基于機器人輔助學(xué)習(xí)的中學(xué)信息技術(shù)教學(xué)設(shè)計

（1.河北師范大學(xué) 教育學(xué)院，河北 石家莊 050000；2.唐山市海港經(jīng)濟開發(fā)區(qū)第一小學(xué)，河北 唐山 063600）

一、引言

2019年1月，英國開放大學(xué)發(fā)布《2019年創(chuàng)新教學(xué)報告》，探討了世界教學(xué)和評價的其中提出10種教學(xué)法,分別是趣味性學(xué)習(xí)、機器人輔助學(xué)習(xí)、去殖民化學(xué)習(xí)、基于無人機的學(xué)習(xí)、驚奇式學(xué)習(xí)、行動學(xué)習(xí)、虛擬工作室、基于地點的學(xué)習(xí)、思維可視化、同理心之根[1]。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來，隨之應(yīng)運而生的智能機器人作為一種新型信息技術(shù)媒介正在沖擊著工業(yè)、農(nóng)業(yè)、教育等多個行業(yè)。在教育領(lǐng)域，智能機器人教育進入中小學(xué)校已經(jīng)成為可能和必然的趨勢，利用機器人進行輔助學(xué)生學(xué)習(xí)能夠為教育教學(xué)注入新的活力。

二、機器人輔助教學(xué)與機器人輔助學(xué)習(xí)

機器人輔助學(xué)習(xí)與機器人輔助教學(xué)都屬于機器人在教育領(lǐng)域的重要應(yīng)用，雖所屬相同，概念相近，但側(cè)重主體不同，機器人輔助教學(xué)是指師生以機器人為主要教學(xué)媒體和工具所進行的教與學(xué)活動[2]，主要側(cè)重在教學(xué)過程中，機器人如何輔助甚至替代教師，完成某些教學(xué)活動，從而解放教師，深入觀察學(xué)生其他學(xué)習(xí)行為等；而機器人輔助學(xué)習(xí)則強調(diào)機器人輔助“學(xué)”的方面，甚于“教”的方面，強調(diào)以學(xué)習(xí)者為中心，主動幫助學(xué)習(xí)者建立良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，提供優(yōu)化的學(xué)習(xí)策略，與學(xué)習(xí)者開展活動，強調(diào)個別化的學(xué)習(xí)指導(dǎo)與幫助，最終目的是為實現(xiàn)學(xué)生的發(fā)展與成長。

三、基于機器人輔助學(xué)習(xí)的《信息的智能化加工》教學(xué)設(shè)計

本章結(jié)合具體的學(xué)習(xí)內(nèi)容，在前期教學(xué)分析的基礎(chǔ)上，進行了基于機器人輔助學(xué)習(xí)的中學(xué)信息技術(shù)內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計，在進行教學(xué)設(shè)計之前，應(yīng)首先對選取的教學(xué)內(nèi)容進行分析，掌握學(xué)生目前的知識結(jié)構(gòu)，根據(jù)普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)，從學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)層面，確定教學(xué)的具體目標(biāo)、重難點以及對整個教學(xué)活動進行設(shè)計，進行資源的整合與利用。

（一）教學(xué)分析

1.教學(xué)內(nèi)容分析

本節(jié)課內(nèi)容選自教育科學(xué)出版社信息技術(shù)基礎(chǔ)第三章第三節(jié)《信息的智能化加工》的教學(xué)內(nèi)容，是本章內(nèi)容中的重點。信息的智能化加工即人類利用人工智能技術(shù)加工信息，學(xué)生在日常生活中或多或少都接觸過本部分內(nèi)容，基于此，根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)要求，對教學(xué)內(nèi)容進行了調(diào)整、增刪、重組，重點希望學(xué)生能夠了解人工智能的新進展、新應(yīng)用，并能適當(dāng)?shù)剡\用在學(xué)習(xí)和生活中，了解人工智能的發(fā)展歷程，能客觀認(rèn)識智能技術(shù)對社會生活的影響。

2.教學(xué)目標(biāo)分析

教學(xué)目標(biāo)是對學(xué)習(xí)者通過教學(xué)后應(yīng)該表現(xiàn)出來的可見行為的具體的、明確的表述。2017版普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，教學(xué)目標(biāo)的設(shè)計表述應(yīng)體現(xiàn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，針對本次內(nèi)容，教學(xué)目標(biāo)設(shè)計如下：知道人工智能技術(shù)的實質(zhì)；了解當(dāng)前人工智能主要應(yīng)用領(lǐng)域、新進展及新應(yīng)用；在與機器人的接觸過程中，領(lǐng)略人工智能的神奇魅力；在應(yīng)用智能信息處理工具的過程中體驗人工智能這一前沿技術(shù)的實際應(yīng)用價值；辯證認(rèn)識人工智能對人類社會未來發(fā)展的巨大價值和潛在威脅，自覺維護和遵守人工智能社會化應(yīng)用的規(guī)范與法規(guī)[3]。

