孔祥興

【摘要】? 《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》中明確提出要兼重理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐應(yīng)用，將知識(shí)建構(gòu)、技能培養(yǎng)與思維發(fā)展融入到運(yùn)用數(shù)字化工具解決問題和完成任務(wù)，讓學(xué)生參與到信息技術(shù)支持的溝通、共享、合作與協(xié)商中，體驗(yàn)知識(shí)的社會(huì)性建構(gòu)，從而成為具有較高信息素養(yǎng)的中國(guó)公民。機(jī)器人教學(xué)是一門綜合多種學(xué)科知識(shí)和技能的課程，學(xué)生們通過軟件編程，功能設(shè)計(jì)，動(dòng)手制作與技術(shù)構(gòu)建，結(jié)合學(xué)生們的日常觀察、知識(shí)積累，運(yùn)用綜合知識(shí)解決問題，發(fā)展自己的思維能力和創(chuàng)造力。

【關(guān)鍵詞】? 機(jī)器人教學(xué) 計(jì)算思維 創(chuàng)新

【中圖分類號(hào)】? G633.67 ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】? A ? ? 【文章編號(hào)】? 1992-7711（2019）18-008-02

機(jī)器人是信息技術(shù)高度發(fā)展的知識(shí)融合領(lǐng)域，具有創(chuàng)新實(shí)踐性和綜合知識(shí)應(yīng)用性，在普通高中引入機(jī)器人教學(xué)不僅促進(jìn)信息技術(shù)教學(xué)，更能推動(dòng)機(jī)器人知識(shí)和技術(shù)的普及與應(yīng)用。機(jī)器人技術(shù)涉及到信息技術(shù)、物理、數(shù)學(xué)、音樂、美術(shù)、英語、甚至生物仿生學(xué)等學(xué)科知識(shí)，通過學(xué)習(xí)機(jī)器人可以讓學(xué)生把學(xué)到的各個(gè)學(xué)科知識(shí)得以綜合應(yīng)用，對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)造性思維，分析問題以及解決問題的能力的培養(yǎng)有促進(jìn)作用。

近年來我國(guó)中小學(xué)生機(jī)器人教學(xué)較以前有了發(fā)展，特別是開源軟件和硬件的發(fā)展推動(dòng)了機(jī)器人教學(xué)的發(fā)展，機(jī)器人教學(xué)已經(jīng)成為有效進(jìn)行素質(zhì)教育、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的一個(gè)重要學(xué)習(xí)內(nèi)容。

一、機(jī)器人教學(xué)有其獨(dú)特的育人價(jià)值

從目前的高中階段信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)現(xiàn)狀來看，近年來在教學(xué)過程中關(guān)注與強(qiáng)調(diào)學(xué)生信息素養(yǎng)，從實(shí)際教學(xué)效果來看，出現(xiàn)學(xué)生思維和創(chuàng)新能力缺失現(xiàn)象，而機(jī)器人教學(xué)可以有效改善這個(gè)缺失。

1. 機(jī)器人教學(xué)注重實(shí)踐探究培養(yǎng)創(chuàng)新能力

動(dòng)手實(shí)踐探究不僅是應(yīng)用知識(shí)、形成技能、發(fā)展智力的重要手段也是溝通知識(shí)與創(chuàng)新的橋梁。機(jī)器人教學(xué)過程中需要學(xué)生通過動(dòng)手實(shí)踐與應(yīng)用知識(shí)，無論是機(jī)器人的外型還是功能都需要學(xué)生在實(shí)踐中創(chuàng)造并加以改進(jìn)，例如在制作避障機(jī)器人時(shí)避障功能可以用紅外傳感器也可以用超聲波傳感器，這兩種傳感器在受外界環(huán)境干擾的穩(wěn)定性不同，紅外傳感器容易受環(huán)境光影響，這需要學(xué)生在硬件上和軟件算法上想辦法排除干擾。機(jī)器人是軟硬件結(jié)合的綜合體，在硬件技術(shù)方面綜合了機(jī)械傳動(dòng)、傳感器和控制板等技術(shù)，軟件方面則融合了程序設(shè)計(jì)、算法等技術(shù)，學(xué)生發(fā)揮想象力去體驗(yàn)機(jī)器人制作，通過這些技術(shù)協(xié)調(diào)工作實(shí)現(xiàn)完成自己的創(chuàng)意作品，培養(yǎng)了自己創(chuàng)新能力。

