邱雅番

摘 要 隨著機(jī)器人教育在我國基礎(chǔ)教育的不斷探索與實(shí)踐，機(jī)器人走進(jìn)了中小學(xué)的課堂，走進(jìn)了不同的學(xué)科。筆者通過研讀小學(xué)數(shù)學(xué)教材，以新課程標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，將數(shù)學(xué)與機(jī)器人教學(xué)結(jié)合，設(shè)計(jì)出基于數(shù)學(xué)任務(wù)情境下的機(jī)器人課程，旨在讓學(xué)生通過機(jī)器人制作與任務(wù)完成，形成數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的積極性和主動性。對一線從事機(jī)器人教育的教師具有一定的參考價(jià)值和實(shí)踐指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 機(jī)器人與數(shù)學(xué) 樂高機(jī)器人 情境教學(xué)

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Lego Robotics Course Based on Mathematical Task Situation

QIU Yafan

(School of Education, Fujian Normal University, Fuzhou, Fujian 350007)

Abstract Robotics education in basic education in China continues to explore and practice, the robot into the primary and secondary school classroom, into the different disciplines. Through the study of elementary school mathematics textbooks, the new curriculum standards based on the combination of mathematics and robot teaching robotics curriculum design based on the context of mathematical tasks, designed to allow students to be completed by robot production and tasks, the formation of mathematics learning enthusiasm and initiative. First-line robot education teachers with a certain reference value and practical significance.

Key words robot and mathematics; Lego Robotics; situational teaching

當(dāng)前，已經(jīng)有越來越多的英國教育專家強(qiáng)調(diào)指出，以往小學(xué)數(shù)學(xué)內(nèi)容枯燥，缺乏適宜的教學(xué)方法，很難激勵孩子們的學(xué)習(xí)興趣。①對于我國來說，在新課改之前存在同樣的情形。但隨著近年來課程改革的不斷進(jìn)展，數(shù)學(xué)的新課標(biāo)強(qiáng)調(diào)重視學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)、強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)內(nèi)容要通過問題情境引入、強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生經(jīng)歷解決問題的過程，這就使得數(shù)學(xué)的應(yīng)用，從傳統(tǒng)上數(shù)學(xué)課程內(nèi)容的終端，一下子置換到了起點(diǎn)。②秉著新課程的這個理念下，筆者嘗試將中小學(xué)盛行的機(jī)器人融入到小學(xué)數(shù)學(xué)的教學(xué)中，以此來討論機(jī)器人對提高學(xué)生數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)興趣和促進(jìn)數(shù)學(xué)知識理解和應(yīng)用方面的影響。

1 機(jī)器人與數(shù)學(xué)整合的理念

1.1 機(jī)器人做中學(xué)的理念

隨著近年來，機(jī)器人教育在我國基礎(chǔ)教育的不斷探索與實(shí)踐，機(jī)器人教育從機(jī)器人競賽逐漸走向了機(jī)器人教學(xué)與教育研究。機(jī)器人的教育價(jià)值使它既可以作為家庭的益智玩具，也可以作為學(xué)校課外活動的載體，還可以作為基礎(chǔ)教育課程的載體。③建構(gòu)主義是指從自己的經(jīng)歷和思考中建立自己的知識和表征的觀點(diǎn)。④這啟示我們，在數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)過程，也應(yīng)該提供給學(xué)生去經(jīng)歷、去思考的平臺和機(jī)會，在已有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建構(gòu)起新的知識體系。而機(jī)器人活動不僅讓學(xué)生擁有高昂的學(xué)習(xí)樂趣，更提供了他們進(jìn)行主動建構(gòu)知識的平臺。

1.2 在有意義的情境中學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)

賈斯珀系列（Jasper series）是20世紀(jì)80年代以來美國建構(gòu)主義教學(xué)模式的典范案例之一。其中，他們提出了惰性知識的概念：指人們刻意回憶時(shí)能夠回憶起來的知識，但這種知識卻不能被自發(fā)地用來解決問題。而克服惰性知識的形成的其中一個手段就是在有意義的情境中學(xué)習(xí)。⑤因此，如果還沿用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)教學(xué)模式，無疑產(chǎn)生了大量的惰性知識。

機(jī)器人與數(shù)學(xué)課程的整合理念恰恰就是想讓孩子們把學(xué)到的數(shù)學(xué)惰性知識通過應(yīng)用轉(zhuǎn)化成活的知識，去解決生活的問題。我們不在于讓學(xué)生只學(xué)數(shù)學(xué)，而在于教他們用數(shù)學(xué)去解決他們的問題。