3.學(xué)習(xí)者特征分析

學(xué)習(xí)者特征分析的目的是了解學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)準(zhǔn)備情況，學(xué)習(xí)能力及其學(xué)習(xí)風(fēng)格，為教學(xué)內(nèi)容的選擇和組織、學(xué)習(xí)目標(biāo)的編寫、教學(xué)活動的設(shè)計、教學(xué)方法與媒體的選擇和運用等提供依據(jù)[4]。本次教學(xué)內(nèi)容面向高一年級學(xué)生，高一年級學(xué)生好奇心強，求知欲旺盛，且作為互聯(lián)網(wǎng)那個時代成長起來的數(shù)字原住民，對智能工具均有所了解，且通過前面階段的信息技術(shù)課程學(xué)習(xí)，已經(jīng)初步掌握了一定的操作技能，具備根據(jù)任務(wù)需求，操作工具軟件來處理信息的能力。但由于時間和知識層面的約束，缺乏知識深度與廣度，對人工智能的知識重視程度及學(xué)科發(fā)展前景認(rèn)識均存在不足，所以還需要教師及時、合理、周詳?shù)匾龑?dǎo)，學(xué)生在自主學(xué)習(xí)方面不夠主動，合作與探究的意識和技能等方面還比較欠缺。因此，在進行本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計時，將依托教材內(nèi)容，將機器人模塊加入教學(xué)設(shè)計，模擬真實的場景，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高對于人工智能的認(rèn)知層面，加深對于人工智能的理解。

4.學(xué)習(xí)環(huán)境分析

學(xué)習(xí)環(huán)境是教與學(xué)活動賴以存在的場所，也是支持教學(xué)活動有效平穩(wěn)進行的不可缺少的要素。本次教學(xué)選擇的學(xué)習(xí)環(huán)境為智慧教室，智慧教室是隨著智慧地球、智慧城市等概念的提出應(yīng)運而生的，作為一種新型的教育教學(xué)環(huán)境，以其智能化、現(xiàn)代化的特點切入整個教學(xué)過程，使教學(xué)簡單、高效、智能。在本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計中，需要網(wǎng)絡(luò)和移動書桌等設(shè)備的支持，所以選擇智慧教室這一學(xué)習(xí)環(huán)境更有利于學(xué)生學(xué)習(xí)的順利進行。

（二）教學(xué)資源設(shè)計

本教學(xué)設(shè)計用到的教學(xué)資源主要有具備視覺、聽說、行走、感知、互動等多種功能的機器人以及多媒體教學(xué)課件。

（三）學(xué)習(xí)活動設(shè)計

根據(jù)前期的教學(xué)分析，基于此教學(xué)內(nèi)容進行了具體的學(xué)習(xí)活動設(shè)計，流程如圖1所示。在此過程中，教學(xué)設(shè)計將利用教學(xué)機器人構(gòu)建七個教學(xué)場景并設(shè)計相應(yīng)的教學(xué)活動，七個教學(xué)場景分別是機器人故事場景、機器人對弈場景、機器人識別場景、機器人對話場景、機器人輔助場景、機器人辯論場景和機器人布置場景，下面對每個教學(xué)流程及每部分場景內(nèi)容進行介紹。

圖1 學(xué)習(xí)活動設(shè)計

1.情景導(dǎo)入

在情景導(dǎo)入這一教學(xué)環(huán)節(jié)中，構(gòu)建了機器人講故事場景，主要內(nèi)容為機器人為學(xué)生講解AlphaGo戰(zhàn)勝圍棋高手的故事。機器人扮演新鮮角色，引出本課題目，其自我介紹語音功能能夠極大地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，引起學(xué)生的關(guān)注，并且使學(xué)生注意力高度集中，能夠快速抓住語音重點，明確本堂課的主題及目標(biāo)。然后，從機器人的角度出發(fā)，講解AlphaGo戰(zhàn)勝圍棋高手的故事，以講解朋友的故事為出發(fā)點，不僅能夠拉進與學(xué)生之間的距離，同時通過故事背后蘊含的思想，揭開學(xué)生心中人工智能的面紗。