2. 機(jī)器人教學(xué)可以培養(yǎng)計(jì)算思維、邏輯思維能力

計(jì)算思維培養(yǎng)可以有多種途徑，但無可否認(rèn)編程是培養(yǎng)計(jì)算思維的重要途徑和方法，可以使計(jì)算思維概念具體化。在機(jī)器人教學(xué)里實(shí)現(xiàn)相同的機(jī)器人功能可以通過不同的算法實(shí)現(xiàn)，也可以用不同的計(jì)算機(jī)編程語言來實(shí)現(xiàn);在實(shí)現(xiàn)機(jī)器人功能除了設(shè)計(jì)算法還可以要求學(xué)生使用邏輯推理來解釋算法、檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤，這一過程也就是學(xué)生經(jīng)過提出問題、分解問題、編程解決問題、問題評(píng)估、總結(jié)的過程，從而學(xué)生的計(jì)算思維得到有效地培養(yǎng)和實(shí)踐。

思維能力分為分析性思維能力和創(chuàng)新性思維能力，思維能力是學(xué)生通過自身體驗(yàn)成功解決問題的過程獲得的。機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容是運(yùn)用傳感器感知外界環(huán)境做出決策的一系列活動(dòng)，而傳感器采集數(shù)據(jù)容易受到外界干擾造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確再加上程序邏輯性不強(qiáng)等因素導(dǎo)致機(jī)器人做出錯(cuò)誤的決策，這需要學(xué)生在實(shí)踐中遇到問題在實(shí)踐中解決，這樣的反復(fù)實(shí)踐解決問題循環(huán)過程就能潛移默化地養(yǎng)成分析性思維能力。機(jī)器人同一個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)可以借助不同的機(jī)器人傳感器結(jié)合不同的程序算法來實(shí)現(xiàn)，在教學(xué)過程中鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)教學(xué)案例作品進(jìn)行修改和改進(jìn)（包括硬件和程序），這有助于學(xué)生對(duì)問題再次深入思考，有助于激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新性思維。例如制作巡線機(jī)器人時(shí)為了提高機(jī)器人巡跡速度應(yīng)怎么配置傳感器，可以用二個(gè)甚至多個(gè)紅外巡線傳感器結(jié)合不同的程序算法來實(shí)現(xiàn)，諸如此類問題的提出可以培養(yǎng)創(chuàng)新性思維能力。

3. 機(jī)器人教學(xué)軟硬件相結(jié)合，通過硬件的直觀表現(xiàn)理解程序的意義，編程不再神秘

機(jī)器人的功能是軟件與硬件相結(jié)合實(shí)現(xiàn)的，機(jī)器人教學(xué)并不是以培養(yǎng)程序員作為目標(biāo)，機(jī)器人功能的實(shí)現(xiàn)體現(xiàn)在程序控制下實(shí)現(xiàn)機(jī)器人傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的交互。學(xué)生在機(jī)器人控制板里寫入程序控制機(jī)器人外部硬件設(shè)備，可以將程序的抽象感具體化，實(shí)現(xiàn)程序功能“可視化”，消除編寫程序的神秘感，這比單純學(xué)編程更具吸引力，更容易讓學(xué)生獲得喜悅感和成功感，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)編程興趣。例如在制作演奏機(jī)器人時(shí)學(xué)生可以通過觀察舵機(jī)敲打樂器的轉(zhuǎn)動(dòng)角度理解控制舵機(jī)的語句意義，這樣學(xué)生更容易掌握和記憶程序語言，更容易入門學(xué)習(xí)程序編寫。

