智械動景：構(gòu)建機械與程序融合的生命體

王曉珍

摘要：創(chuàng)客教育理念下，以智能機器人為載體、以培育計算思維為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)已悄然而至。當(dāng)靈動而具象的機械結(jié)構(gòu)被賦予程序的靈魂，學(xué)習(xí)也將呈現(xiàn)一番動感而富有生命力的美景。本文在創(chuàng)客教育主題下，結(jié)合機器人教學(xué)實踐經(jīng)驗，從啟蒙、嘗試、實現(xiàn)、創(chuàng)造四方面規(guī)劃出一條機器人教學(xué)的通用路徑，并探究不同階段教學(xué)策略的有效運用。

關(guān)鍵詞：計算思維；機器人；機械；程序；教學(xué)策略

中圖分類號：G434 文獻標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2018）21-0009-04

當(dāng)人工智能時代的鐘聲敲響，當(dāng)創(chuàng)客的風(fēng)帆已經(jīng)高高揚起，當(dāng)STEAM教育的浪潮已經(jīng)涌向岸邊，我們可以清晰地感受到未來的教育將發(fā)生巨大的改變。在人工智能新時代，中小學(xué)信息技術(shù)教育肩負(fù)著讓孩子觸摸人工智能，培育其計算思維的使命。以機器人為載體的教學(xué)活動已然成為教育迭代的產(chǎn)物，它既可以通過機械的精巧搭建觸摸思維，又可以通過程序的精密設(shè)計活躍思維。

然而，一個嶄新的時代留給教育的更多的是機遇與挑戰(zhàn)。縱觀當(dāng)前機器人教學(xué)的現(xiàn)狀，要完成新時代所賦予的使命我們是“心有余而力不足”。機器人價格的制約、理論研究的缺乏、競賽趨勢的導(dǎo)向等都阻礙了機器人教學(xué)的普及。其實，機器人教學(xué)光有硬件設(shè)備是不夠的，還需要有配套的課程；光有課程也是不夠的，還需要有適切的教學(xué)策略。只有這樣，機器人教學(xué)才能勾勒出一條有效的路徑，以通往新時代所期待的唯美境地。

啟蒙，始于觸摸機器而迸發(fā)的滿腔熱情

古人云：啟其蒙而引其趣。機器人教育的啟蒙也要從學(xué)生的興趣出發(fā)，形成樂學(xué)、好學(xué)、自學(xué)的態(tài)勢。機器人盡管以其多變的造型、智能的技藝受孩子們青睞，但卻難以經(jīng)受多重的考驗。因此，興趣不是天生的，也不是固定不變的。如何能夠激發(fā)并保持孩子們學(xué)習(xí)機器人的興趣呢？針對這一問題，筆者結(jié)合實際的教學(xué)經(jīng)驗與機器人本身的特征進行研究整理，并歸納出一種可行的策略——三度觸摸策略（如圖1）。

1.一度觸摸，感受機械與程序融合的魅力

今天的孩子是數(shù)據(jù)時代的原住民，在人工智能的時代背景下，他們不乏與機器人親密接觸的機會。但在與機器人打成一片的同時，卻鮮有人思考其組成、原理、技術(shù)、意義……因此，有必要將機器人請進課堂，讓學(xué)生浸潤到機器人世界中，在充分的觸摸體驗與深刻的感悟中習(xí)得知識技能，培養(yǎng)學(xué)生持久的興趣。

案例1：《認(rèn)識機器人》——課堂里出現(xiàn)的智能伙伴。

在《認(rèn)識機器人》一課中，目標(biāo)是讓學(xué)生了解機器人結(jié)構(gòu)的基本組成。筆者將智能機器人——小優(yōu)引進課堂，孩子們一進門便一片嘩然，難以抑制的好奇與熱情溢于言表。課堂上，孩子們可以通過全方位觀察活動，了解機器人的執(zhí)行機構(gòu)；可以通過互動體驗，感知機器人的傳感器模塊；可以通過交流對話，感受機器人核心處理器的強大……在教師的適當(dāng)引導(dǎo)下，孩子們在不知不覺中印象深刻地儲備了機器人基礎(chǔ)知識。

一度觸摸的形式可以多樣化，除了實體機器人，也可以是虛擬機器人、視頻、圖片、簡易模型等。而它們的共同目的是讓孩子們浸潤到機器人的世界，并為之傾倒，激發(fā)興趣，驅(qū)動主動學(xué)習(xí)的熱情。

2.二度觸摸，與零件交朋友

二度觸摸，是一個從整體到局部的演變。學(xué)生對機器人有了整體的感性認(rèn)識，也對每一個部件充滿了好奇。那就順應(yīng)孩子們的好奇心，讓其在零件的海洋中尋找機械結(jié)構(gòu)的奧秘。

