仿真機(jī)器人教學(xué)中任務(wù)設(shè)計(jì)的有效性

熊國(guó)全

由于仿真機(jī)器人教學(xué)便于組織管理，便于有效普及機(jī)器人基本知識(shí)，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的中小學(xué)開展了此類活動(dòng)。但是由于仿真機(jī)器人軟件的“先天不足”和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)缺乏等原因，不少教師為完成教學(xué)而拼湊任務(wù)，甚至直接將競(jìng)賽任務(wù)用于課堂教學(xué)，忽視了任務(wù)設(shè)計(jì)的有效性，讓仿真機(jī)器人教學(xué)成了“培訓(xùn)式教學(xué)”，影響了教學(xué)的效果，不利于學(xué)生信息素養(yǎng)的培養(yǎng)。

任務(wù)的有效性是指在教師的幫助下，在強(qiáng)烈的問(wèn)題動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生通過(guò)對(duì)學(xué)習(xí)資源積極主動(dòng)的應(yīng)用，在完成既定任務(wù)的同時(shí)在知識(shí)、技能、情感等方面獲得全面發(fā)展的過(guò)程。如何設(shè)計(jì)有效的任務(wù)，讓仿真機(jī)器人教學(xué)煥發(fā)出強(qiáng)大的生命活力，是一個(gè)值得深思的問(wèn)題。

連續(xù)情境，突出趣味性

我認(rèn)為，學(xué)生對(duì)機(jī)器人充滿著好奇心，對(duì)學(xué)習(xí)仿真機(jī)器人抱有很高的熱情，但如果在教學(xué)中沒(méi)有符合趣味性的情境任務(wù)，對(duì)延續(xù)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣反而是極大的傷害。為此，要設(shè)計(jì)有效的任務(wù)，就要?jiǎng)?chuàng)設(shè)有效的任務(wù)情境：一方面，任務(wù)情境要以激發(fā)學(xué)生興趣為基點(diǎn)，生動(dòng)具體，形象逼真，在開始的教學(xué)環(huán)節(jié)能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引起探索知識(shí)的欲望，在后續(xù)操作探究教學(xué)環(huán)節(jié)中能讓學(xué)生興趣持續(xù)下去，激發(fā)思維的積極性，持續(xù)情緒的活躍性，從而有利于學(xué)生有效完成任務(wù)；另一方面，任務(wù)情境要以積淀學(xué)生信息素養(yǎng)為重點(diǎn)目標(biāo)，與具體的知識(shí)與技能、過(guò)程與方法相關(guān)聯(lián)，切不可喧賓奪主。

例如，在講授灰度傳感器的作用時(shí)，若按以往方法，我會(huì)將任務(wù)設(shè)計(jì)成小車走軌跡，學(xué)生在完成任務(wù)的過(guò)程中也能夠掌握部分知識(shí)，但任務(wù)情境為教學(xué)需要而有意杜撰，比較單一，缺乏真實(shí)感、趣味性，也沒(méi)考慮后續(xù)階段如何維持學(xué)生興趣，學(xué)生就感到?jīng)]有意思。后來(lái)，由于杭州蘿卜圈公司的3D仿真軟件突出了基于物理引擎的設(shè)計(jì)，能模擬真實(shí)的剛體運(yùn)動(dòng)以及物體的密度、質(zhì)量、速度、加速度等各種現(xiàn)實(shí)物理動(dòng)力學(xué)屬性，在發(fā)生碰撞、受力、摩擦的運(yùn)動(dòng)時(shí)，能模擬出因不同屬性而發(fā)生的不同運(yùn)動(dòng)效果，于是我用這款軟件設(shè)計(jì)了生動(dòng)具體的《環(huán)游金字塔》情境（如圖1）。

完成任務(wù)伊始，逼真的隧道、高高聳立的金字塔等場(chǎng)景一下子吸引了學(xué)生的注意力。學(xué)生需要讓機(jī)器人走在規(guī)定的路線上，避免掉下車道，這樣的情境引起了學(xué)生的興趣，而后設(shè)計(jì)了機(jī)器人穿越隧道時(shí)驚險(xiǎn)紛呈的情境，一些程序不夠完善的機(jī)器人就會(huì)被旋轉(zhuǎn)的木頭打下車道……

