入境生情，開啟中學(xué)機(jī)器人教學(xué)“情”模式

方少芹 魏爍佳

前不久，被譽(yù)為“90后馬云”的“禮物說”CEO溫城輝返回高中母校與全校師生分享他創(chuàng)業(yè)成長的體驗(yàn)，在演講中，溫城輝提到高中時(shí)代參與機(jī)器人活動(dòng)大大提升了自己的創(chuàng)新能力。溫城輝的成長讓我們想起許多學(xué)生，他們在中小學(xué)階段因參與機(jī)器人活動(dòng)，與機(jī)器人結(jié)緣，從此有了不一樣的人生軌跡。細(xì)數(shù)起來，本地區(qū)開展機(jī)器人教育活動(dòng)已有十一年的光陰，追蹤在機(jī)器人活動(dòng)中成長起來的孩子，他們的成長比同齡人更有優(yōu)勢。究竟是什么讓參加機(jī)器人活動(dòng)的孩子更加優(yōu)秀？如何讓參與活動(dòng)的孩子獲得更大的發(fā)展呢？當(dāng)我們叩問這兩個(gè)問題時(shí)，“不忘初衷，方得始終”這句話漫上心頭。的確，“不忘初衷”的教育情懷讓機(jī)器人教育不僅關(guān)注孩子們在機(jī)器人技術(shù)上習(xí)得的情況和動(dòng)手能力的培養(yǎng)，更關(guān)注孩子們面對困難的態(tài)度、應(yīng)對問題的策略、與人合作的能力、創(chuàng)新品質(zhì)的培養(yǎng)、科學(xué)素養(yǎng)的提升以及運(yùn)用技術(shù)解決問題的世界觀?；谶@樣的認(rèn)識(shí)，我們的機(jī)器人教育發(fā)乎于情，形成了“入境生情—獲取新知—探究創(chuàng)作—分享反思”的教學(xué)模式，踐行了機(jī)器人教育的初衷，取得了較好的育人效果。

● 入境生情

2016年3月15日，谷歌圍棋人工智能程序AlphaGo以高超的運(yùn)算能力和縝密的邏輯判斷，4：1擊敗世界圍棋的頂尖高手李世石，讓世人對新一代人工智能刮目相看。AlphaGo的勝利，再一次激發(fā)了機(jī)器人教育工作者的使命感。因此，對機(jī)器人教育工作者來說，今天對機(jī)器人愛好者情感態(tài)度與價(jià)值觀的引領(lǐng)比以往任何時(shí)候都重要。那么，我們在開展機(jī)器人教學(xué)時(shí)應(yīng)如何培養(yǎng)學(xué)生的情感態(tài)度與價(jià)值觀呢？

1.精心選取教學(xué)載體

用于引入教學(xué)情境的教學(xué)載體應(yīng)具備三方面功用：一是明確學(xué)習(xí)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；二是引發(fā)學(xué)生對機(jī)器人與人類生活聯(lián)系的思考；三是打開學(xué)生創(chuàng)造的思維。

在教學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)對同齡人的優(yōu)秀作品，學(xué)生最感興趣，而大師級的優(yōu)秀作品，對拓展學(xué)生的創(chuàng)造思路和提升作品的質(zhì)量最有裨益。需要強(qiáng)調(diào)的是，作為教學(xué)引入的情境，必須與學(xué)生的生活相關(guān)，即來自真實(shí)的情境，這樣才能在最短的時(shí)間內(nèi)喚起學(xué)生的共情，激發(fā)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感，讓學(xué)生愿意專注于所學(xué)的內(nèi)容。例如，智能垃圾分類收集、五水共治等機(jī)器人項(xiàng)目能夠引發(fā)學(xué)生對利用智能機(jī)器人開展環(huán)境保護(hù)與治理的設(shè)想；汽車總動(dòng)員、智能快遞等項(xiàng)目能夠讓學(xué)生暢想未來無人駕駛高智能交通工具給生活帶來的美好與便利；等等。這些環(huán)節(jié)是為學(xué)生種下類似“友善的超人工智能價(jià)值觀”的情懷的合適時(shí)機(jī)。