案例2：百變造型中探究齒輪的相互作用。

以樂高機器人為例，齒輪是動力傳遞的主要來源。而樂高機件中齒輪的種類繁多，功能不一，機械傳遞的原理也不盡相同。筆者在教授大齒輪與小齒輪之間帶動關(guān)系時，為學(xué)生設(shè)計了一份導(dǎo)學(xué)單，引導(dǎo)學(xué)生在用自己設(shè)計的齒輪結(jié)構(gòu)傳遞動力的過程中，觀察力的大小、速度、方向等的變化。通過比較與分析，得出齒輪間相互作用的結(jié)論。在整個教學(xué)活動中，孩子們既傾心于自己設(shè)計的齒輪造型，又力求尋找規(guī)律將齒輪的價值發(fā)揮到最大。

機械結(jié)構(gòu)的觸摸讓孩子更進一步接觸機器人，并可以親自體驗對機器人進行改造。教師在二度觸摸的過程中要做好引導(dǎo)作用，結(jié)構(gòu)的設(shè)計不僅僅是為了美觀與好玩，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計是機器人得以施展其功能的物質(zhì)基礎(chǔ)。

3.三度觸摸，與程序打招呼

如果機械結(jié)構(gòu)的搭建培養(yǎng)了孩子們的動手能力，那么程序便是對思維能力的提升。三度觸摸，將原本機械的動力結(jié)構(gòu)智能化，將孩子們的學(xué)習(xí)熱情推向了高潮。

案例3：比比誰的小車更靈動。

以小車作為機器人的基本結(jié)構(gòu)，加以程序的作用，學(xué)生能輕松地驅(qū)動其前進與后退。而筆者在此基礎(chǔ)上，教授機器人轉(zhuǎn)向的奧秘。首先讓學(xué)生觀察，小車在轉(zhuǎn)向過程中輪子的方向與速度變化，從而得出左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)輪子的速度、轉(zhuǎn)向角度等變化規(guī)律。孩子們在調(diào)試過程中，感受到程序的巨大魅力，研制出各種走向的機器人。筆者以此為契機，增設(shè)了“比比誰的小車更靈動”環(huán)節(jié)，展示的機器人中有的能走正方形，有的能繞障礙物，有的還能跳舞……孩子們在分享的過程中，看到的是機器人靈動的行為，收獲的卻是程序設(shè)計的奧秘。同時，他們在同伴和老師的認(rèn)可中，增強自信，對機器人的熱情也得以保持。

三度觸摸，直達機器人的核心，孩子們也在此過程中體驗到程序是機器人靈魂一樣的存在。對程序的調(diào)控而產(chǎn)生的機器人不同行為的反饋，正是孩子們熱衷的焦點，進而也推動了程序的學(xué)習(xí)熱情。

嘗試，匯于模仿所帶來的成功體驗

嘗試，意味著機器人教學(xué)由單一的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向整體的項目學(xué)習(xí)。在嘗試階段，學(xué)生對機器人的設(shè)計與操練尚未成熟。因此，模仿是該階段最有意義的學(xué)習(xí)行為。模仿是學(xué)習(xí)復(fù)雜動作技能的早期階段，適用于機器人學(xué)習(xí)的起步。模仿的目的在于讓學(xué)生體驗完整的機器人項目所帶來的成就感，同時，也深化機器人相關(guān)的基本知識，了解機器人原理如何應(yīng)用到實際機器人設(shè)計與制作中。筆者在引導(dǎo)學(xué)生嘗試的過程中，總結(jié)出一些教學(xué)策略，讓該階段教學(xué)效果最大化。

1.解構(gòu)剖析法

解構(gòu)是把已有的事物打開，學(xué)習(xí)其中的規(guī)律和知識，是發(fā)現(xiàn)原理和規(guī)律的過程。學(xué)生在模仿機器人結(jié)構(gòu)時，通常有兩種途徑：一是參照已有的圖紙搭建，這種情況下解構(gòu)已提前完成，學(xué)生只需要剖析機械結(jié)構(gòu)設(shè)計意圖，在模仿中感知其中的原理與規(guī)律；二是參照已有的模型搭建，這種情況下必然解構(gòu)優(yōu)先，必須通過深入剖析探究出其中的規(guī)律與原理，方能完整模仿出來。因此，解構(gòu)剖析是模仿的必要條件，該策略的應(yīng)用也是學(xué)生能力提升、思維訓(xùn)練的契機。

