黃文忠 林純?nèi)?/p>

本案例基于廣東科學中心自主研發(fā)的無人駕駛車創(chuàng)意機器人套件，面向初高中學生而設計開發(fā)，旨在探討初高中不同階段的學生同時進行基于邏輯門電路智能控制及arduino控制的機器人有效教學方法的研究。

龍舟機器人、探月機器人、掃地機器人、智能交通機器人、工業(yè)機器人、倉儲機器人、演奏機器人……這是我校在創(chuàng)意機器人項目中參與過的項目。一年一主題是創(chuàng)意機器人活動的特色之一，也正因為一年一主題，讓我校開展的創(chuàng)意機器人教學項目有著新鮮的活力。

廣東科學中心的創(chuàng)意機器人項目是我校一直以來在推廣的STEM科普創(chuàng)新項目。原因在于該項目每屆都有獨特的主題充滿新意和挑戰(zhàn)、使用規(guī)范與可創(chuàng)新的開源的組件進行制作經(jīng)濟實惠又賦予學生創(chuàng)作的可能、所涉及知識有利于與高中年級理科課程接軌的特點為學生向人工智能和自動化等方向的進階學習提供了一定的基礎。

1 設計思路

1.1 設計背景

持續(xù)8年的教育活動，不得不說讓我們沉淀了不少的教學經(jīng)驗。但今年的教學過程中，我們遇到了一個新的問題：如何解決不同階段的學生同時開展創(chuàng)意機器人項目培訓。須知道不同階段的學生知識水平和學生能力是有這明顯的差異的，一般情況下都只會安排同一階段的學生進行培訓。但在師資人力不足、面向的對象多余化的情況下，必然會遇到這樣的問題。借鑒廣東科學中心對不同階段的師資培訓經(jīng)驗，本年度“無人駕駛車”項目，我們嘗試了對初二、高一階段的時候進行同時的培訓，并在實踐當中融合STEM教學理念。

1.2 設計依據(jù)

1.2.1 分層教學

分層教學最早來自于1868年美國教育家哈里斯的“活動分團制”，它是在學生個體差異之下、適應個性化學習需求而產(chǎn)生的。教學中有統(tǒng)一固定的內(nèi)容，但是每個學生由于自身原有知識基礎、認知差異，必定造成他們在對學習內(nèi)容的理解、記憶、思維等存在不同。教師采用不同的教學深度、廣度，從而使每個學生都在原有基礎上獲得提高。由于我們的授課對象存在初中、高中明顯的年級差異，在分層中我們強調(diào)“目標分層，異步達標”。合理的分層教學，在考慮了平等、遞進、個性與全面相結(jié)合之后，更有利于學生按照自己的進度去達成自己所能“夠得著”的學習目標。

1.2.2 非線性需求性教學

建構(gòu)主義誕生之后一直強調(diào)搭建知識與真實問題情境的聯(lián)系。因此，非線性教學強調(diào)了要打破固定的知識框架，讓學生參與到STEM多變、偶然、真實的項目情境中，去激發(fā)他們解決問題的欲望。這正是創(chuàng)意機器人教學實踐的理念之一，在具體的教學內(nèi)容上我們不再簡單停留在靜態(tài)的知識面上，而是在真實、動態(tài)的實踐。在真實具體的情境中，學生發(fā)現(xiàn)新的問題不斷產(chǎn)生，有了新的學習需求，需要在教師的輔助之下不斷地補充新知識，加速自我建構(gòu)并提升能力。

1.3 活動主題和對象

1.3.1 活動主題

一級主題：有效的實現(xiàn)多階段學生同時參與機器人教學方法

二級主題：構(gòu)建有梯度的教學非線性教學配套資源

1.3.2 活動對象

根據(jù)學校的條件，我們向初高中年級發(fā)起了培訓班的報名，召集了來自初二年級和高一年級各12人，共組成了6個隊伍開展培訓。

初步具有一點的探究精神，會嘗試理解現(xiàn)象的本質(zhì)，有理解原理的意向。性格上比初中生較沉穩(wěn)，步步為營。但相對來說缺乏了創(chuàng)新的意向和冒險精神。

由于學生階段的明顯差異，在教學過程中要善于引導他們發(fā)揮優(yōu)勢，縮小短板。對于基礎的、工具型的知識可以同時學習，對于擴展性強有明顯知識斷層的內(nèi)容以示范或補充的形式進行個別的教學（通過非線性的需求性教學，最終補全學生完整的知識體系。

1.4 特點和創(chuàng)新性

1.4.1 特點

面對多階段學生同時參與機器人項目，我們發(fā)現(xiàn)雖然學院來自于不同的階段，基礎不一，但通過自主報名的方式召集的學生對活動本身都有著濃厚的興趣，愿意自動嘗試在活動中接受新知識并且目標明確。所以在開展這一情況的教學時要強化學生動機、目標方面的優(yōu)勢。

通過機器人項目的學生和知識點分析，我們發(fā)現(xiàn)雖然不同階段的學生的水平以及學習基礎能力有較大的差異，但總體知識技能大多數(shù)是初中階段的學生可以掌握的，而高中和大學階段的知識也屬于入門程度，可以通過學生的基礎知識引入簡化教學難度來達到完成項目的程度。

總體的實踐活動，采取目標引領，分層教學。以初中基礎知識來引入新的知識點，對于提高級別的知識點先普及基礎術(shù)語和概念再根據(jù)需求進行教學，對于部分無法掌握的可以通過簡化案例以及小組之間的模仿來側(cè)向強化學習。

