基于A-STEM的機(jī)器人課程教學(xué)研究

葉小輝 方金翠 楊帆

【摘 要】人工智能時(shí)代已經(jīng)來臨，在學(xué)校開展機(jī)器人教學(xué)的研究已經(jīng)越來越普遍。本文基于A-STEM的機(jī)器人課程教學(xué)研究，以“Botball城市救援”機(jī)器人工程挑戰(zhàn)項(xiàng)目課程為例，對(duì)課程實(shí)施的五個(gè)關(guān)鍵問題做了詳細(xì)的論述，提出在人文引領(lǐng)的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科綜合解決問題的能力;突出人文的跨學(xué)科大概念在塑造健全人格上的統(tǒng)領(lǐng)作用，強(qiáng)調(diào)A-STEM為人類福祉服務(wù)的宗旨，進(jìn)而培養(yǎng)出德行高尚、心智健全、能力突出的健康型人才。

【關(guān)鍵詞】A-STEM;Botball城市救援;機(jī)器人工程挑戰(zhàn);項(xiàng)目實(shí)踐;計(jì)算思維

【中圖分類號(hào)】G434? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2020）02、03-098-04

2017年9月25日，教育部發(fā)布了《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程指導(dǎo)綱要》，此后機(jī)器人教育被當(dāng)成很多地方實(shí)踐活動(dòng)課程的重要內(nèi)容。我校對(duì)機(jī)器人創(chuàng)客教育做了多年的研究，希望選擇的項(xiàng)目能有助于塑造學(xué)生健全的人格，有助于培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力、計(jì)算思維能力、工程操作能力及培養(yǎng)機(jī)器人探究的綜合能力，通過參考眾多因素，最終選取了“Botball城市救援”機(jī)器人項(xiàng)目作為教學(xué)研究的內(nèi)容。根據(jù)2018年7月龍崗區(qū)教育局印發(fā)的《深圳市龍崗區(qū)A-STEM課程建設(shè)的指導(dǎo)意見》（以下簡稱《意見》）的指引，我們圍繞機(jī)器人項(xiàng)目的教學(xué)，將其編寫成了本校的A-STEM課程。

順應(yīng)學(xué)生興趣，拋出研究問題

“Botball城市救援”項(xiàng)目故事背景講述的是巨大的風(fēng)暴襲擊了 Botguy 的家鄉(xiāng)。建筑火災(zāi)、洪水、停電和天然氣泄漏伴隨而來。Botguy 需要與城市應(yīng)急中心的負(fù)責(zé)人一起擔(dān)負(fù)協(xié)調(diào)指揮工作，確保救援車輛和救援人員能夠及時(shí)前往災(zāi)區(qū)救災(zāi)、解救被困市民，將受傷的市民送往醫(yī)院，將未受傷的市民送往避難所。Botguy 指揮的救援機(jī)器人需要運(yùn)載消防隊(duì)員前往失火的建筑物前，熄滅火災(zāi)。還需要協(xié)助其他救援人員關(guān)閉天然氣閥，恢復(fù)市區(qū)的電力供應(yīng)。同時(shí)，還需要利用救援機(jī)器人收集盡可能多的水、食物和醫(yī)療用品送往避難所。

這是典型的機(jī)器人工程挑戰(zhàn)項(xiàng)目，故事背景吸引學(xué)生有興趣去研究探索，解決的方案具有一定的學(xué)科跨度，涉及A-STEM的多維度教學(xué)：人文方面，有仁愛之心，拯救市民生命，消除安全隱患，滅火救災(zāi)，為生存環(huán)境和人類健康服務(wù);化學(xué)方面，有天然氣泄漏，威脅生命安全，需緊急關(guān)閉;物理方面，有高樓大廈傾斜，電力中斷，需搶修恢復(fù);醫(yī)學(xué)方面，有救災(zāi)物資，醫(yī)療物資，需送往避難所;工程方面，項(xiàng)目中涉及機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，救援方案的優(yōu)化、救援路線的設(shè)計(jì)等;信息技術(shù)方面，編程讓機(jī)器人自主執(zhí)行救援任務(wù);數(shù)學(xué)方面，對(duì)機(jī)器人傳感器數(shù)據(jù)的分析處理，優(yōu)化算法等等。

這樣的課程設(shè)計(jì)正符合《意見》提倡的立足國家課程的重構(gòu)，對(duì)國家規(guī)劃的信息技術(shù)、物理、化學(xué)、生物學(xué)、數(shù)學(xué)等課程進(jìn)行整合提升，把按順序線性學(xué)習(xí)的教程，改造為非線性學(xué)習(xí)的生長性課程;將單科知識(shí)教學(xué)變?yōu)殚L周期的人文引領(lǐng)的多學(xué)科融合的探究項(xiàng)目，幫助學(xué)生更深入全面地理解各學(xué)科核心概念，促進(jìn)知識(shí)的遷移和應(yīng)用;將體驗(yàn)性的活動(dòng)變?yōu)榘l(fā)現(xiàn)問題和解決問題的過程。[1]