2.聚類耦合法

學(xué)生在模仿的過程中，總會有意識地將結(jié)構(gòu)相似、功能相似，甚至技術(shù)思想相似的模塊歸為一類，這正是聚類思想在機器人制作中的體現(xiàn)。教師加以適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，有利于學(xué)生掌握機器人結(jié)構(gòu)與設(shè)計的共通點，更能在今后根據(jù)任務(wù)需求應(yīng)用類似的結(jié)構(gòu)去解決問題。

3.翻轉(zhuǎn)自研法

機器人的模仿其實是一個漫長的穩(wěn)步實現(xiàn)過程，僅僅靠課堂里的時間是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。再考慮到學(xué)生的差異性、調(diào)試過程的重復(fù)性等因素，這就需要在機器人教學(xué)中謀求一條翻轉(zhuǎn)課堂的道路。機器人課堂的翻轉(zhuǎn)可以是課堂知識的翻轉(zhuǎn)，利用微課等手段為已學(xué)知識的鞏固、拓展性知識的提升、重難點知識的突破尋求一條高效的捷徑；可以是機械搭建的翻轉(zhuǎn)，學(xué)生不再是依葫蘆畫瓢，而是有了更多自主學(xué)習(xí)與實踐的機會；可以是程序設(shè)計的翻轉(zhuǎn)，通過不斷的調(diào)試，學(xué)生在家就可以輕松指揮機器人了。合理利用翻轉(zhuǎn)策略，為課堂增效，同時又提升了學(xué)生的自主探究能力。

實現(xiàn)，成于任務(wù)所驅(qū)動的問題解決

該階段，學(xué)生雖然擁有了大量的知識儲備，但是在親身實踐過程中依然會遇到很多問題，并且尚未清晰項目完成的一般過程與方法，因此，教師的引導(dǎo)作用顯得尤為重要。一個項目的實現(xiàn)通常依賴集體的智慧，于是小組合作的優(yōu)勢也在這個階段得以體現(xiàn)。任務(wù)的難易程度直接影響項目的可行性、進度，甚至學(xué)生的積極性，所以任務(wù)難度要適中，既不觸手可得也不望而生畏。筆者將機器人項目式驅(qū)動的過程歸納為五部曲（如圖2），并以FLL工程挑戰(zhàn)賽中“機器人喂食”任務(wù)為例進行解說。

1.提出問題

“機器人喂食”是本項目需要解決的問題。明確目標(biāo)后，分析在機器人執(zhí)行任務(wù)過程中可能遇到的障礙：（1）飼料塊投遞過程中可能超出邊界；（2）機械臂該如何設(shè)計才能運送8塊飼料塊；（3）機器人行走過程中受到盲道的較大阻力；（4）如何每次投遞出相同顏色的飼料塊；（5）機器人行走到遠(yuǎn)處時如何準(zhǔn)確定位路線……所有的問題被一一拋出后，組員們各抒己見，盡可能突破問題難點，尋求一條最佳路徑。

2.擬定方案

學(xué)生在正式搭建前，需要擬定任務(wù)實施的方案。方案的制訂是指對該項目中所涉及的活動預(yù)先進行計劃。實施方案的設(shè)計應(yīng)該包含兩個方面：項目實施的步驟內(nèi)容和實施的時間安排。學(xué)生在搭建的時候根據(jù)實施方案來進行，可以保證完成的進度，同時也可以有序進行。方案可以根據(jù)實施過程中遇到的問題和實際情況進行修改。

3.模型搭建

經(jīng)過前期的充分準(zhǔn)備，學(xué)生已經(jīng)具備了搭建的全部條件，可以進入模型搭建的過程。模型搭建過程是機器人教育區(qū)別于其他教學(xué)模式的重要特征，在這個過程中，學(xué)生將自己的想法注入機器人的機械臂設(shè)計中，通過小組合作，體會集體智慧的魅力，以及親手制作的樂趣。學(xué)生在進行制作的時候仍會遇到一些困難，然后再進入發(fā)現(xiàn)問題階段，通過自主探究進行解決，再接著進行模型搭建。

4.程序調(diào)試

搭建好的模型，需要編制核心的程序讓其動起來。程序設(shè)計前，初始位置的設(shè)定也很關(guān)鍵。確定初始位置后，將規(guī)劃的機器人行走路徑以及機械臂擺動時機一一編寫入程序中，通過對實際路線的測量可以準(zhǔn)確計算出齒輪所需轉(zhuǎn)動的圈數(shù)或秒數(shù)。編寫好程序，機器人便進入了調(diào)試模式。在調(diào)試過程中，不可忽略的是摩擦力、環(huán)境光線、電量等造成的干擾，因此，調(diào)試是一個不穩(wěn)定的過程，需要在多次嘗試中尋求一組較為適宜的參數(shù)。

