韓蕾 鐘柏昌

機(jī)器人教學(xué)能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力、問(wèn)題解決能力以及創(chuàng)意設(shè)計(jì)能力。一直以來(lái)，筆者致力于中小學(xué)機(jī)器人教育的普及工作，并于2015年初承擔(dān)了河北省小學(xué)和初中機(jī)器人電子教材（以下簡(jiǎn)稱“冀教版”）的開發(fā)任務(wù)。本文以冀教版八年級(jí)下冊(cè)《機(jī)器人》為例，闡述初中機(jī)器人教材的設(shè)計(jì)思路及特點(diǎn)。本冊(cè)教材采用Arduino開源硬件板和Ardublock圖形化編程環(huán)境，共計(jì)20課時(shí)，其中第15～20課時(shí)為可選課時(shí)。

目標(biāo)定位：核心素養(yǎng)

學(xué)科核心素養(yǎng)可分為三個(gè)層次：雙基層，以基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能為核心；問(wèn)題解決層，以解決問(wèn)題過(guò)程中所獲得的基本方法和基本態(tài)度為核心；學(xué)科思維層，指在系統(tǒng)的學(xué)科學(xué)習(xí)中通過(guò)體驗(yàn)、認(rèn)識(shí)及內(nèi)化等過(guò)程逐步形成相對(duì)穩(wěn)定的思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的思維方法和價(jià)值觀。以核心素養(yǎng)的三層結(jié)構(gòu)為指引，筆者試圖將上述核心素養(yǎng)滲透于教材中，詳情見下頁(yè)表1。

內(nèi)容選擇：知行并舉

機(jī)器人教育強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主實(shí)踐，因此更適合以項(xiàng)目的形式來(lái)組織教學(xué)。與項(xiàng)目教學(xué)相對(duì)應(yīng)，項(xiàng)目化的教材要求每節(jié)課以項(xiàng)目的形式組織，并整合完成項(xiàng)目所需的理論知識(shí)，因此其本質(zhì)上體現(xiàn)了知行并舉的內(nèi)容選擇和組織思路。在本冊(cè)教材中，在兩個(gè)層面上體現(xiàn)了知識(shí)與能力的整合。

一是知識(shí)的單列與項(xiàng)目的映射。在每個(gè)項(xiàng)目中，根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)分析，形成一個(gè)專門的模塊“基礎(chǔ)知識(shí)與基本技能”。此模塊并非孤立存在，在后繼具體的實(shí)踐中將直接運(yùn)用該模塊中的知識(shí)，因此與具體的項(xiàng)目實(shí)踐有著緊密的聯(lián)系（映射），只是為了方便描述和學(xué)習(xí)，將其“切片”出來(lái)作為一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容，列出了一些較具代表性的課時(shí)（如下頁(yè)表2）。

二是問(wèn)題引入與知識(shí)內(nèi)化。在“基礎(chǔ)知識(shí)與基本技能”模塊，知識(shí)的呈現(xiàn)不是直白的描述，而是基于問(wèn)題和實(shí)踐循循善誘，以序列小問(wèn)題的分析和解決不斷強(qiáng)化這些關(guān)鍵的知識(shí)和技能的掌握。

例1：第8課《聲控風(fēng)扇》中“基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能”節(jié)選。

【基礎(chǔ)知識(shí)】PWM模式控制電機(jī)的針腳分配；設(shè)置電機(jī)模塊和模擬聲音傳感器的功能及使用方法。

【基本技能】利用PWM模式和設(shè)置電機(jī)模塊來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)；利用模擬聲音傳感器收集聲音信號(hào)。

【問(wèn)題分析與知識(shí)引入】制作聲控風(fēng)扇的關(guān)鍵是風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)和聲音的檢測(cè)。扇葉安裝在直流電機(jī)上，因此風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)需要由電機(jī)控制，聲音的檢測(cè)則可使用模擬聲音傳感器。繼而在“基礎(chǔ)知識(shí)與基本技能”中引出直流電機(jī)與模擬聲音傳感器的功能及使用方法。

【知識(shí)應(yīng)用】在ArduBlock中利用“PWM模式”和“設(shè)置電機(jī)模塊”控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，參考程序如圖1和圖2所示。在ArduBlock中利用串口監(jiān)視器監(jiān)測(cè)模擬聲音傳感器的輸入值，參考程序如圖3所示。

