初中機(jī)器人問題解決式教學(xué)模式實(shí)踐

薛奇秀

機(jī)器人教育受到了國(guó)內(nèi)外教育界越來(lái)越多的重視，目前全國(guó)已有逾萬(wàn)所學(xué)校開展了機(jī)器人教育，對(duì)于基礎(chǔ)教育領(lǐng)域而言，競(jìng)賽模式或興趣小組模式依然占據(jù)絕對(duì)的主導(dǎo)地位，普及性的機(jī)器人教育亟待發(fā)展。我們嘗試了問題解決式教學(xué)模式，發(fā)現(xiàn)有良好的實(shí)踐效果。下面，我就結(jié)合《機(jī)器人的智能行走》一課來(lái)闡釋問題解決式教學(xué)模式的具體操作過程。

初中機(jī)器人問題解決式教學(xué)模式的教學(xué)流程

圖1即本研究提出的初中機(jī)器人問題解決式教學(xué)模式的教學(xué)流程，該教學(xué)設(shè)計(jì)框架是在相關(guān)理論支撐下設(shè)計(jì)，并經(jīng)過幾輪實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的修改而完成的，它包含了“創(chuàng)設(shè)情境、激趣引入，新課講授、構(gòu)建新知，突破難點(diǎn)、進(jìn)階提升，總結(jié)歸納、提高升華”四個(gè)過程?！皠?chuàng)設(shè)情境、激趣引入”這個(gè)環(huán)節(jié)，通常使用的方法為基于生活情境的引入，如“碰碰車”“智能跟隨行李箱”等;基于問題對(duì)比的引入一般是在同一個(gè)主題內(nèi)容的第二節(jié)課應(yīng)用，多用于引入更深入、更復(fù)雜的問題解決?！靶抡n講授、構(gòu)建新知”和“突破難點(diǎn)、進(jìn)階提升”是兩個(gè)連續(xù)的問題解決的過程，它既可以是一個(gè)大問題的進(jìn)階的不同階段，也可以是兩個(gè)獨(dú)立的但存在前后進(jìn)階關(guān)系的小問題的解決，但無(wú)論是哪種情況，都遵循著問題解決的一般過程：明確問題—分析問題—解決問題—展示點(diǎn)評(píng)。其中，對(duì)于本研究中的機(jī)器人課程而言，分析問題主要是指學(xué)生利用自然語(yǔ)言描述問題解決的過程和思路，解決問題主要是指根據(jù)自然語(yǔ)言描述繪制流程圖并編程調(diào)試?！翱偨Y(jié)歸納、提高升華”主要是一般性方法的歸納、問題解決經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)以及提出更進(jìn)一步的問題。

《機(jī)器人的智能行走》一課的具體實(shí)施

我校在初一年級(jí)開設(shè)普及性的機(jī)器人校本課程已有接近一年的時(shí)間，過程中充分利用學(xué)?，F(xiàn)有的數(shù)字化教學(xué)環(huán)境以及機(jī)器人相關(guān)的硬件設(shè)施，現(xiàn)以《機(jī)器人的智能行走》一課為例進(jìn)行分析說(shuō)明。

1.創(chuàng)設(shè)情境、激趣引入

學(xué)生打開iPad中的電子書《超聲波傳感器（二）》，以小組為單位參照電子書對(duì)上節(jié)課學(xué)習(xí)的內(nèi)容進(jìn)行復(fù)習(xí)，并對(duì)照教師PPT上的問題進(jìn)行回答。

教師播放視頻，對(duì)比分析，引出本課主題《機(jī)器人的智能行走——超聲波傳感器的應(yīng)用》。本環(huán)節(jié)主要分為兩部分，前一部分為復(fù)習(xí)鞏固，主要是前面學(xué)習(xí)過的基本程序結(jié)構(gòu)、流程圖繪制要點(diǎn)以及超聲波傳感器的基礎(chǔ)認(rèn)知。本節(jié)課的重點(diǎn)在于利用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能行走，問題的解決需要經(jīng)歷“明確問題—分析問題—繪制流程圖—編程調(diào)試”的過程，這其中，流程圖的繪制尤為重要，因此課前簡(jiǎn)單的復(fù)習(xí)能快速激活學(xué)生對(duì)舊知的記憶和理解。機(jī)器人校本課程內(nèi)容來(lái)自組內(nèi)教師的自主開發(fā)，因此，學(xué)習(xí)內(nèi)容主要以電子書的形式呈現(xiàn)，這種數(shù)字化的內(nèi)容呈現(xiàn)方式靈活便捷，能最大程度地貼合課程教學(xué)設(shè)計(jì)。后一部分通過上一節(jié)課小車碰到障礙物停和小車能夠?qū)崟r(shí)避障的視頻效果對(duì)比，引出本課的主題內(nèi)容——機(jī)器人的智能行走。這種對(duì)比設(shè)疑的方式，既能激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能點(diǎn)明本課學(xué)習(xí)的主題，明確學(xué)習(xí)重點(diǎn)。