5.分享交流

任務(wù)完成之后，同學(xué)之間要相互交流，展示自己的機器人，分享制作的過程，以及在這個過程遇到的困難和解決辦法，同時交流自己的經(jīng)驗和體會。在分享交流中，借鑒他人的意見，提升自身的水平。

五部曲的體驗，留給學(xué)生的不僅僅是機器人設(shè)計的樂趣，更是一個科學(xué)素養(yǎng)、工程意識、計算思維、團隊合作精神等的培育過程。機器人教學(xué)所帶來的核心價值，也在實現(xiàn)的過程中體現(xiàn)得淋漓盡致，學(xué)生獲得了利用機器人技術(shù)解決實際問題的能力，更形成了利用機器人分析問題、解決問題的思維方法和價值觀。

創(chuàng)造，源于感受生活而發(fā)揮的無限遐想

機器人的學(xué)習(xí)不僅僅是一個功能實現(xiàn)的過程，更是一個創(chuàng)意滋長的過程。對于學(xué)生而言，機器人課堂給他們帶來的不單是利用所學(xué)知識去搭建既有模型，更要形成利用智能裝置改造生活的方法論和認(rèn)識人工智能的世界觀；對于教師而言，機器人課堂不單要關(guān)注學(xué)生具象的疑問或驚奇，更要點亮每個孩子思維閃亮的瞬間。創(chuàng)造，是在嘗試、模仿、實現(xiàn)之后思維的再度提升。創(chuàng)意的來源不是憑空捏造的，也不是刻意演繹的，它可能是生活中不經(jīng)意間的靈光一現(xiàn)，也可能是經(jīng)歷過程后的反思總結(jié)，還可能是求解問題時的想法分支……因此，教師應(yīng)該讓學(xué)生充分體驗生活，發(fā)散思維，用智能化的手段去優(yōu)化生活。

案例4：從垃圾分類到識色機器人的創(chuàng)意智造。

在日常生活中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)垃圾分類是一個重復(fù)歸類的勞作。但是，這類重復(fù)勞動又意義重大，經(jīng)過分類的垃圾不僅可以實現(xiàn)垃圾資源的利用，減少垃圾處置量，還可以改善人類生存環(huán)境質(zhì)量。面對生活中的困惑，有學(xué)生就提出讓機器人來幫助分類。為了讓學(xué)生的想法落地，教師引導(dǎo)學(xué)生利用機器人項目式驅(qū)動過程五部曲來實現(xiàn)創(chuàng)造。

從起初的問題提出到擬定方案，學(xué)生遇到了不少問題，在小組的通力合作下，設(shè)計了紅、黃、綠、藍四色的垃圾標(biāo)簽，只需在垃圾袋上貼上標(biāo)簽，垃圾桶就能自動分類了。模型的搭建塑造了機器人的形象，程序的編寫又為它插上了智能的翅膀，最終當(dāng)一個成品展現(xiàn)在所有師生面前的時候，孩子們感到由衷的自豪。

跳出課堂的思維定勢，機器人學(xué)習(xí)是一個追問生活的平臺，這個平臺不僅是創(chuàng)新思維活動的另一開端，更是在真實生活中不斷實現(xiàn)自我的另類延續(xù)。創(chuàng)造不以實現(xiàn)為起點，也不以實現(xiàn)為終點，它是隨著生活的變化不斷革新、動態(tài)生成的過程。

如果說機械是機器人教學(xué)的“外殼”，那么，程序就是機器人教學(xué)的“內(nèi)件”。兩者的完美結(jié)合，使得機器人教學(xué)更顯靈性和生命的美麗。在這個教育變維的時代，我們要讓機器人教學(xué)真正在中小學(xué)“落地生根”，更要學(xué)會升維思考，降維執(zhí)行，選擇合適的教學(xué)路徑，運用適切的教學(xué)策略，達成學(xué)習(xí)變頻的交集。這個由智能機械與程序構(gòu)建的動態(tài)美景，有了孩子們的定義、參與，將展現(xiàn)得更迷人，更搖曳。

參考文獻：

[1]鐘柏昌.“四位一體”的中小學(xué)機器人教育框架設(shè)計[J].教育研究與評論（技術(shù)教育），2014（4）.

[2]劉黨生.非生物智能的教育介入與預(yù)測[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2017（7）.

[3]杜娟，臧晶晶.STEAM教育視野下小學(xué)低年級智能機器人教學(xué)模式研究[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2014（5）.

[4]萬川.在創(chuàng)客活動中培養(yǎng)學(xué)生的心智——以《停車場的那道攔車桿》為例[J].中國信息技術(shù)教育，2017（19）.