在完成任務(wù)的過(guò)程中，學(xué)生必須利用灰度傳感器的作用來(lái)編寫程序，結(jié)合使用前幾節(jié)課所學(xué)的傳感器知識(shí)，才能讓自己的小車順利通過(guò)一道道關(guān)卡。這個(gè)精彩迭起的任務(wù)，既能持續(xù)引起學(xué)生的興趣，使學(xué)生更主動(dòng)參與完成任務(wù)的操作，又能從始至終貫穿本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

在有效任務(wù)的驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生利用所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行機(jī)器人知識(shí)的綜合運(yùn)用，同時(shí)提升了自身的創(chuàng)作能力，最終有效地提升了信息素養(yǎng)。

回歸現(xiàn)實(shí) 突出科學(xué)性

仿真機(jī)器人教學(xué)可以幫助學(xué)生通過(guò)編制程序控制機(jī)器人在虛擬環(huán)境的運(yùn)動(dòng)來(lái)學(xué)習(xí)科學(xué)的思維方式，提高邏輯思維能力，培養(yǎng)分析和解決問(wèn)題的能力。但以往受仿真軟件限制，教師教學(xué)中設(shè)計(jì)的任務(wù)常常脫離現(xiàn)實(shí)生活，導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)于理想化、虛擬化，如仿真機(jī)器人上坡與下坡速度一樣，運(yùn)動(dòng)時(shí)不用考慮摩擦力和動(dòng)力等。學(xué)生與這種遠(yuǎn)離現(xiàn)實(shí)的仿真機(jī)器人頻繁接觸，容易忽視真實(shí)環(huán)境中的因素，這樣就容易割斷仿真世界與客觀世界的聯(lián)系，導(dǎo)致學(xué)生感受不到來(lái)自自然與自我的挑戰(zhàn)，容易忽視科學(xué)解決問(wèn)題的重要性。

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)本身就是綜合了多門學(xué)科知識(shí)的運(yùn)動(dòng)，因此，在仿真機(jī)器人教學(xué)中，設(shè)計(jì)教學(xué)任務(wù)時(shí)不能理想化、虛擬化，應(yīng)回歸現(xiàn)實(shí)突出任務(wù)的科學(xué)性，引導(dǎo)學(xué)生把信息技術(shù)作為獲取信息、探索問(wèn)題、協(xié)作解決問(wèn)題的認(rèn)知工具，在探索中掌握其他學(xué)科和信息技術(shù)的知識(shí)，在潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)、綜合地分析和解決問(wèn)題的能力。

例如，設(shè)計(jì)任務(wù)《駕駛員考駕照》時(shí)，我將任務(wù)回歸現(xiàn)實(shí)，如設(shè)計(jì)有起伏、彎道、上坡、下坡的道路等。學(xué)生在完成任務(wù)時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)：汽車速度過(guò)快，在啟動(dòng)時(shí)會(huì)顛簸，導(dǎo)致行駛方向改變，甚至于沖下道路。于是我引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系實(shí)際生活來(lái)思考小車的變速運(yùn)動(dòng)，學(xué)生最終提出方案：在啟動(dòng)時(shí)，先慢速起步，等速度上去了再加速至高速就不會(huì)顛簸。學(xué)生很快又產(chǎn)生了新問(wèn)題：在走彎道時(shí)，高速行駛的小車很容易沖下道路；由于道路有起伏，高速行駛的小車會(huì)顛簸，也容易沖下道路。于是我引導(dǎo)學(xué)生分析走彎道時(shí)汽車速度不能過(guò)快的原因，引導(dǎo)學(xué)生分析某個(gè)瞬間汽車的受力方向，將相關(guān)科學(xué)知識(shí)遷移過(guò)來(lái)，以完善學(xué)生的知識(shí)。這樣，通過(guò)模擬逼真的現(xiàn)實(shí)物理運(yùn)動(dòng)來(lái)促使任務(wù)回歸現(xiàn)實(shí)，強(qiáng)化了現(xiàn)實(shí)生活中很多不可忽視的因素，突出了科學(xué)性，大大加強(qiáng)了機(jī)器人教學(xué)與其他學(xué)科的整合，有效促了進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的形成。