根據(jù)情景任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)模型

在上述情景任務(wù)的背景下，青少年國際競賽與交流中心將情景任務(wù)抽象為道具模型，制作了全球統(tǒng)一模擬任務(wù)的機(jī)器人競賽的平臺(tái)模型，如圖。賽臺(tái)區(qū)域大小為2.4米×2.4米，分為雙方兩個(gè)場地，兩邊場地呈中心對(duì)稱，中間洪災(zāi)區(qū)和天然氣閥區(qū)域?yàn)殡p方共同爭奪救援的區(qū)域。

賽臺(tái)是以零散件的形式提供給學(xué)校的，學(xué)生需要根據(jù)場地搭建手冊，利用工具器材，自行動(dòng)手，一步步完成場地的搭建。在這個(gè)過程中，學(xué)生需要學(xué)會(huì)簡單工具的安全使用，如鐵錘、剪刀、裁刀、手鋸、電烙鐵等。學(xué)生也需要學(xué)會(huì)分類法，對(duì)各種管材及道具進(jìn)行分類，然后仔細(xì)按照說明書，一步步組裝管材。學(xué)生還需要學(xué)會(huì)對(duì)資源的規(guī)劃使用，如搭建高樓大廈模型和醫(yī)療中心模型，根據(jù)大廈的長寬高，利用給定的KT板，先在板上進(jìn)行模型描繪，從大到小進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，將資源合理分配好了之后，再進(jìn)行剪切，最后將剪裁好的KT板拼接成高樓大廈模型。還有場地各種顏色線的粘貼，主要考驗(yàn)他們運(yùn)用兩點(diǎn)成直線的方法，先定好兩端點(diǎn)的位置，再進(jìn)行整體的粘貼，既要貼平、貼直，還要保證各個(gè)區(qū)域間的尺寸準(zhǔn)確。最后則是各個(gè)場地道具的擺放，要準(zhǔn)確按照模型標(biāo)準(zhǔn)擺放各個(gè)道具。

立足現(xiàn)實(shí)條件，引導(dǎo)學(xué)生合理取舍任務(wù)

“Botball城市救援”項(xiàng)目的任務(wù)比較多樣，完成不同的任務(wù)可以獲取不同的分?jǐn)?shù)。

這項(xiàng)機(jī)器人工程挑戰(zhàn)賽為學(xué)生創(chuàng)造了在有限時(shí)間（兩分鐘）內(nèi)解決貼近實(shí)際的工程問題的機(jī)會(huì)。比賽分為積分賽和淘汰賽，時(shí)間都是兩分鐘，兩分鐘時(shí)間是不足以完成所有任務(wù)的，學(xué)生必須對(duì)賽場的任務(wù)進(jìn)行必要的取舍，因此任務(wù)的選擇非常關(guān)鍵。積分賽沒有對(duì)手，只有自己一方的兩個(gè)機(jī)器人同時(shí)運(yùn)行。教師需要引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實(shí)際情況，規(guī)劃機(jī)器人的行進(jìn)路線，避免重疊或者被干擾到;任務(wù)要結(jié)合機(jī)器人的結(jié)構(gòu)來選擇，盡量選用動(dòng)作簡單，得分還不錯(cuò)的任務(wù)。淘汰賽更要考慮到對(duì)手的運(yùn)行路徑，既要爭奪中間的得分物體，又要避免自己方機(jī)器人的相互干擾。在任務(wù)取舍環(huán)節(jié)，突顯人文思想在塑造健全人格上的統(tǒng)領(lǐng)作用。

討論確立方案，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實(shí)踐不斷優(yōu)化

A-STEM的項(xiàng)目實(shí)踐是模仿科學(xué)家和工程師的工作，即科學(xué)家和工程師是怎樣去發(fā)現(xiàn)和解決問題的，我們就讓學(xué)生去真實(shí)地經(jīng)歷這樣的探究過程。所以，項(xiàng)目實(shí)踐是直面真實(shí)情境的，而不是剝離了真實(shí)情境的知識(shí)學(xué)習(xí)和解題訓(xùn)練。

“Botball城市救援”項(xiàng)目還為學(xué)生創(chuàng)造了在資源有限的前提下解決貼近實(shí)際的工程問題的機(jī)會(huì)?，F(xiàn)實(shí)中的工程項(xiàng)目都會(huì)有預(yù)算控制，Botball提供的資源是統(tǒng)一的并且是有限的，參賽隊(duì)伍需要以團(tuán)隊(duì)的方式親自動(dòng)手用控制器、驅(qū)動(dòng)器、傳感器和結(jié)構(gòu)套件搭建自主機(jī)器人，設(shè)計(jì)機(jī)器人的各種結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)方案需要結(jié)合選做的任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這也是最能重點(diǎn)考查學(xué)生能力的一項(xiàng)指標(biāo)。良好的結(jié)構(gòu)能讓機(jī)器人簡單有效地完成相關(guān)任務(wù)。學(xué)生們先自主研究，然后拿出自己的方案集體論證，最終選取某個(gè)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)踐的效果，再進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)方案。這是一個(gè)不斷試錯(cuò)、不斷改進(jìn)的過程。這些親自實(shí)踐的試錯(cuò)過程極其可貴，它教會(huì)學(xué)生對(duì)元認(rèn)知反思，教會(huì)學(xué)生使用批判性思維的技巧?；趯?shí)踐的效果，對(duì)項(xiàng)目的全過程和涉及的所有方面做合乎邏輯的改進(jìn)，促進(jìn)學(xué)生自學(xué)自研，學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)。