2.新課講授、構(gòu)建新知

本部分是本節(jié)課的第一個(gè)任務(wù)，也是基礎(chǔ)任務(wù)，目的在于：一方面，通過本任務(wù)熟悉前面所學(xué)的順序、分支、循環(huán)結(jié)構(gòu)的使用方法;另一方面，在課堂教學(xué)設(shè)計(jì)上，本環(huán)節(jié)的任務(wù)是上一節(jié)課任務(wù)的進(jìn)階，同時(shí)又是本節(jié)課第二個(gè)任務(wù)的基礎(chǔ)和鋪墊，起到了銜接和過渡的作用，使得整個(gè)過程流暢充實(shí)。任務(wù)一的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)及各環(huán)節(jié)的學(xué)生活動(dòng)、教師活動(dòng)如上頁(yè)表1所示。

3.突破難點(diǎn)、進(jìn)階提升

本部分為任務(wù)二，是本節(jié)課的重難點(diǎn)內(nèi)容，在內(nèi)容方面，智能行李箱更加復(fù)雜的設(shè)計(jì)思路和要求在任務(wù)一的鋪墊下變得更加容易理解。流程圖及編程都需要小組合作完成，需要組內(nèi)各成員積極主動(dòng)參與其中，這樣的學(xué)習(xí)方式能夠最大程度地提高學(xué)生的課堂參與度，發(fā)揮學(xué)生的主體性。本任務(wù)來(lái)源于生活中的真實(shí)案例，能讓學(xué)生在探究過程中體驗(yàn)到成功的喜悅，形成將課堂所學(xué)可以應(yīng)用于日常生活的意識(shí)。任務(wù)二的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)及各環(huán)節(jié)的學(xué)生活動(dòng)、教師活動(dòng)如上頁(yè)表2所示。

4.總結(jié)歸納、提高升華

教師帶領(lǐng)學(xué)生總結(jié)本課內(nèi)容并提煉升華，形成問題解決的具體方法與步驟（如圖2）。

機(jī)器人課程不只是教會(huì)學(xué)生怎么解決一個(gè)具體的問題，也不僅僅是教會(huì)學(xué)生怎么搭建機(jī)器人、操作編程軟件，更重要的是學(xué)生對(duì)于問題解決的一般方法的理解和掌握，因此，本節(jié)課在最后小結(jié)部分，以流程圖的方式總結(jié)了問題解決的一般方法和步驟，相信有了本節(jié)課具體內(nèi)容的鋪墊，學(xué)生對(duì)該方法會(huì)有比較深刻的認(rèn)識(shí)和領(lǐng)悟。

總結(jié)及建議

現(xiàn)階段，雖然機(jī)器人教育已經(jīng)越來(lái)越多地深入中小學(xué)課堂，但大多以競(jìng)賽及社團(tuán)形式開展，而對(duì)于普及性的大班上課的開展形式，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較少。機(jī)器人常規(guī)課程的開設(shè)要綜合考慮課程設(shè)置、內(nèi)容設(shè)計(jì)、軟硬件支持、師資配備等多個(gè)方面，尤其是課程內(nèi)容及形式的設(shè)計(jì)關(guān)系著課程開展是否順利及學(xué)生學(xué)習(xí)是否高效。

綜上所述，我校開展的機(jī)器人校本課程特色體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.內(nèi)容設(shè)計(jì)巧妙，螺旋式進(jìn)階提高