4. 機(jī)器人教學(xué)可以提高學(xué)生解決問題的能力

機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的融合性的知識(shí)結(jié)合體，要讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計(jì)，在制作過程肯定遇到許許多多意想不到的問題，需要學(xué)生綜合應(yīng)用各學(xué)科知識(shí)去思考問題，在不斷的試錯(cuò)——修改——再試——再改的循環(huán)試錯(cuò)過程中讓學(xué)生體會(huì)到其它學(xué)科的知識(shí)不再是沒有意義的，在不知不覺中提高分析問題和解決問題的能力。例如在制作看似簡(jiǎn)單的聲控四足機(jī)器人過程中，出現(xiàn)不能聲控（檢查連接電路）、發(fā)光二極管不亮（單向?qū)щ娞匦裕ⅠR達(dá)不轉(zhuǎn)（檢查連接電路）、走路慢（力學(xué)中的推力和拉力）、走不直（仿生學(xué)）的這些情況，這些問題需要學(xué)生要認(rèn)真檢查連接電路，運(yùn)用各學(xué)科知識(shí)在試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)中不斷解決。

二、機(jī)器人教學(xué)獨(dú)特的教學(xué)策略

1. 機(jī)器人教學(xué)適宜采用開源的軟硬件

為提升學(xué)生的創(chuàng)新能力以及對(duì)機(jī)器人的設(shè)計(jì)能力和應(yīng)用能力，需要以機(jī)器人的功能系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)作為學(xué)習(xí)內(nèi)容，可以通過低成本的模塊化的開源硬件作為學(xué)生實(shí)踐平臺(tái)以及開源軟件如ARDUINO作為機(jī)器人軟件系統(tǒng)作為編寫語言，讓學(xué)生在制作與實(shí)現(xiàn)中接觸機(jī)器人結(jié)構(gòu)、動(dòng)力、傳感和控制等技術(shù)。開源硬件如機(jī)器人控制板、傳感器等功能模塊豐富、擴(kuò)展能力強(qiáng)、價(jià)格低而且模塊硬件資料公開透明，易于使用，開源硬件模塊化方便其它項(xiàng)目?jī)?nèi)容重復(fù)使用，各硬件模塊化的連接增強(qiáng)訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力也易于學(xué)生能夠快速掌握模塊功能，課堂實(shí)踐效果好。

2.聯(lián)系生活實(shí)際精選范例激勵(lì)創(chuàng)新

機(jī)器人教學(xué)課程設(shè)計(jì)要選擇恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，首先不要以大求全，可從學(xué)生對(duì)知識(shí)理解認(rèn)知的視角和教師教學(xué)的可實(shí)施性兩方面進(jìn)行充分設(shè)計(jì)。教學(xué)項(xiàng)目?jī)?nèi)容要立足于現(xiàn)實(shí)的生活環(huán)境，并根據(jù)學(xué)生知識(shí)認(rèn)知水平，培養(yǎng)學(xué)生將課程知識(shí)應(yīng)用在生活的技能，用于指導(dǎo)和解決生活學(xué)習(xí)中遇到的問題，同一項(xiàng)目甚至可擴(kuò)展用不同功能實(shí)現(xiàn)，如制作滅火機(jī)器人，滅火的方式多種多樣可以用小風(fēng)扇也可以通過噴水的方式。教學(xué)項(xiàng)目?jī)?nèi)容應(yīng)該要蘊(yùn)含創(chuàng)新題材和內(nèi)容，讓學(xué)生親身體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)造過程，由淺到深地引導(dǎo)學(xué)生開展創(chuàng)新活動(dòng)。

機(jī)器人是一個(gè)綜合知識(shí)應(yīng)用綜合體，編程知識(shí)具有循序漸進(jìn)特征，機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容的編排也應(yīng)遵循由淺到深的規(guī)律，讓學(xué)生逐漸積累如傳感器、程序控制等知識(shí)，讓學(xué)生體會(huì)用機(jī)器人視角思考問題解決問題。