在機(jī)器人搭建的過程中，學(xué)生運(yùn)用有限的資源、自主探索研究，組建機(jī)器人表達(dá)著自己獨(dú)特的創(chuàng)意。這也體現(xiàn)出參賽學(xué)生更注重程序本身和比賽中使用的策略。

優(yōu)化程序設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力

Botball程序編寫用的是C語言。雖然目前中學(xué)生的機(jī)器人比賽用圖形化編程比重較大，代碼編程比重小。然而圖形化編程對(duì)AI學(xué)習(xí)的層次太低，C語言代碼的學(xué)習(xí)雖然有一定的難度，但是更能夠幫助學(xué)生建立程序?qū)W習(xí)的完整知識(shí)體系，對(duì)一些基本概念（比如算法、變量、函數(shù)等）有更直接的理解，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)和理解機(jī)器語言，增強(qiáng)邏輯思維能力和編程的創(chuàng)造力、想象力等，同時(shí)也有利于學(xué)生快速轉(zhuǎn)入其他語言的學(xué)習(xí)。[2]從真正培養(yǎng)未來的信息化人才出發(fā)，推行規(guī)范的計(jì)算機(jī)語言編程是必要的一步，而C語言就是其中的一種。

要完成整個(gè)任務(wù)程序的編寫，學(xué)生需要逐步掌握循環(huán)結(jié)構(gòu)、條件判斷、子函數(shù)運(yùn)用、變量運(yùn)用等基礎(chǔ)知識(shí)，每一條語句的學(xué)習(xí)，都是要運(yùn)用在項(xiàng)目中的，并且能通過運(yùn)行機(jī)器人來檢驗(yàn)程序的效果，這些都極大促使學(xué)生不再害怕、不再厭煩這些代碼語言。從這個(gè)角度來看，Botball中C語言的學(xué)習(xí)過程就是一個(gè)非?，F(xiàn)實(shí)的問題解決過程。在這個(gè)項(xiàng)目當(dāng)中，學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)非常清晰，他們對(duì)機(jī)器人運(yùn)行的結(jié)果有一個(gè)預(yù)期，這能夠非常有效地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力。Botball的工程任務(wù)可以劃分成多個(gè)子任務(wù)，而每個(gè)子任務(wù)都具有明確的目標(biāo)，我們教師則可以根據(jù)子任務(wù)的目標(biāo)設(shè)置機(jī)器人課程內(nèi)容。學(xué)生從機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)起，當(dāng)他學(xué)習(xí)完所有的課程之后，不僅在知識(shí)技能上有所收獲，還能夠?qū)λ魬?zhàn)的比賽任務(wù)有更全面的認(rèn)識(shí)和理解，產(chǎn)生出新的想法，比如，如何通過程序?qū)崿F(xiàn)讓機(jī)器人自動(dòng)糾正位置？如何讓機(jī)器人準(zhǔn)確轉(zhuǎn)彎？如何讓機(jī)器人準(zhǔn)確行駛某段路程？如何讓機(jī)器人識(shí)別著火建筑物？如何判斷是否抓取到物體？

不僅如此，他們還需要完成一系列的工程研究報(bào)告。工程報(bào)告不僅是他們最終方案的呈現(xiàn)，也是對(duì)學(xué)習(xí)過程的記錄。學(xué)生能夠通過這種形式對(duì)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)行監(jiān)督和評(píng)估，同時(shí)也能夠建立真實(shí)有效的團(tuán)隊(duì)協(xié)作機(jī)制。Botball機(jī)器人課堂提供的基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)成員間齊心協(xié)力的探索、充滿創(chuàng)新的研究將對(duì)學(xué)生的未來產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。通過一年的課程學(xué)習(xí)和實(shí)踐研究，我校學(xué)生在多項(xiàng)比賽上榮獲了冠軍。

我們的教育，到底要教給學(xué)生什么，到底要培養(yǎng)什么樣的人，這將是教育面臨的最核心的問題。未來，人工智能和機(jī)器人將會(huì)取代人類的許多工作。如果依然按原有的方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行填鴨式知識(shí)教學(xué)，不鼓勵(lì)他們?nèi)ヌ剿?、去體驗(yàn)、去自信地解決遇到的問題，那么他們30年后可能找不到工作。我們要著重培養(yǎng)學(xué)生綜合解決問題的能力。教育的真諦，就是當(dāng)人忘記一切所學(xué)之后剩下的東西。知識(shí)、理論可能會(huì)忘記，但浸入心腦的科學(xué)方法、科學(xué)思維、科學(xué)精神卻能長久留存，只有人類經(jīng)由實(shí)踐升華而得來的智慧與創(chuàng)新才是不可被替代的。[3]