1.4.2 創(chuàng)新性

（1）創(chuàng)設情境激發(fā)學生的求知欲，分設目標增強學生的成就感

①為了確保教學的有效性，我們首要是引導學生的良性動機和保持求知欲。而對不同階段不同能力的學生，我們就要準確界定他們的個體差異為他們指定符合他們學習生長點的目標。

在進行本次培訓的第一課，引用了大量無人駕駛的視頻前景和現(xiàn)狀的介紹就是為了以前沿新技術(shù)的標志來吸引學生，在通過本次競賽項目與真實的無人駕駛對比，證明該項目對無人駕駛技術(shù)的學習的基礎知識，通過這個簡短的介紹讓學生萌生學習該知識的強烈意向并樹立起完成學習項目整體目標。

②對于不同階段的學生，除了會考慮用大多數(shù)學生能夠理解的方法解決新知識的傳授以外，更側(cè)重于根據(jù)學生的認知能力設定目標，最基本的目標指向于該項目能最終實現(xiàn)，所以對于能力較薄弱的小組，在搭建過程中，我們會減低學習的進度、適當目標的難度或提供一個固定的方法供學生參考，但對于能夠理解的學生，會圍繞自主學習、小組合作學習的方式讓學生攻關每一個目標。

本項目要求機器人通過有限數(shù)量的門電路實現(xiàn)巡線、遇障停車、遇紅燈停車、終點停車等任務同時實現(xiàn)。很明確，同時實現(xiàn)多一個功能，體統(tǒng)難度將指數(shù)倍提升。在學習初期，我們務必保證所有學生能理解巡線這一最根本的功能。接著，要求高中的學生要求除了重點停車意外的功能要同時實現(xiàn)，而初中的學生，我們要求先讓他嘗試巡線與與遇障停車同時實現(xiàn)作為他們的目標，再考略高中的要求。對于能完成高中要求的學生在思考所有功能如何同時實現(xiàn)，此時也遇到了該項目最大的問題之一“門電路不夠用的”。通過分層次分階段地任務目標調(diào)節(jié)了學生的學習難度，保持學生學習的挑戰(zhàn)性與成就感對學習的效果是起到重要的貢獻。

初中階段的問題：嘗試實現(xiàn)一個用一個輸入信號控制電機轉(zhuǎn)動與停。

高中階段的問題：嘗試用簡單的控制方法實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)和停。

學生通過提供的任務，以及指引性材料，進行小組內(nèi)研學。最后進行組間輪流展示形式相互印證所掌握知識，實現(xiàn)了教學的有效性。

3.3 后續(xù)懸念引導法

注重知識見的關聯(lián)，便于學生發(fā)現(xiàn)知識的深層價值，提升學生對學習的興趣。在教學過程中，要側(cè)重知識之間的相互關聯(lián)，通過教學策劃編排好教學內(nèi)容的次序性，能確保教學的流暢和高效率運行。從前文提供的教學涉及內(nèi)容分析和教學材料的編排，都是根據(jù)項目在完成到一定階段會出現(xiàn)的新問題而設定的，這是符合人認知問題的規(guī)律：實踐——認識——時間。

這次培訓我們合理的利用知識之間的關系對教學進行編排，確保每一段活動與前后存在著必然的承上啟下的關系，激起了學生對后續(xù)學習的迫切需求。這種方法明顯有利于保持學生學習的積極性。

譬如，在本次項目中，學生剛學會了如何判斷黑白巡線的方法，在場地測試中馬上產(chǎn)生了迫切需要解決虛線巡線的需求。我們給予了學生一個簡單的提示：“一個紅外傳感器不夠可否多用幾個”。學生就產(chǎn)生了對下一次內(nèi)容的熱切期待。確實下一次學習學生的精神狀態(tài)非常高昂，響應效率高。學生通過提示預先的自我嘗試，也讓講解該內(nèi)容的一些難點變得容易理解。

4 實施流程

4.1 準備階段

4.1.1 梳理項目知識點，進行等級歸類

根據(jù)本屆創(chuàng)意機器人競賽項目需求列舉學生在競賽中需要掌握的知識、技能及方法。

4.1.2 編排課程進度，準備好教學資源

基于上述學生需要學習的內(nèi)容，我們把培訓課程定為一周的時間，主題以“無人駕駛”基礎套件的實現(xiàn)為載體，開展上述內(nèi)容的學習。

4.2 教學階段

按照計劃，我們的教學是3課時一段，共7段進行教學。把上述內(nèi)容安排在7段的學習中。

5 教育效果

從教學教過來看，本次持續(xù)7天的培訓，6個小組都能夠完成“無人駕駛”的所以設定項目，并懂得利用LINKBOY編寫一個具有創(chuàng)意功能的應用，完成了預設的教學任務。從學生學習情況分析，初中階段的學生更喜好結(jié)果性的學習，過程性的原理方面的教學對于他們的水平的認知依然有一點的超前，但通過合理的課程編排，學生能保持學習的積極性，最終能理解新知識技能的基礎要求。高中的學生有較強烈的尋根究底的表現(xiàn)，他們寧愿降低進度也要把新知識認識透徹才進行進一步的學習，所以在教學過程中，微課異步學習的方法值得提倡（允許學生利用學生電腦錄制老師的教學演示）。從學生的角度編排教學順序，強化需求性;分層分階段的學習能的方法是有效的。

6 推廣價值

本案例通過在我校的初期實施，教學效果良好，學生反饋較佳。且本案例有相應的教學設計、課件、程序等資源，內(nèi)容豐富詳實。對學校、場館的硬件要求不高（套件與機房）、課時設置較為合理，在推廣上比較容易實現(xiàn)。

（作者單位：廣東省廣州市第四中學）