以生為本 突出操作性

不少比賽任務(wù)非常新穎，對(duì)學(xué)生有很大的吸引力，但這些任務(wù)作為課堂教學(xué)任務(wù)卻沒(méi)有可操作性，如比賽任務(wù)《野外生存》非常有趣，可在一個(gè)課時(shí)內(nèi)大多數(shù)學(xué)生因時(shí)間限制和自身能力問(wèn)題無(wú)法完成。因此，設(shè)計(jì)仿真機(jī)器人教學(xué)任務(wù)，應(yīng)秉持一切從學(xué)生出發(fā)的原則，充分考慮學(xué)生現(xiàn)有的文化知識(shí)結(jié)構(gòu)、認(rèn)知能力、年齡、興趣等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出貼近學(xué)生操作能力和思維水平的任務(wù)。

例如，在講授伺服電機(jī)時(shí)，我考慮到學(xué)生對(duì)比賽項(xiàng)目《野外生存》感興趣，于是從其中分解出適宜學(xué)生學(xué)習(xí)的《飛渡天險(xiǎn)》任務(wù)（如圖2）：基本任務(wù)是機(jī)器人沿著彎曲的道路來(lái)到鐵索下，伸出手臂抓住鐵索越過(guò)峽谷滑至另一端的山頂，最后放開手臂落到山頂平地；提高任務(wù)則是在此基礎(chǔ)上調(diào)整機(jī)器人方向，繼續(xù)沿著山路前進(jìn)至終點(diǎn)。分析該任務(wù)，首先，任務(wù)的設(shè)計(jì)考慮到了學(xué)生的特點(diǎn)、知識(shí)接受能力的差異，容易被學(xué)生接受；其次，考慮了任務(wù)的大小、知識(shí)點(diǎn)的含量、前后的聯(lián)系等多方面的因素；再次，任務(wù)中涉及許多學(xué)生能理解的科學(xué)原理，如慣性、重心等，符合學(xué)生現(xiàn)有的文化知識(shí)結(jié)構(gòu)，完成任務(wù)的過(guò)程中，師生可以適時(shí)地加以總結(jié)，概括出其規(guī)律性的知識(shí)，實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)象到本質(zhì)、由感性到理性的過(guò)渡。

關(guān)注問(wèn)題 突出生活性

與學(xué)生的生活相去甚遠(yuǎn)的課堂任務(wù)是很難吸引學(xué)生的。信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出要結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)和生活實(shí)際設(shè)計(jì)問(wèn)題，讓學(xué)生在活動(dòng)過(guò)程中掌握應(yīng)用信息技術(shù)解決問(wèn)題的思想和方法。機(jī)器人是人類認(rèn)識(shí)自然、改造自然的產(chǎn)物。因此，在仿真機(jī)器人教學(xué)中要關(guān)注生活中的問(wèn)題，突出任務(wù)的生活性，如我們可以引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)生活中的問(wèn)題，使學(xué)生對(duì)新的知識(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的探究愿望、解決問(wèn)題的熱情與責(zé)任感，促使學(xué)生嘗試在完成任務(wù)的過(guò)程中掌握應(yīng)用機(jī)器人基本知識(shí)解決問(wèn)題的思想和方法，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和探究能力。