機(jī)器人課程的問題及任務(wù)多來(lái)源于現(xiàn)實(shí)生活，在問題解決過程中，需要學(xué)生有較強(qiáng)的邏輯思維及問題解決能力，先分析問題解決方案，后畫流程圖，最后編程實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于初一年級(jí)學(xué)生來(lái)說(shuō)，邏輯思維能力的培養(yǎng)需要一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，這就要求在課程內(nèi)容設(shè)計(jì)時(shí)做到由淺入深、螺旋式進(jìn)階。例如，在《機(jī)器人的智能行走》一課中，內(nèi)容的設(shè)計(jì)就包含了“遇到障礙物?！獙?shí)時(shí)避障—智能跟隨”三個(gè)階段，遇到障礙物停是上一節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容，在本節(jié)課一開始通過對(duì)該內(nèi)容的回顧，提出“如何變得更加智能？”，進(jìn)而引出本課內(nèi)容，也就是第二階段的進(jìn)階任務(wù)：讓小車實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)避障（即小車遇到障礙物停，障礙物移開小車?yán)^續(xù)前進(jìn)）。在學(xué)生掌握了小車實(shí)時(shí)避障的設(shè)計(jì)方法后，通過智能行李箱的案例引入第三個(gè)階段的任務(wù)：讓小車實(shí)現(xiàn)智能跟隨。三個(gè)環(huán)節(jié)的內(nèi)容以螺旋式進(jìn)階的方式設(shè)計(jì)，環(huán)環(huán)相扣，第一階段任務(wù)易于上手，能夠最大程度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自信心，隨著任務(wù)的進(jìn)階，學(xué)生也感受到了隨之而來(lái)的挑戰(zhàn)，基于先前學(xué)習(xí)的良好表現(xiàn)和自信，絕大多數(shù)學(xué)生都能夠積極主動(dòng)地參與討論及問題解決，更好地發(fā)揮了學(xué)生的主體性。

2.雙師合作很必要，方方面面關(guān)注到

不同于普通的信息課或科技課，機(jī)器人課有如下特點(diǎn)：①學(xué)生參與程度高，自主協(xié)作要求高，例如，自己動(dòng)手搭建機(jī)器人模型、改裝機(jī)器人結(jié)構(gòu)，小組討論分析問題、找到問題解決的方法，繪制流程圖，編程實(shí)現(xiàn);②學(xué)習(xí)內(nèi)容較為開放，問題解決方法多樣，生成性問題較多;③課堂內(nèi)容設(shè)計(jì)及形式多樣，需綜合應(yīng)用軟硬件進(jìn)行演示操作。機(jī)器人課程的特殊性就決定了課程的開展需要雙師的配合，雙師分工有別。例如，教師A在講授流程圖時(shí)，教師B及時(shí)演示與之相對(duì)應(yīng)的程序操作，從而使得學(xué)生能夠很直觀地對(duì)流程圖及程序之間的關(guān)系有深入的理解。在小組自主操作階段，雙師的分工巡視及指導(dǎo)，能夠在有限的時(shí)間內(nèi)最大程度地關(guān)注到每一組學(xué)生的表現(xiàn)，雙師只需簡(jiǎn)單地溝通便可掌握全班學(xué)生操作的進(jìn)度及過程中的問題，適時(shí)進(jìn)行針對(duì)性的講解，恰當(dāng)?shù)卮_定后續(xù)的課堂內(nèi)容，從而大大提高了課堂效率和質(zhì)量。

3.軟硬件支持好，數(shù)字化有妙招

學(xué)生通過iPad實(shí)現(xiàn)電子書的瀏覽閱讀以及樂高編程軟件的編程，穩(wěn)定的系統(tǒng)環(huán)境和極快的響應(yīng)速度給學(xué)生帶來(lái)了良好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。雙屏的演示模式能夠?qū)崿F(xiàn)教學(xué)任務(wù)、流程圖、編程操作演示及學(xué)生任務(wù)實(shí)現(xiàn)演示等的兩兩同時(shí)顯示。例如，對(duì)照任務(wù)分析繪制流程圖（一個(gè)屏幕顯示課件上的任務(wù)要求及分析，另一個(gè)屏幕顯示白紙用于繪制流程圖），針對(duì)流程圖編寫程序（一個(gè)屏幕顯示繪制好的流程圖，另一個(gè)屏幕通過iPad投屏演示編程操作）。iPad實(shí)時(shí)投屏可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生任務(wù)完成情況的展示評(píng)價(jià)。樂高ev3套件作為經(jīng)典的機(jī)器人套件，為學(xué)生提供了多樣化的機(jī)器人實(shí)現(xiàn)方式，尤其是各種傳感器的應(yīng)用，大大擴(kuò)展了機(jī)器人的功能。以上數(shù)字化的硬件設(shè)備支持，豐富了教與學(xué)的體驗(yàn)，提高了學(xué)習(xí)的效率，從而使得教學(xué)過程不再受軟硬件限制，讓師生能夠更加關(guān)注學(xué)習(xí)內(nèi)容本身。

機(jī)器人教育的普及為學(xué)生綜合能力及素質(zhì)的培養(yǎng)和提升提供了新的可能，但處在初級(jí)階段的機(jī)器人普及教育，仍然有很長(zhǎng)一段路要走，課程整體設(shè)計(jì)、軟硬件支持、師資配備等問題是當(dāng)下亟須關(guān)注和解決的問題。