2 機(jī)器人與數(shù)學(xué)的課程設(shè)計(jì)

表1 機(jī)器人與數(shù)學(xué)課程目錄

選擇樂高這一國際品牌的教育機(jī)器人套裝的NXT藍(lán)牙機(jī)器人系列，以及配套的圖形化編程軟件作為開展此活動的機(jī)器人載體。在研讀小學(xué)數(shù)學(xué)三年級至六年級的課本，以及教學(xué)參考書和新課程小學(xué)數(shù)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，了解小學(xué)生數(shù)學(xué)知識應(yīng)用狀況的基礎(chǔ)上，選擇適合與機(jī)器人教學(xué)融合的教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)出基于數(shù)學(xué)任務(wù)情境下的機(jī)器人教學(xué)課題，如表1所示。

第一章主要任務(wù)是：制作一臺機(jī)器人，并編寫一個程序，讓機(jī)器人逐步完成自動計(jì)時(shí)、測距、計(jì)速的功能，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換成一定的單位顯示到NXT控制器的屏幕上。掌握這些之后，進(jìn)行出租車計(jì)價(jià)器的綜合設(shè)計(jì)，應(yīng)用路程與單價(jià)的關(guān)系簡單地實(shí)現(xiàn)價(jià)格的計(jì)算，并同步在屏幕上顯示（如圖1）。本章涉及到的數(shù)學(xué)知識：圓的周長（小學(xué)數(shù)學(xué)六年級上冊）、乘（小數(shù)）、除（小數(shù)）、毫秒、路程、速度等數(shù)學(xué)概念和公式，應(yīng)用到的編程模塊有：定時(shí)器模塊、變量模塊、數(shù)學(xué)模塊、數(shù)字轉(zhuǎn)文本模塊，以及各模塊之間數(shù)據(jù)連接。自動測距的參考程序如圖2所示。

圖1 出租車計(jì)價(jià)器在NXT屏幕顯示的效果及公式

圖2 自動測距參考程序

第二章主要任務(wù)是：制作一臺可以數(shù)出地上有幾條黑線的機(jī)器人。設(shè)計(jì)思路是機(jī)器人采集到黑線后變量自動加一，然后循環(huán)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)變量中的數(shù)字不斷累加（程序如圖3）。在實(shí)現(xiàn)數(shù)線的基礎(chǔ)上增加數(shù)字判斷：進(jìn)行定線舉旗、定線踢球等趣味性、競爭性的活動。

圖3 機(jī)器人數(shù)線、并進(jìn)行定線舉旗的參考程序

第三部分主要任務(wù)是：在NXT控制器屏幕上顯示點(diǎn)、線、圖形，以及動態(tài)地顯示動畫形象。本節(jié)最主要涉及到的數(shù)學(xué)知識：位置（六年級上冊第一單元），而這個知識為以后學(xué)習(xí)坐標(biāo)、函數(shù)的學(xué)習(xí)做很大的鋪墊。比如一個點(diǎn)的坐標(biāo)是A（x,y），當(dāng)y不變，x循環(huán)加一，這個點(diǎn)的運(yùn)動軌跡就是一條橫線，那如何讓軌跡就變成一條豎線呢？如果x+1，y+1，或者x+1，y+2進(jìn)行循環(huán)累加呢？如果把點(diǎn)換成一只小鳥，一個小人又會怎樣呢？這樣就激發(fā)了學(xué)生的大膽想象，各種有趣的動畫就產(chǎn)生了。這里需要第三方開發(fā)的一個共享軟件nxtRICedit.exe，可以隨意畫出自己的圖片素材和中文，然后導(dǎo)出、添加到NXT軟件目錄下的圖片庫中即可實(shí)現(xiàn)編程了（圖4）。

圖4 學(xué)生在nxtRICedit軟件中設(shè)計(jì) “憤怒的小鳥”形象

第四部分主要任務(wù)是回顧前面所學(xué)的各種數(shù)學(xué)知識和編程知識，提出自己的設(shè)計(jì)項(xiàng)目然后在團(tuán)隊(duì)合作下實(shí)現(xiàn)它。例如：同學(xué)進(jìn)行了憤怒小鳥簡單版游戲的設(shè)計(jì)、打地鼠游戲、自動升旗裝置、出租車計(jì)價(jià)器升級版等作品。

3 機(jī)器人與數(shù)學(xué)課程的實(shí)施建議

《機(jī)器人與數(shù)學(xué)》是在數(shù)學(xué)任務(wù)情境的驅(qū)動下，以機(jī)器人課程的形式，學(xué)生通過機(jī)器人平臺、搭建機(jī)器人模型、設(shè)計(jì)程序，應(yīng)用數(shù)學(xué)知識完成任務(wù)的課程。實(shí)施本課程過程中，需要考慮以下條件：

