田木蘭 秦健

摘 要：隨著智能機器人技術的迅速發(fā)展，機器人教育在開發(fā)學生智力，培養(yǎng)學生動手能力、實踐操作能力方面的潛力逐漸被教育界認可，機器人教育逐漸進入到學校課程教學中，成為大中小學教育領域的新課程。文章通過將小學機器人課程與項目式學習相結(jié)合，培養(yǎng)學生解決問題能力、創(chuàng)造力、自主探究能力，提高其綜合素質(zhì)。作者基于項目式教學理念，設計機器人教學課程，在S小學進行教學實踐，將所得經(jīng)驗分享給一線中小學從事機器人教育的工作者。

關鍵詞：機器人;機器人教育;教學設計;項目式學習

中圖分類號：G433 ? ? ? ?文獻標志碼：B ? ? ? ? ?文章編號：1673-8454（2019）22-0040-04

一、引言

科技推動教育，知識改變命運。隨著教育機器人技術的發(fā)展，機器人教育已經(jīng)成為中小學課堂教學的必然趨勢。首先，機器人教育可以提供一種素質(zhì)教育和創(chuàng)新教育與前沿研究相結(jié)合的生動形式，其次，機器人教育的內(nèi)容本身也具有較強的趣味性、實踐性、探索性和綜合性，易于吸引學生積極參與。

教育部在2003年將《人工智能基礎》課程納入中小學選修課程后，我國的人工智能教育進入了一個新的階段，逐漸走向大眾化。作為人工智能的重要應用領域，智能機器人在中小學取得了迅速發(fā)展。

由于機器人的學科綜合性和實踐性的特點，傳統(tǒng)的機器人教學方式難以凸顯出學生利用機器人知識解決學科問題的能力。如何在中小學階段開設機器人課程，國內(nèi)外都在根據(jù)本國機器人教育的發(fā)展情況，進行著積極的探索。

二、國內(nèi)機器人教育存在的問題

1.課程體系不夠完善

目前，由于機器人課程的教學目標不明確，導致機器人在學校主要以社團、興趣班、信息技術課的形式開展，并且學校沒有相應配套的教材，用的都是機器人產(chǎn)品說明書或者用戶指南，缺乏精心設計，與一般意義上的課堂教材有一定的差異。

2.學校資金困難，不能提供良好的配套設施

傳統(tǒng)的信息技術課可以依托計算機進行教學，而機器人教學除了需要計算機支撐，還需要相應的配套設施，這些設施往往需要大量資金，大部分學校很難配備完善。

3.教師沒有足夠的專業(yè)經(jīng)驗

相對于傳統(tǒng)的信息技術教師，機器人課程對教師的綜合素質(zhì)要求較高，機器人教師除了要具備基本的教學技能，還要具備機器人知識，其中機器人課程涉及科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Art）、數(shù)學（Mathematics）等多門課程知識，同時教師還要具備一定的創(chuàng)新創(chuàng)意能力。與此同時，從事信息技術教學的教師在大學期間沒有開設相應的機器人課程，職前也沒有經(jīng)過專業(yè)培訓，很多都是教師自學所得，師資力量的不足影響著機器人課程的教學質(zhì)量。

4.家長過分看中學生參賽的結(jié)果，忽視了學生能力的培養(yǎng)

近幾年，機器人教育開始進入中小學，但大多以競賽的形式開展，家長給學生報名機器人班的目的是想要孩子參加比賽，取得一定的成績，導致學生不得不在短時間內(nèi)機械地學習競賽所需的知識，對機器人知識并不清楚，不能理解其中的原理，形成一種“以賽促學”的現(xiàn)象。學生學習機器人應該是在探索的過程中學習知識和技能，家長只注重結(jié)果而忽視了學生在學習過程中所收獲到的知識。