【問(wèn)題分析與知識(shí)內(nèi)化】

（1）將圖1程序中的去掉，會(huì)有什么現(xiàn)象？

（2）將圖2程序中的電機(jī)速度200改為-100，觀察風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)有何變化？

【案例解讀】在第1個(gè)問(wèn)題中，引導(dǎo)學(xué)生思考針腳4對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，以此強(qiáng)化學(xué)生對(duì)PWM模式下針腳4所對(duì)應(yīng)功能的理解；在第2個(gè)問(wèn)題中，提供了教材中原有程序的變式，若設(shè)置電機(jī)模塊中的速度值為負(fù)，則電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)榉崔D(zhuǎn)，從而使學(xué)生能夠靈活設(shè)置電機(jī)模塊中的值來(lái)控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)。

內(nèi)容組織：聚類思想

本冊(cè)教材主要以聚類化的思想來(lái)組織教學(xué)內(nèi)容，從而完成整體框架和章節(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。聚類化課程設(shè)計(jì)思想，即依據(jù)某種線索組合一系列教學(xué)項(xiàng)目。根據(jù)已有研究，大致有三種聚類方式：以相似的功能聚類，以相似的目標(biāo)聚類，以相似的技術(shù)思想聚類。

本冊(cè)教材按輸入與輸出為線索進(jìn)行單元主題的聚類，即數(shù)字輸出與模擬輸出（LED）—數(shù)字輸入（電子骰子）—模擬輸入（蜂鳴器）—單電機(jī)控制（風(fēng)扇）—雙電機(jī)控制（小車）—科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)（科學(xué)探究專題）。

在課時(shí)層面上，教材就不同知識(shí)點(diǎn)也進(jìn)行了不同形式的聚類。

1.以相似的功能聚類

筆者通過(guò)設(shè)計(jì)某些問(wèn)題解決活動(dòng)，將技術(shù)工具所具有的相似功能集合在一起，達(dá)到功能操作和問(wèn)題解決的融會(huì)貫通。

例2：第10課《遙控風(fēng)扇》中的程序設(shè)計(jì)。

【教材呈現(xiàn)】假設(shè)風(fēng)扇的速度分為三擋，則遙控?fù)Q擋風(fēng)扇的程序可參考圖4。

做一做：使用“如果/否則”能夠完成上述程序嗎？試試看。

【案例解讀】在教材呈現(xiàn)的參考程序中，利用了單分支模塊來(lái)完成遙控器變換風(fēng)扇轉(zhuǎn)速擋位的程序編寫，而“做一做”向?qū)W生提出是否能夠利用“如果/否則”模塊來(lái)完成相同的程序功能，可以引發(fā)學(xué)生向新知識(shí)的遷移。

2.以相似的目標(biāo)聚類

使用不同的工具可以解決相同的問(wèn)題，從而聚類不同的技術(shù)工具和使用方法。

例3：第11課《驅(qū)動(dòng)小車》控制機(jī)器人小車的運(yùn)動(dòng)。

【教材呈現(xiàn)】針腳控制小車前進(jìn)參考程序如圖5所示，電機(jī)模塊控制小車前進(jìn)參考程序如圖6所示。

做一做：①任選一種方法來(lái)控制小車，使其后退；②任選一種方法來(lái)控制小車，使其原地轉(zhuǎn)圈。

【案例解讀】?jī)煞N方式均可控制小車的運(yùn)動(dòng)，第一種方法可以通過(guò)設(shè)置針腳的高低電平來(lái)控制車輪的運(yùn)動(dòng)方向；設(shè)置針腳的模擬值來(lái)控制小車的車速；第二種方法則是直接設(shè)置M1和M2的值控制小車的運(yùn)動(dòng)方向與車速。這種呈現(xiàn)方式便于學(xué)生理解這兩種方法的異同并能在不同的任務(wù)中遷移應(yīng)用。

3.以相似的技術(shù)思想聚類

技術(shù)工具雖有不同，但其背后的技術(shù)思想可能是一致的，將這些具有相同技術(shù)思想的技術(shù)工具挖掘出來(lái)，以豐富多樣的技術(shù)活動(dòng)表達(dá)出來(lái)，可以達(dá)到舉一反三的功效。