2.新知探索

在新知探索這一教學(xué)環(huán)節(jié)中，構(gòu)建了三個機器人場景，分別為機器人對弈場景、機器人識別場景、機器人對話場景，分別對應(yīng)本節(jié)課的三部分主要教學(xué)內(nèi)容。

（1）機器人對弈場景

在此場景中，教師組織機器人與學(xué)生進行五子棋“人機大戰(zhàn)”，機器人按照提前錄入的信息，發(fā)送指令，隨機挑選學(xué)生選或者根據(jù)學(xué)生的自愿情況與學(xué)生進行五子棋對弈（因時間有限，可限制棋盤大小，進行簡易版五子棋比賽），對勝出的學(xué)生進行鼓勵。在此過程中，教師可對機器人的思考等進行淺層講解，充當(dāng)講解員的角色。在比賽結(jié)束后，教師可初步總結(jié)，機器的智能是人類賦予的，機器的智能是通過程序設(shè)計實現(xiàn)的，指出人工智能的本質(zhì)。學(xué)生通過積極與教師、機器人互動，與機器人近距離接觸，能夠真實感受人工智能的魅力所在。這是在以往傳統(tǒng)教學(xué)中，觀看視頻、動畫、與計算機互動等所不能帶來的教學(xué)體驗。

（2）機器人識別場景

在此場景中，旨在讓學(xué)生親身體驗機器翻譯這一典型人工智能技術(shù)的應(yīng)用。教師向?qū)W生介紹接下來的游戲環(huán)節(jié)，與機器人進行猜一猜游戲。上課前將全體學(xué)習(xí)者的信息提前錄入到機器人系統(tǒng)中，機器人隨機挑選學(xué)生，請學(xué)生將指紋放置到機器人的指紋識別部位，機器人可核驗出此名學(xué)生的基本情況、班級、興趣愛好等基本信息，并且通過對話的形式與學(xué)生進行交流。游戲結(jié)束，教師可進行梳理總結(jié)，機器人的此種功能用到了人工智能技術(shù)的應(yīng)用的一個重要方面模式識別，例如：剛剛體驗的指紋識別就是模式識別技術(shù)中的一個重要應(yīng)用，除此之外，舉例說明模式識別技術(shù)中的語音識別、光學(xué)字符識別、手寫識別等應(yīng)用也非常廣泛。學(xué)生通過近距離了解模式識別中的指紋識別，理解指紋識別在個人身份認(rèn)證方面的應(yīng)用就是模式識別技術(shù)的應(yīng)用之一，單純憑借以往教學(xué)設(shè)計舉例，如手機指紋輸入等，學(xué)生可能并不能聯(lián)想到指紋識別的重要意義。通過與機器人的互動，體驗交流，學(xué)生能夠更深層次地思考指紋識別給我們的生活帶來的影響，進而深入思考機器人的工作原理，激發(fā)內(nèi)心的求知欲望。

（3）機器人對話場景

在此場景中，旨在讓學(xué)生親身體驗機器翻譯這一典型人工智能技術(shù)的應(yīng)用。機器人挑選學(xué)生與其進行對話互動，按照學(xué)生指示將某句話翻譯為指定語言。互動結(jié)束，教師總結(jié)此過程體現(xiàn)了機器翻譯這一功能，這是利用計算機把一種自然語言轉(zhuǎn)變成另外一種自然語言的過程，用以完成這一過程的軟件叫做機器翻譯系統(tǒng)，常見的谷歌翻譯、有道翻譯，這些都可以提供免費的在線翻譯服務(wù)，可以請學(xué)生自行體驗。

3.拓展延伸

在拓展延伸這一教學(xué)環(huán)節(jié)中，構(gòu)建了機器人輔助場景。學(xué)習(xí)者分組探討人工智能技術(shù)在生活中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在哪些方面，并舉例說明，討論結(jié)束后，與班內(nèi)同學(xué)交流分享，探討人工智能應(yīng)用個數(shù)最多的小組為優(yōu)勝組。小組合作學(xué)習(xí)是以學(xué)生為中心，以任務(wù)為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)模式，學(xué)生通過與其他小組競爭的方式來增進對人工智能技術(shù)應(yīng)用的理解，將所學(xué)知識與生活實踐緊密聯(lián)系起來。在討論過程中，機器人可代替教師工作巡視各小組完成情況，也可隨時參與到討論當(dāng)中，并起到一定的引導(dǎo)作用。在分享過程中，機器人充當(dāng)裁判的角色，對于各小組提出的答案進行判斷，對獲勝小組進行贊美，對稍弱小組進行激勵；教師充當(dāng)輔導(dǎo)角色，引導(dǎo)學(xué)生充分參與到討論當(dāng)中，深入觀察學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，對學(xué)生學(xué)習(xí)行為進行分析。