引入新課之后，教師呈現(xiàn)的第二份教學(xué)載體是本課學(xué)生需要完成的任務(wù)。機(jī)器人教學(xué)中交給學(xué)生完成的任務(wù)應(yīng)當(dāng)是開放性的，每位學(xué)生都可以擁有自己的想法和解決問題的方法。例如，讓學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)讓機(jī)器人對垃圾進(jìn)行分類收集的方案，學(xué)生有的想把所有的垃圾收集到回收站再逐一分類，有的則想讓機(jī)器人將垃圾一邊進(jìn)行分類，一邊收集。又如，機(jī)器人巡線行走，學(xué)生可以根據(jù)地圖環(huán)境自行選擇距離傳感器、灰度傳感器、指南針等配件設(shè)計(jì)單邊或雙邊巡線的程序算法。像這樣開放性的任務(wù)，有利于保持學(xué)生思維的靈活與開闊。

2.精心運(yùn)用教學(xué)語言

學(xué)生思想的高度、深度與開闊程度，取決于教師對學(xué)生的期許以及教師個(gè)人的審美，而教師對學(xué)生的期許以及教師個(gè)人的審美往往通過教學(xué)語言來達(dá)成，因此，教師在情境導(dǎo)向中一定要重視教學(xué)語言的提煉，以便讓學(xué)生在簡潔易懂、溫暖美好、開闊暢達(dá)的語境中學(xué)習(xí)。特別是在創(chuàng)作引導(dǎo)上，教學(xué)語言的指引尤為重要，學(xué)生學(xué)習(xí)的信心及創(chuàng)造性思維的靈活度將由此生發(fā)。

例如，在教學(xué)《機(jī)器人走迷宮》時(shí)，我們這樣引入新課：“同學(xué)們，今天我們將設(shè)計(jì)一款機(jī)器人，幫助視力殘疾人士方便而安全地在室內(nèi)行走。”接著指引學(xué)生思考：“想象一下，假設(shè)教室未擺放桌椅，蒙上眼睛，你能從前門準(zhǔn)確地走到后門嗎？”在問題的導(dǎo)引下，學(xué)生很快由生活常識(shí)用手摸著墻壁行走得出利用紅外距離傳感器引導(dǎo)機(jī)器人貼著墻壁走的策略。教師接著問：“再想想，一只手摸著墻壁走，有沒有可能撞上墻壁？另一只手能否也來輔助？來，比一比如何輔助?！苯處熗卣剐缘膯栴}帶來的結(jié)果是學(xué)生主動(dòng)進(jìn)階思考當(dāng)出現(xiàn)90度拐角時(shí)，如何用正前方避障法防止機(jī)器人“碰壁”。當(dāng)師生的對話催生出學(xué)生解決問題的策略后，教師提出期望：“技術(shù)與智慧的結(jié)合能讓我們做許多有意義的事情。老師希望同學(xué)們能在今天所掌握的知識(shí)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出能識(shí)別更復(fù)雜環(huán)境的機(jī)器人，讓機(jī)器人在室外也能為視力殘疾人士導(dǎo)航?！?/p>

● 獲取知識(shí)

學(xué)生明確學(xué)習(xí)任務(wù)后，接下來要做的事情就是對自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，已經(jīng)掌握的知識(shí)與技能是否能解決問題，如果不能，是聽老師講解還是與伙伴進(jìn)行研討以獲取問題解決所需的知識(shí)與技能。這個(gè)環(huán)節(jié)教師要準(zhǔn)備好多種學(xué)習(xí)資源，以支撐學(xué)生的自主建構(gòu)。對于學(xué)生自己摸索耗時(shí)較多的知識(shí)點(diǎn)，教師應(yīng)作適當(dāng)?shù)闹v解。對部分掌握知識(shí)點(diǎn)較遲緩的學(xué)生，教師可以提供微課、文檔等資源供學(xué)生自主學(xué)習(xí)。對少數(shù)自主學(xué)習(xí)有困難的學(xué)生，教師可通過同伴互助或親自指導(dǎo)的方式，讓學(xué)生能掌握解決問題應(yīng)具備的知識(shí)與技能。