設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，教師既要根據(jù)教學(xué)實(shí)際，又要聯(lián)系學(xué)生實(shí)際，關(guān)注問(wèn)題，突出任務(wù)的生活性。例如，為了講授測(cè)障傳感器和測(cè)距傳感器的作用，我提出一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題：假如你是汽車設(shè)計(jì)師，你會(huì)如何從技術(shù)上避免汽車追尾事故的發(fā)生？問(wèn)題提出后，不少學(xué)生建議：在汽車前方加上某種設(shè)施幫助駕駛員預(yù)防追尾事故。從而引出在汽車前方加上測(cè)障傳感器作為檢測(cè)裝置，當(dāng)檢測(cè)到汽車前方有物體將要發(fā)生追尾時(shí)，汽車在機(jī)器人控制下自動(dòng)剎車。待學(xué)生完成這一任務(wù)，我又提出新的質(zhì)疑：汽車突然剎車，對(duì)乘客會(huì)產(chǎn)生很大的安全隱患，那么我們?nèi)绾胃倪M(jìn)設(shè)置以減少安全隱患？引導(dǎo)學(xué)生了解測(cè)距傳感器的作用，讓學(xué)生積極主動(dòng)尋找問(wèn)題，主動(dòng)獲取新的知識(shí)。最后，師生利用提問(wèn)與討論等方式，發(fā)揮課堂的群體作用提出新的方案：在汽車前方加上測(cè)距傳感器作為檢測(cè)裝置，當(dāng)測(cè)距傳感器檢測(cè)到汽車與前方有物體的距離小于一定值時(shí)，汽車在機(jī)器人控制下自動(dòng)給駕駛員發(fā)出警報(bào)或控制汽車減速，當(dāng)汽車與前方有物體的距離小于危險(xiǎn)臨界值易發(fā)生追尾事故時(shí)，汽車在機(jī)器人控制下自動(dòng)剎車，此時(shí)由于汽車速度不快，急剎車產(chǎn)生的安全隱患對(duì)乘客影響比較小。這樣設(shè)計(jì)任務(wù)，學(xué)生容易在探索生活實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中提出自己的實(shí)踐內(nèi)容或?qū)W習(xí)目標(biāo)，形成開放式的教學(xué)模式，達(dá)到預(yù)先教學(xué)的效果，有效地將信息技術(shù)的學(xué)習(xí)與生活應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。

倡導(dǎo)成功 突出層次性

因?yàn)樾畔⒓夹g(shù)學(xué)科的特殊性，一個(gè)班級(jí)里學(xué)生存在差異。課堂任務(wù)“一視同仁”容易導(dǎo)致水平高的學(xué)生無(wú)事可做，水平低的學(xué)生做不出來(lái)，為此在任務(wù)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，考慮學(xué)生能力的差異性。這樣，學(xué)生在完成自己有能力完成的任務(wù)時(shí)，往往會(huì)專心致志，樂(lè)此不疲，成功的喜悅，能夠激發(fā)他們探索的激情和信心，使學(xué)習(xí)進(jìn)入到另一個(gè)高度。

例如，講授迷宮搜索算法時(shí)，我設(shè)計(jì)了《山地賽車》任務(wù)：基本任務(wù)是小車從起點(diǎn)出發(fā)，沿著彎彎曲曲的盤山公路到達(dá)指定地點(diǎn)；提高任務(wù)是小車從指定地點(diǎn)原路返回出發(fā)地；終極任務(wù)則是按《野外生存》比賽任務(wù)的要求，小車快速行駛在盤山公路上。由于基本任務(wù)比較簡(jiǎn)單，又有師生示范，絕大多數(shù)學(xué)生容易理解任務(wù)，也能夠及時(shí)完成任務(wù)。當(dāng)大部分學(xué)生完成基本任務(wù)，教師可引導(dǎo)學(xué)生完成提高任務(wù)。中學(xué)生具有很強(qiáng)的表現(xiàn)欲望，希望自己的行為被他人認(rèn)可，一般會(huì)有一半以上的學(xué)生盡自己的最大努力去完成任務(wù)。當(dāng)有部分學(xué)生完成提高任務(wù)，教師可以展示3D仿真軟件的在線比賽模式，引導(dǎo)學(xué)生思考、探究：如何讓自己的小車快速在山道上行駛？經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，有部分學(xué)生創(chuàng)新地提出在小車上加上導(dǎo)輪，在編程時(shí)讓小車偏向一側(cè)行駛，從而將速度提高許多，小車完成任務(wù)的時(shí)間大大減少。這樣，通過(guò)層次性任務(wù)設(shè)計(jì)，層次較低的學(xué)生也能面對(duì)自己的機(jī)器人體驗(yàn)到成功感，而層次較高的學(xué)生在面對(duì)成功時(shí)會(huì)努力嘗試各種新穎的方法，激發(fā)他們進(jìn)一步探索的激情和信心。