4.總結(jié)提升

在拓展延伸這一教學(xué)環(huán)節(jié)中，構(gòu)建了機器人辯論場景。學(xué)習(xí)者根據(jù)自身意愿分為正反方，圍繞“人工智能技術(shù)到底是利大于弊還是弊大于利”這一主題進行辯論，由機器人按照辯論規(guī)則，指導(dǎo)學(xué)生進行有效辯論，同時根據(jù)學(xué)生辯論情況，進行裁決，觀點論證充分的一方獲勝。辯論形式有利于培養(yǎng)學(xué)生的批判思維。在此教學(xué)環(huán)節(jié)中，由機器人充當(dāng)裁判角色，組織學(xué)生進行高效的辯論，教師作為觀察者，觀察學(xué)生課堂行為表現(xiàn)。最后對辯論主題進行總結(jié)升華，引導(dǎo)學(xué)生辯證地看待問題，辯證看待人工智能技術(shù)的利與弊。

5.布置作業(yè)

在布置作業(yè)這一教學(xué)環(huán)節(jié)中，構(gòu)建了機器人布置場景。機器人布置本節(jié)課的課后作業(yè)。寫一篇主題為“我眼中的人工智能”的小短文，來檢驗學(xué)生通過本節(jié)課的體驗式學(xué)習(xí)之后，都有哪些想法與感受。布置作業(yè)環(huán)節(jié)采用開放式的形式，旨在了解學(xué)生通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)后對于人工智能技術(shù)的感想。整個教學(xué)設(shè)計都以學(xué)生為主體，重在體驗式學(xué)習(xí)，機器人充當(dāng)溝通和輔導(dǎo)的角色，發(fā)送指令進行問答互動，教師則起著協(xié)調(diào)的作用，合理引導(dǎo)課堂有序進行，大大增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率。

（四）教學(xué)評價

本次教學(xué)設(shè)計采用過程性評價與總結(jié)性評價相結(jié)合的方法，教師通過課堂觀察學(xué)生行為，動態(tài)掌握學(xué)生在教學(xué)活動過程中的表現(xiàn)，通過評價打分，形成直觀數(shù)據(jù)，見證學(xué)生成長過程，關(guān)注學(xué)生發(fā)展。此外，對學(xué)生完成的最終作業(yè)進行總結(jié)性評價，了解學(xué)生整體學(xué)習(xí)效果。

四、教學(xué)設(shè)計反思

機器人以其智能化的特點加入學(xué)習(xí)過程，學(xué)生可以在跟機器人的對話中對人工智能有著更為貼近更為深刻的理解，這種體驗式的學(xué)習(xí)方式，極大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時通過解放教師，教師作為觀察者，觀察學(xué)生課堂行為表現(xiàn)，為之后的教學(xué)設(shè)計提供依據(jù)。

當(dāng)然，整個教學(xué)設(shè)計同樣存在不足的地方，機器人價格昂貴，要求所有中小學(xué)學(xué)校全部引進機器人顯然是缺乏一定的合理性，但是隨著科技的不斷發(fā)展，機器人走進中小學(xué)課堂將會成為必然趨勢。此外，在使用機器人輔助學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的同時，學(xué)生的注意力很有可能被新鮮事物所吸引，忽略在課堂學(xué)習(xí)中對于真正課本本體知識的掌握，這就需要教師的正確引導(dǎo)。

五、總結(jié)

本研究以教科版高中信息技術(shù)《信息的智能化加工》一課為例，對基于機器人輔助學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計進行了探究，根據(jù)機器人的特點，結(jié)合信息的智能化加工教學(xué)中的存在問題，通過教學(xué)分析，進行教學(xué)設(shè)計，并在仔細(xì)分析教學(xué)設(shè)計的科學(xué)性和合理性的基礎(chǔ)上，對教學(xué)設(shè)計進行了反思。雖然，目前機器人輔助學(xué)習(xí)還在嘗試階段，但是我們相信，隨著科技的不斷發(fā)展，機器人輔助學(xué)習(xí)終將在教育領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。