例如，講授《認(rèn)識(shí)機(jī)器人的感覺器官——傳感器》一課時(shí)，可以讓學(xué)生將亮度傳感器置于手電筒光源下、室內(nèi)、室外等光線強(qiáng)度不同的環(huán)境中，記錄返回的數(shù)值范圍，掌握改變外部環(huán)境因素檢測傳感器的通用方法。然后提供微課資源，讓學(xué)生分組自行探究學(xué)習(xí)灰度、距離、聲音、指南針等傳感器的使用。最后各組匯報(bào)交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在習(xí)得新的知識(shí)與技能之后，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生思考問題解決的策略，分析其中隱含著的思想方法。如在“九宮樂園”項(xiàng)目的學(xué)習(xí)中，教師可引導(dǎo)學(xué)生通過體味優(yōu)秀范例程序或自主嘗試，小組討論得出其中所隱藏的策略，讓學(xué)生總結(jié)出“快、穩(wěn)、準(zhǔn)”三種程序設(shè)計(jì)策略：巡線和滅火求“快”，否則時(shí)間可能不夠；伐木環(huán)節(jié)應(yīng)“穩(wěn)”，此區(qū)域線路細(xì)且模糊，穩(wěn)定是關(guān)鍵，速度是其次；計(jì)數(shù)辨路環(huán)節(jié)貴在“準(zhǔn)”，用好碰撞偵測準(zhǔn)確計(jì)數(shù)是辨路的前提。在機(jī)器人學(xué)習(xí)過程中，策略既是智慧的外顯，又是經(jīng)驗(yàn)的整合；既強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)方法的多元，又強(qiáng)調(diào)能根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整行動(dòng)方案。因此，教師應(yīng)重視培養(yǎng)學(xué)生掌握解決問題的策略。

學(xué)生在形成解決問題的初步策略的同時(shí)，還要判斷自己所擁有的資源是否滿足創(chuàng)作需求。若未滿足，繼續(xù)尋找；若已經(jīng)滿足，則可以進(jìn)入機(jī)器人制作與程序設(shè)計(jì)的創(chuàng)作階段。

● 探究創(chuàng)作

在探究創(chuàng)作階段，學(xué)生的主要行動(dòng)是規(guī)劃問題解決方案和實(shí)施方案解決問題。規(guī)劃問題解決方案是承上啟下的，學(xué)生在自主規(guī)劃問題解決方案前，對問題大抵已經(jīng)有了應(yīng)對的策略，當(dāng)下要做的就是將思想策略轉(zhuǎn)化為可落實(shí)的方案并運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)與技能將其實(shí)現(xiàn)。如前文提到九宮樂園計(jì)數(shù)辨路策略的實(shí)現(xiàn)，如果學(xué)生習(xí)慣性用碰撞感應(yīng)器進(jìn)行簡單碰撞記錄，他們將會(huì)遇到出現(xiàn)障礙物被撞開前有多次碰撞記錄的情況，必須從替換其他傳感器或程序算法修改的角度去完善。這是一個(gè)將想法變成現(xiàn)實(shí)的創(chuàng)造過程，學(xué)生在這一過程中將得到多方面的鍛煉。

在學(xué)生努力實(shí)現(xiàn)方案時(shí)，教師應(yīng)特別關(guān)注學(xué)生面對困難的情緒、與同伴合作的融洽程度以及創(chuàng)新度。這是因?yàn)樵跈C(jī)器人的學(xué)習(xí)過程中問題總是層出不窮，這些問題可能出現(xiàn)在程序設(shè)計(jì)過程中，也可能出現(xiàn)在調(diào)試過程中。調(diào)試過程中的問題往往在學(xué)生的意料之外，因?yàn)闄C(jī)器人對周圍環(huán)境的要求較高，光、磁場、場地的平滑度等都會(huì)影響機(jī)器人的行為，學(xué)生必須自己耐心地找出問題的所在，然后再想辦法來應(yīng)對。這個(gè)過程需要不斷修改機(jī)器人程序的參數(shù)，然后實(shí)驗(yàn)……這樣的調(diào)試過程常常要重復(fù)幾十到幾百次。一直重復(fù)同一件事情難免會(huì)產(chǎn)生負(fù)面情緒，如厭倦、煩躁、抱怨等。這時(shí)，教師及時(shí)的鼓勵(lì)與點(diǎn)撥非常重要。學(xué)生只要多經(jīng)歷幾次這樣的柳暗花明，直面困難與挑戰(zhàn)的信心就會(huì)增加，而這種品質(zhì)是可以直接遷移到其他學(xué)科的學(xué)習(xí)和生活中去的。