3.跨學(xué)科知識(shí)融合

現(xiàn)時(shí)的教學(xué)改革方向是突出學(xué)科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)解決問題的能力，增強(qiáng)知識(shí)綜合應(yīng)用性，貼近生活聯(lián)系社會(huì)實(shí)際，在教育評(píng)價(jià)落實(shí)立德樹人的根本任務(wù)。機(jī)器人教學(xué)對(duì)培養(yǎng)面向未來的有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力人才有促進(jìn)作用，與其它學(xué)科教學(xué)比較，機(jī)器人教學(xué)在內(nèi)容上具有較強(qiáng)的綜合性，涉及到眾多學(xué)科，機(jī)器人教學(xué)容易與其他學(xué)科融合，可以讓學(xué)生清晰認(rèn)識(shí)到學(xué)到的知識(shí)是可以得到應(yīng)用的，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)各學(xué)科知識(shí)。因此機(jī)器人教學(xué)時(shí)要緊密聯(lián)系學(xué)科進(jìn)行融合教學(xué)，如學(xué)生在編寫機(jī)器人程序時(shí)要求學(xué)生寫程序框圖，一方面培養(yǎng)學(xué)生的編寫程序清晰邏輯性另一方面融合數(shù)學(xué)選修課程程序框圖的教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生通過機(jī)器人項(xiàng)目理解融合學(xué)科的知識(shí)內(nèi)容。又例如高中物理中有包括光敏傳感器、溫度傳感器、聲音傳感器、壓力傳感器等傳感器教學(xué)內(nèi)容，機(jī)器人教學(xué)讓學(xué)生通過動(dòng)手實(shí)踐把相關(guān)知識(shí)得以擴(kuò)充應(yīng)用。

4.自由創(chuàng)作分享智慧培養(yǎng)批判性思維能力

對(duì)于同一教學(xué)項(xiàng)目不同的學(xué)生有不同的理解，從學(xué)生的視角設(shè)計(jì)會(huì)有很多個(gè)性化和差異性的解決方案，通過作品展示讓學(xué)生收獲成功感，通過分享交流點(diǎn)燃了學(xué)生創(chuàng)造性思維。分享是機(jī)器人教學(xué)其中一個(gè)目標(biāo)，教師不僅需要培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)技能實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，還要營(yíng)造一個(gè)利于學(xué)生分享的氣氛，鼓勵(lì)學(xué)生分享自己學(xué)習(xí)成果和創(chuàng)新成果，增強(qiáng)學(xué)生的自信心和成功感，實(shí)現(xiàn)自身的認(rèn)同。機(jī)器人教學(xué)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)需要以小組形式完成機(jī)器人項(xiàng)目，分享時(shí)小組可以從機(jī)器人的外觀、功能以及程序功能等方面展示分享，同時(shí)允許其它小組提出質(zhì)疑，以達(dá)到思想碰撞。例如在講授光敏傳感器的時(shí)候，要求小組展示成果時(shí)，其中一個(gè)小組展示光控?zé)?，但這個(gè)燈在環(huán)境光線稍黑一點(diǎn)環(huán)境里燈就會(huì)點(diǎn)亮，這時(shí)候另一小組就提出達(dá)不到節(jié)能效果的質(zhì)疑，接著這個(gè)小組展示了他們?cè)诔绦蚍矫孀鞲倪M(jìn)的作品，就在這樣的智慧分享里碰出智慧火花，激發(fā)創(chuàng)作靈感，在滿足學(xué)生個(gè)性化發(fā)展的同時(shí)學(xué)生的創(chuàng)造潛力得到充分發(fā)展，學(xué)生的分析問題能力、批判性思維、創(chuàng)新能力等綜合素質(zhì)會(huì)得到逐漸提升。

機(jī)器人教學(xué)為學(xué)生綜合發(fā)展提供了一個(gè)有效的學(xué)習(xí)平臺(tái)，一些學(xué)生已經(jīng)對(duì)機(jī)器人的制作以及編程感到興趣甚至有了個(gè)人職業(yè)方向選擇。由于眾多原因機(jī)器人教學(xué)現(xiàn)階段還沒有形成規(guī)模性展開，開展機(jī)器人教學(xué)需要大量教學(xué)資源支持，需要認(rèn)可理解機(jī)器人教學(xué)的潛力和價(jià)值。

[ 參? 考? 文? 獻(xiàn) ]

[1]《中小學(xué)信息技術(shù)教育》2017年03期基于計(jì)算思維培養(yǎng)的中小學(xué)編程教育校本課程開發(fā)與實(shí)踐.

[2]《中小學(xué)信息技術(shù)教育》2008年02期信息技術(shù)課程與學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng).

[3]《中小學(xué)信息技術(shù)教育》2019年05期物聯(lián)網(wǎng)云端監(jiān)控地震報(bào)警器.

[4]《中小學(xué)信息技術(shù)教育》2019年05期思維素養(yǎng)視角下的中小學(xué)人工智能教育.