三、樂高4C教育模式

樂高4C教育模式包括四個流程：

1.聯(lián)系（Connect）

表示在教學過程中，將學生已有的知識經(jīng)驗、興趣愛好等與即將要學習的內(nèi)容進行聯(lián)系，激發(fā)學生的學習興趣。如在本文的項目“解救機器人”中，學生以“解救小組”的形式來領取挑戰(zhàn)任務卡，通過解決問題的形式去完成本次挑戰(zhàn)任務——“解救機器人”，激發(fā)學生迫切想要去解救機器人的強烈愿望，在此過程中學生將自己所學過的知識運用到新任務中去，例如：機器人在行走的過程中會運用到以前學過的大型電機的知識點。

2.建構（Construct）

學生在完成挑戰(zhàn)任務的過程中，通過小組討論、頭腦風暴，會對問題的解決形成新的認知，通過不斷調(diào)試，總結(jié)出不同的經(jīng)驗，方法也在不斷地更替，在已有的知識基礎上總結(jié)學習會產(chǎn)生新的認識，同時學生解決問題的能力、與成員合作交流的能力也在逐步提升。例如“解救機器人”項目中，學生完成好結(jié)構搭建和編程后會現(xiàn)場測試，如果機器人走多了或者走少了，需要將時間調(diào)短或者調(diào)長，機器人是否能返回基地等，學生在不斷地調(diào)試中會得出這些問題的結(jié)論。

3.反思（Contemplate）

指學生反思和回顧已建構的知識，主要包括：學到了什么？在學習的過程中遇到了什么困難？學生在完成挑戰(zhàn)任務后，反思自己作為小組成員在整個過程扮演的什么角色，在過程中遇到了什么困難，自己是怎么解決的，學習到了什么，等等。例如：測試時將端口號插錯，導致電機不轉(zhuǎn)動。在學生討論過程中，教師及時關注學生的情況，通過適當?shù)奶釂栆龑W生圍繞問題而討論，幫助學生有目的地思考問題。

4.延續(xù)（Continue）

指用解決一個新的任務為導引，新任務的知識點是建立在本節(jié)課知識點之上，通過之前所學的聯(lián)系、建構、反思等知識與技能去解決新的任務，學生通過進一步解決新的任務為下一節(jié)課的學習奠定基礎，使學生在這一螺旋上升的循環(huán)過程中不斷探索新知識。

四、機器人課堂教學設計方案

本文以樂高機器人完成太空挑戰(zhàn)賽“解救機器人”項目為例，詳細說明機器人課堂教學設計方案。

1.教學設計

（1）教學實施說明

S小學機器人社團課的教學內(nèi)容是以樂高EV3機器人搭建及編程為主，教學對象是小學三、四、五年級的學生，在開展研究過程中，筆者嘗試將STEAM教育理念融入到日常教學過程中，以項目式教學進行實踐。

（2）教學對象分析

在S小學，機器人教學是以社團形式開展的，社團里面的學生來自三、四、五年級不同階段，并且大家都是零基礎，目前還處于基礎班。筆者在開課前將班上的學生進行隨機分組，三人一組，通過問卷調(diào)查了解到班上的學生加入機器人社團是因為對機器人好奇、感興趣，希望通過學習能進一步探索機器人的奧秘。在教學過程中，不同年齡階段的學生一起合作學習，一開始會有分歧，學生之間也會有爭執(zhí)。經(jīng)過不斷地磨合，學生之間的合作意識逐漸加強，小組成員遇到問題會一起商量解決，還會嘗試和其他小組分享經(jīng)驗。筆者認為這樣能鍛煉不同年齡階段學生的交流合作意識與能力。

（3）教學環(huán)境

學校頂樓的科技館里面有專門搭建、編程的教室和一個“太空挑戰(zhàn)賽”的賽臺，場地寬敞，可以提供給學生搭建、編程以及測試。

（4）教學內(nèi)容和學習主題

“解救機器人”這個任務主要是讓學生學會樂高機器人大型電機和中型電機的運用。

（5）學習工具

如圖1所示，學習工具主要為樂高EV3基礎小車和筆記本電腦。

（6）教學方法

在完成任務的過程中，采用演示法、講授法和小組競賽法交叉進行，激發(fā)學生的學習興趣。

2.教學過程

“解救機器人”是太空挑戰(zhàn)賽中的一個子任務，采用項目式教學，學生需要完成機器人從基地出發(fā)，將斜坡下的機器人救回來，同時需要搭建機械臂與中型電機配合，完成解救工作，機器人從斜坡上返回來的時候需要將機器人放置在火星表層，保證六個輪子接觸火星表面，最后小車要返回基地。學生在此過程中需要不斷調(diào)整位置和參數(shù)，保證機器人從基底出發(fā)，解救機器人置火星表面，然后回到基地。教師在整個過程中扮演引導者的角色，可以幫助學生理清思路，學生自己動腦思考如何解決問題。