另外，在學(xué)習(xí)機(jī)器人的過程中，同伴的合作尤為重要，許多機(jī)器人項(xiàng)目都是需要兩人或兩人以上合作完成的，在合作的過程中，互幫互學(xué)、共同成長。對于大部分是獨(dú)生子女的學(xué)生而言，合作并非易事，大部分學(xué)生需要許多次磨合才能達(dá)到融洽。在學(xué)生合作的過程中，教師要用心感受學(xué)生情緒的變化，在學(xué)生各執(zhí)己見矛盾激化時(shí)，要引導(dǎo)學(xué)生用包容的心態(tài)去審視對方的想法，學(xué)會(huì)吸納對方的長處，從而形成更有利于解決問題的方案。

富有創(chuàng)新精神的學(xué)生，其解決問題的方案自有特別之處，但學(xué)生自己可能并不知道。在學(xué)生實(shí)施方案解決問題時(shí)，教師要及時(shí)發(fā)現(xiàn)方案的優(yōu)勢，通過點(diǎn)評或點(diǎn)贊的方式，讓學(xué)生感受到創(chuàng)新的價(jià)值，從而讓創(chuàng)新成為學(xué)生的自覺追求。

● 分享反思

問題得到解決，方案塵埃落定，接下來學(xué)生要做的事情是分享學(xué)習(xí)成果，接受同伴及教師評價(jià)，并根據(jù)評價(jià)反思、優(yōu)化作品。

評價(jià)環(huán)節(jié)最有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。從介紹成果的語言表達(dá)，到評價(jià)過程中對審美和創(chuàng)新的把握，再到反思不足，確定優(yōu)化方向，對投入其中的學(xué)生，這不啻一次成長蛻變的過程。這個(gè)過程也是教師雕塑學(xué)生美好情懷的契機(jī)，學(xué)生對機(jī)器人的態(tài)度以及運(yùn)用技術(shù)設(shè)計(jì)生活的情懷將在這里啟程。近幾年，隨著RTEC創(chuàng)意闖關(guān)項(xiàng)目和創(chuàng)意機(jī)器人項(xiàng)目的興起，我們留意到，善于分享與反思的學(xué)生往往能自信且到位地展現(xiàn)他們作品的獨(dú)到之處，面對老師的提問也能從容且有條理地陳述從設(shè)想到實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的漫長過程。學(xué)生此時(shí)的表現(xiàn)就離不開平時(shí)學(xué)習(xí)機(jī)器人的過程中所養(yǎng)成的展示、分享的態(tài)度和習(xí)慣。

● 結(jié)語

自2006年與機(jī)器人結(jié)緣，11年的經(jīng)歷讓我們看到了機(jī)器人活動(dòng)對學(xué)生的長久影響。從直接收獲來看，學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)器人的過程中動(dòng)手能力和解決問題的能力得到了提升，面對問題的態(tài)度和團(tuán)隊(duì)合作能力得到了改善，這對數(shù)理學(xué)科的后續(xù)學(xué)習(xí)幫助很大；從長遠(yuǎn)來看，學(xué)生經(jīng)過機(jī)器人學(xué)習(xí)的磨練，其思維方式、抗挫能力、創(chuàng)新精神及創(chuàng)新能力明顯優(yōu)于同齡人。最早參加機(jī)器人活動(dòng)的那批學(xué)生，他們的學(xué)業(yè)和事業(yè)都同樣出色。今年正好是人工智能誕生60周年，站在承接歷史、展望未來的門檻，我們愿盡自己的微薄之力，繼續(xù)讓機(jī)器人融入中小學(xué)生的學(xué)習(xí)之旅。