例4：編程中的循環(huán)結(jié)構(gòu)

【教材呈現(xiàn)】想一想：請(qǐng)同學(xué)們思考一下，與兩者之間的異同。

【案例解讀】主程序是一個(gè)自循環(huán)體，每當(dāng)程序執(zhí)行結(jié)束就重新開始執(zhí)行程序。當(dāng)循環(huán)中有條件語(yǔ)句與執(zhí)行語(yǔ)句，只有條件語(yǔ)句滿足時(shí)才會(huì)運(yùn)行執(zhí)行語(yǔ)句，而主程序是無(wú)條件循環(huán)。對(duì)比兩種模塊，可以幫助學(xué)生更好地理解當(dāng)循環(huán)語(yǔ)句及其程序設(shè)計(jì)思想。

內(nèi)容呈現(xiàn)：生活化與結(jié)構(gòu)化

1.教材內(nèi)容的生活化呈現(xiàn)

生活化即回到學(xué)生的生活世界，從學(xué)生經(jīng)驗(yàn)出發(fā)逐漸引入新的概念，而不是生硬地呈現(xiàn)這些概念。

一方面，利用學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，使用類比分析幫助學(xué)生理解新的知識(shí)。

例5：第1課《點(diǎn)亮星燈》的第一部分“機(jī)器人是什么”中講解機(jī)器人的構(gòu)造。

【教材呈現(xiàn)】類似人類的身體，機(jī)器人也是由幾大“器官”組成：機(jī)器人的大腦——主控制器，機(jī)器人的眼睛、耳朵和觸角——傳感器，機(jī)器人的手、足——驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行器。

【案例解讀】此處將機(jī)器人比作人類，經(jīng)過(guò)這種生活化的類比，使學(xué)習(xí)者更好地理解機(jī)器人各部分的組成及功能。

另一方面，利用學(xué)生的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)認(rèn)知沖突幫助學(xué)生接受新的知識(shí)。這種呈現(xiàn)方式基于學(xué)生已有的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，但又高于學(xué)生的已有認(rèn)知，處于認(rèn)知的“最近發(fā)展區(qū)”，故有利于學(xué)生對(duì)新知識(shí)的理解，建立新舊知識(shí)之間的聯(lián)系。

例6：第3課《呼吸燈》PWM概念的提出。

【教材呈現(xiàn)】由于呼吸燈不只有亮和滅兩種狀態(tài)，還具有若干不同明暗度的變化，所以采用上節(jié)課中的數(shù)字輸出控制LED將無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果，此時(shí)需要采用一種新的輸出方式——PWM。我們可以參考表1中的設(shè)計(jì)方案，來(lái)完成呼吸燈的制作。

【案例解讀】教材中PWM的概念并不是直接呈現(xiàn)給學(xué)生，而是由相關(guān)的問(wèn)題引入，引起他們的認(rèn)知沖突，再適時(shí)引入PWM的概念。

2.教材內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化呈現(xiàn)

結(jié)構(gòu)化即按照一定的邏輯思路將教材內(nèi)容依據(jù)某一特定框架進(jìn)行呈現(xiàn)。結(jié)構(gòu)化地呈現(xiàn)教材內(nèi)容，目的是方便學(xué)生閱讀，減少認(rèn)知負(fù)擔(dān)，并提供學(xué)習(xí)支持。本冊(cè)教材的必修課由闡明學(xué)習(xí)目標(biāo)、呈現(xiàn)內(nèi)容結(jié)構(gòu)、背景主題介紹、方案設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)知識(shí)與基本技能、實(shí)現(xiàn)過(guò)程和拓展提升七部分組成。

小結(jié)

本教材具有基礎(chǔ)性、創(chuàng)造性、趣味性、主體性與整合性等特點(diǎn)。筆者希望通過(guò)本教材的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠習(xí)得Arduino機(jī)器人的基礎(chǔ)知識(shí)與基礎(chǔ)技能，能夠獲得利用Arduino機(jī)器人解決實(shí)際問(wèn)題的能力，從而進(jìn)一步形成利用機(jī)器人分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的思維方法和價(jià)值觀，并初步得到利用智能裝置改造生活的方法論，建立認(rèn)識(shí)人工智能的世界觀。