第一步：學生需要花兩個課時的時間，通過科學的原理設計出機械臂，搭建好基礎小車，之后需要通過編程讓小車動起來，然后去賽臺上測試摩擦力，一開始因為輪子的原因，導致小車在上坡的時候與斜坡的摩擦力太大，影響小車的運動，同時電機帶不動小車上坡，經(jīng)過幾輪調(diào)整，將小車后面的萬向輪換成最小的輪子，同時用兩個輪子能使小車的運動方向更穩(wěn)。

第二步：在正式進入編程之前，學生需要清楚規(guī)則。首先講清楚小車最開始的位置在哪里，小車上的任何部位不能超過基地邊沿黑線，這里需要調(diào)整小車的初始狀態(tài)，比如機械臂收回來;其次在解救機器人時必須是機器人和機械臂將機器救回來，這里需要用到大型電機驅(qū)動小車前進，將電機的參數(shù)調(diào)為負即可完成小車后退。最后解救機器人的機械臂需要提前測試，如中型電機正傳手臂是拋下還是抬起收回，這里對手臂的要求也比較高，如果結(jié)構太復雜會把機器人卡在機械手臂上，同時要考慮小車出發(fā)前結(jié)構是否超出基地，學生在這里需要調(diào)整時間，盡量花最少的時間完成操作。

第三步：幫助學生養(yǎng)成良好的習慣，學會將程序保存至合理位置并命名，以免出現(xiàn)每次都丟失程序，導致每節(jié)課都要重新編程，無法銜接上一節(jié)課的內(nèi)容。最后每節(jié)課后要將電腦正常關機，同時把零件放到本小組的箱子里。

第四步：前面的基本工作完成，最重要的一步就是為機器人寫入程序，相當于為機器人的大腦注入思想，讓機器人去完成相應的指令。在編程的時候要注意端口號的匹配，學生在操作的過程中經(jīng)常忘記將編程里的端口號與機器匹配。當然，學生不會一次就把程序編出來，需要在測試的時候進行調(diào)整。

第五步：測試。學生完成前面五步后，后期需要不斷測試，不斷調(diào)整參數(shù)，首先，從基底出發(fā)，到坡的頂端，需要控制好時間，如果時間太短，機械臂無法接觸到機器人，如果走的太多，機器人會卡在斜坡上無法上來;其次，回來的時候如果時間太長，會將機器人帶出火星，無法保證六個輪子完全接觸火星表面;最后，如果時間太短，無法使小車完全回到基地。以上三點都是學生需要不斷嘗試的，有的學生會來回調(diào)試很多次，但是學生不會因此而失去耐心，相反，如果這次走多了，他會立馬回去將時間減少，直至最后完美地完成任務。學生在這里測試時需要小組成員的配合，幫助操控手調(diào)整小車的出發(fā)位置，因為小車走偏后無法上斜坡，任何一個地方?jīng)]有控制好都會影響到后面的結(jié)果，這里很考驗小組成員之間的合作和溝通。

總之，為了能使任務能順利完成，前期需要做很多準備工作，例如：保證主控電是充足的;保證兩個大型電機和一個中型電機能正常工作;需要借助直尺工具測量從基底到斜坡起點的距離，調(diào)試參數(shù)的時候可以參考;在搭建機械臂的時候，不僅要考慮美觀，還要考慮功效。在解決“解救機器人”的過程總需要綜合運用各個學科的知識，同時還要學會和別人分工合作，鍛煉學生的綜合素質(zhì)。