（1）設(shè)備的要求。NXT機(jī)器人套裝數(shù)目根據(jù)學(xué)生人數(shù)配備，兩人一套，盡量采用小班化教學(xué)，以不超過20人為宜。

（2）對學(xué)生能力的要求。要求學(xué)生在樂高機(jī)器人結(jié)構(gòu)搭建和基礎(chǔ)編程方面有一定基礎(chǔ)，學(xué)段最好在四年級以上。

（3）對工程手冊的要求。一個團(tuán)隊(duì)的整個工程設(shè)計(jì)過程是非常重要的。因此要求每位學(xué)生每堂課都要填寫工程手冊，包含以下內(nèi)容：本節(jié)課任務(wù)、可能用到的數(shù)學(xué)知識和編程知識、程序流程圖、設(shè)計(jì)進(jìn)展和過程、成果描述、自我評價(jià)、家長評價(jià)、指導(dǎo)教師評語。

（4）課程環(huán)節(jié)力求能夠做到貫穿于課前、課中、課后。課前預(yù)習(xí)，通過搜集資料尋找解決問題需要的數(shù)學(xué)知識。課中分享與應(yīng)用，在師生的頭腦風(fēng)暴下分析問題，在機(jī)器人設(shè)備的支持下解決問題。課后反思：教師上傳課堂照片、課程資料等到各學(xué)生博客上，以供學(xué)生和家長在博客上提出問題、寫感受、寫評價(jià)等。

4 總結(jié)與反思

本課程已經(jīng)在福州市創(chuàng)未來機(jī)器人培訓(xùn)學(xué)校的課程中進(jìn)行了實(shí)施。通過教師的多次實(shí)踐和改進(jìn)，本課程獲得了一定的成效，總結(jié)在以下幾方面起到了積極的作用：運(yùn)用機(jī)器人教學(xué)設(shè)備提供的親身搭建、感知，團(tuán)隊(duì)合作，逼真的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)情境，使學(xué)生在不斷的任務(wù)解決中，實(shí)現(xiàn)對數(shù)學(xué)知識的應(yīng)用；通過不斷的提出問題與解決問題，從而建構(gòu)出分析、解決問題的方法；通過不斷地提出一些挑戰(zhàn)性的問題，鼓勵學(xué)生不斷的提出自己的學(xué)習(xí)目標(biāo)；通過復(fù)雜的任務(wù)情境，將分散的數(shù)學(xué)知識點(diǎn)串聯(lián)起來，進(jìn)行數(shù)學(xué)知識的綜合應(yīng)用；在頭腦風(fēng)暴的學(xué)習(xí)氛圍中，學(xué)會互相尊重，學(xué)會團(tuán)隊(duì)合作與溝通。

同時(shí)，本課程存在著一定的局限性。正如格拉摩根大學(xué)一位專家家指出，雖然教學(xué)實(shí)踐表明人工智能機(jī)器人肯定能吸引小學(xué)生積極參與和有目的探究相關(guān)的數(shù)學(xué)知識，但這并不是說，機(jī)器人必然會永遠(yuǎn)保持高度吸引力。⑥我們教師在嘗試把機(jī)器人作為吸引他們興趣、承載知識的一個載體，但是它不是學(xué)習(xí)目的。而本文提出的機(jī)器人與數(shù)學(xué)課程存在內(nèi)容還不夠豐富，與數(shù)學(xué)知識的整合還不夠全面，機(jī)器人編程難度較大等問題，在此希望其他一線教師和業(yè)內(nèi)人士予以補(bǔ)充、指正，使機(jī)器人與學(xué)科的整合能夠得到更好的發(fā)展。

注釋

①⑥章鵬遠(yuǎn).人工智能機(jī)器人與小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)[J].小學(xué)教學(xué)研究,2005(6)

② 余文森.個體知識與公共知識——課程變革的知識基礎(chǔ)研究[M].北京:教育科學(xué)出版社,2010.4:252.

③ 王益,張劍平.美國機(jī)器人教育的特點(diǎn)及其啟示[J],現(xiàn)代教育技術(shù),2007(11).

④ (美)馬丁(Martin,D.J.).建構(gòu)兒童的科學(xué):探究過程導(dǎo)向的科學(xué)教育[M].北京:北京師范大學(xué)出版社,2006:200.

⑤ 王文靜,鄭秋賢.賈斯珀系列──基于情境認(rèn)知的美國數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)案例研究[J].教育發(fā)展研究,2001(8).