，發(fā)現(xiàn)這種貼近日常生活的案例學(xué)生很感興趣，學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)在風(fēng)扇的設(shè)計(jì)方面會(huì)有很大的幫助。由于小組剛開始組建，部分學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)比較淡薄，還沒有意識(shí)到他們要通力配合才能更好地完成任務(wù)。相信隨著課程的開展這一問題會(huì)逐步解決。

5 機(jī)器人教學(xué)建議

5.1 在課程內(nèi)容上的建議

在課程案例的選擇上，盡可能地從學(xué)生日常生活出發(fā)。選取這樣的案例：一是能夠激發(fā)學(xué)生的興趣；二是也能利用學(xué)生的已有經(jīng)驗(yàn)，從舊的知識(shí)上增長(zhǎng)出新的知識(shí)；三是符合PBL 教學(xué)中的解決真實(shí)情境下的問題。需要注意的是所提出的問題應(yīng)當(dāng)盡量做到前后之間有聯(lián)系，保證學(xué)習(xí)的連貫性。問題情景教學(xué)的關(guān)鍵是提出問題，問題一定在情景中提出，在情境中解決，在情境中遷移。

5.2 在教學(xué)過程中的建議

與傳統(tǒng)的課堂不同，在機(jī)器人的教學(xué)中應(yīng)當(dāng)擺正教師位置，堅(jiān)持學(xué)生為主體、教師主導(dǎo)的教學(xué)，充分發(fā)揮教師的引導(dǎo)作用。要營(yíng)造一種良好的學(xué)習(xí)氛圍，允許錯(cuò)誤的環(huán)境，鼓勵(lì)學(xué)生大膽發(fā)言，克服學(xué)生的膽怯的心理障礙，充分體現(xiàn)出學(xué)生的價(jià)值。培養(yǎng)勇于探索、勇于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的精神。

5.3 在課程形式上的建議

目前大多數(shù)學(xué)校以社團(tuán)課的方式開展機(jī)器人教學(xué)，社團(tuán)的優(yōu)點(diǎn)是學(xué)生都比較感興趣，課程比較輕松。缺點(diǎn)是覆蓋面不夠、學(xué)生少，也沒有涉及學(xué)科知識(shí)，導(dǎo)致對(duì)機(jī)器人課程的重視程度不夠。在實(shí)際的教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人課程還可以從以下兩種形式開展：

1)配合編程教育，作為載體學(xué)習(xí)編程知識(shí)?，F(xiàn)如今，國(guó)家要求人工智能以及編程教育要逐步普及到中小學(xué)，在未來(lái)，編程會(huì)像英語(yǔ)一樣是每個(gè)人都必須具備的技能。①機(jī)器人本身就需要我們對(duì)其進(jìn)行編程來(lái)完成各種各樣的任務(wù)；②同時(shí)將自己編寫的程序使用機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)世界中表現(xiàn)出來(lái)，這能給編程教育極強(qiáng)的反饋，會(huì)進(jìn)一步地深化編程教育；③目前市面上比較流行的圖形化編程軟件大都已經(jīng)適配了LEGO EV3；基于以上原因筆者認(rèn)為如果開設(shè)編程課，可以采用LEGO機(jī)器人開展教學(xué)。

2)融入學(xué)科知識(shí)，與學(xué)科教師合作完成課堂。機(jī)器人并非只能出現(xiàn)在專門的信息技術(shù)課堂或者社團(tuán)課中，像本課例中就涉及了很多的物理學(xué)科知識(shí)，可以作為物理課的教具來(lái)使用。在學(xué)生學(xué)習(xí)抽象知識(shí)的時(shí)候，實(shí)際動(dòng)手來(lái)搭建物理模型，也是一種強(qiáng)化理解的方式。樂高有各式各樣的零件，像齒輪、帶輪、凸輪、滑輪等，完全可以配合物理課來(lái)開展教學(xué)。

5.4 強(qiáng)化教師培訓(xùn)

隨著機(jī)器人教育的不斷發(fā)展，許多學(xué)校都開展了機(jī)器人教育，但是苦于師資力量不足，開展過程中遇到許多的困難。應(yīng)該加強(qiáng)機(jī)器人教育、編程教育、人工智能教育的培訓(xùn)。1)這種培訓(xùn)不能只停留在“我們?yōu)槭裁撮_展科創(chuàng)教育”的層面，而是要提供給廣大教師可開展的課程，達(dá)到“我們應(yīng)該怎么做”的層面；2)培訓(xùn)不能是次數(shù)少、前后無(wú)關(guān)聯(lián)的，而應(yīng)該達(dá)到前后關(guān)聯(lián)、多次的培訓(xùn)。只有這樣培訓(xùn)才能夠真正地落到實(shí)處，起到作用，不至于學(xué)校還要從外界聘請(qǐng)機(jī)器人教師來(lái)開展教學(xué)。