3.教學評價

最后檢驗學生成果時，采用教師評價、小組評價和學生自評。各個小組進行現(xiàn)場測試，教師采用秒表計時，在規(guī)定的時間內(nèi)，記錄每個小組從起點到終點任務的完成情況;其他小組成員在一側(cè)觀看別的小組的結(jié)構和小組成員的配合情況，吸取別人的長處，彌補本組的不足;學生要陳述自己在本次項目中承擔了什么工作，完成得怎樣。學生需要對各個組進行評分，最后自評。教師將每個組所得的任務分、小組分以及個人評分加起來，并對勝出小組進行頒獎。

4.教學反思

在學生完成該項目的過程中，從學生的反應和課后交流中發(fā)現(xiàn)，學生對挑戰(zhàn)任務的興趣很濃厚，也愿意不斷調(diào)試，小組成員也從一開始各種矛盾發(fā)展到漸漸學會合作，把自己融入到小組中去，搭建手和編程手各司其職。但是也出現(xiàn)了不少問題，如端口號記錯，沒有及時命名并且在筆記本記錄下來每一個程序?qū)裁慈蝿?，導致在測試的時候經(jīng)常找錯程序。教師在教學過程中除了引導之外，還要根據(jù)實際情況給予學生一定的鼓勵。

五、機器人教學建議

1.加強師資力量的培訓

目前很多學校的機器人是以社團的形式開展的，缺乏相應的機器人專業(yè)教師指導教學，應該加強教師培訓，提升教師的機器人教學能力。通過培訓，使教師的觀念更新，認識到機器人教育的重要性，進而加強機器人教育在學校的開展。

2.探索機器人教育與課程的整合

機器人教育可以和語文、數(shù)學等基礎課程相結(jié)合，可以與信息技術、綜合實踐課相結(jié)合，還可以和通用技術、科技活動等課程相結(jié)合。例如：在信息技術課上可以利用搜索引擎將機器人照片、文字介紹、視頻等資料穿插在課堂中，既可以培養(yǎng)學生搜集、加工處理信息的能力，還可以使學生了解機器人的發(fā)展狀況。

3.綜合考慮機器人的相關標準

當前市場中的機器人品牌眾多，結(jié)構復雜，沒有統(tǒng)一的標準，很多品牌的機器互不兼容，開放性低。學?？梢詮膬煞矫婵紤]機器人產(chǎn)品的標準：應針對不同年齡階段學生的認知水平開發(fā)適合他們的一系列產(chǎn)品;不同層次的學生所需要的機器人類型和規(guī)格不同，有的是為了訓練，有的是為了參加比賽，應根據(jù)使用者的實際需要選用合適的產(chǎn)品。

4.加強學生的合作意識和提升解決問題的能力

在開展機器人教學時，一定要關注學生過程性的表現(xiàn)，學生以小組的形式開展活動，在機器的設計、結(jié)構的搭建、程序的編寫、最后的調(diào)試中都會出現(xiàn)各種問題，如：意見不統(tǒng)一，測試的時候大家都想自己去操作，組內(nèi)會互相爭機器等問題，在開展機器人教學的過程中，不僅要培養(yǎng)學生在解決實際問題的時候綜合運用各個學科知識的能力，還要培養(yǎng)學生學會如何與他人合作，遇到分歧如何解決等能力。

5.關注學生的變化

在開展機器人教學過程中，學生會遇到不同的問題，每個學生的心理素質(zhì)不同，有的學生遇到問題后會立刻解決，在困難中越挫越勇;有的學生則很容易受到挫敗，一旦挑戰(zhàn)任務失敗就會認為自己無法完成任務，教師此時需要及時鼓勵學生，引導學生找出問題所在，幫助學生在實踐的過程中找回自信心，為以后的教學做好鋪墊。

開展機器人教育有利于培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)，有助于學生解決問題能力、創(chuàng)造力、自主探索等能力的提升。機器人教學項目學習過程能夠激發(fā)學生的創(chuàng)新能力，加強學生的合作意識，在培養(yǎng)創(chuàng)新型人才方面獨具優(yōu)勢。

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（編輯：魯利瑞）