我供你基礎(chǔ)，你為你創(chuàng)作

黃文忠 林純?nèi)?/p>

本案例基于廣東科學(xué)中心自主研發(fā)的無人駕駛車創(chuàng)意機器人套件，面向初高中學(xué)生而設(shè)計開發(fā)，旨在探討初高中不同階段的學(xué)生同時進行基于邏輯門電路智能控制及arduino控制的機器人有效教學(xué)方法的研究。

龍舟機器人、探月機器人、掃地機器人、智能交通機器人、工業(yè)機器人、倉儲機器人、演奏機器人……這是我校在創(chuàng)意機器人項目中參與過的項目。一年一主題是創(chuàng)意機器人活動的特色之一，也正因為一年一主題，讓我校開展的創(chuàng)意機器人教學(xué)項目有著新鮮的活力。

廣東科學(xué)中心的創(chuàng)意機器人項目是我校一直以來在推廣的STEM科普創(chuàng)新項目。原因在于該項目每屆都有獨特的主題充滿新意和挑戰(zhàn)、使用規(guī)范與可創(chuàng)新的開源的組件進行制作經(jīng)濟實惠又賦予學(xué)生創(chuàng)作的可能、所涉及知識有利于與高中年級理科課程接軌的特點為學(xué)生向人工智能和自動化等方向的進階學(xué)習(xí)提供了一定的基礎(chǔ)。

1 設(shè)計思路

1.1 設(shè)計背景

持續(xù)8年的教育活動，不得不說讓我們沉淀了不少的教學(xué)經(jīng)驗。但今年的教學(xué)過程中，我們遇到了一個新的問題：如何解決不同階段的學(xué)生同時開展創(chuàng)意機器人項目培訓(xùn)。須知道不同階段的學(xué)生知識水平和學(xué)生能力是有這明顯的差異的，一般情況下都只會安排同一階段的學(xué)生進行培訓(xùn)。但在師資人力不足、面向的對象多余化的情況下，必然會遇到這樣的問題。借鑒廣東科學(xué)中心對不同階段的師資培訓(xùn)經(jīng)驗，本年度“無人駕駛車”項目，我們嘗試了對初二、高一階段的時候進行同時的培訓(xùn)，并在實踐當(dāng)中融合STEM教學(xué)理念。

1.2 設(shè)計依據(jù)

1.2.1 分層教學(xué)

分層教學(xué)最早來自于1868年美國教育家哈里斯的“活動分團制”，它是在學(xué)生個體差異之下、適應(yīng)個性化學(xué)習(xí)需求而產(chǎn)生的。教學(xué)中有統(tǒng)一固定的內(nèi)容，但是每個學(xué)生由于自身原有知識基礎(chǔ)、認(rèn)知差異，必定造成他們在對學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解、記憶、思維等存在不同。教師采用不同的教學(xué)深度、廣度，從而使每個學(xué)生都在原有基礎(chǔ)上獲得提高。由于我們的授課對象存在初中、高中明顯的年級差異，在分層中我們強調(diào)“目標(biāo)分層，異步達標(biāo)”。合理的分層教學(xué)，在考慮了平等、遞進、個性與全面相結(jié)合之后，更有利于學(xué)生按照自己的進度去達成自己所能“夠得著”的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

1.2.2 非線性需求性教學(xué)

建構(gòu)主義誕生之后一直強調(diào)搭建知識與真實問題情境的聯(lián)系。因此，非線性教學(xué)強調(diào)了要打破固定的知識框架，讓學(xué)生參與到STEM多變、偶然、真實的項目情境中，去激發(fā)他們解決問題的欲望。這正是創(chuàng)意機器人教學(xué)實踐的理念之一，在具體的教學(xué)內(nèi)容上我們不再簡單停留在靜態(tài)的知識面上，而是在真實、動態(tài)的實踐。在真實具體的情境中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)新的問題不斷產(chǎn)生，有了新的學(xué)習(xí)需求，需要在教師的輔助之下不斷地補充新知識，加速自我建構(gòu)并提升能力。

1.3 活動主題和對象

1.3.1 活動主題

一級主題：有效的實現(xiàn)多階段學(xué)生同時參與機器人教學(xué)方法

二級主題：構(gòu)建有梯度的教學(xué)非線性教學(xué)配套資源

1.3.2 活動對象

根據(jù)學(xué)校的條件，我們向初高中年級發(fā)起了培訓(xùn)班的報名，召集了來自初二年級和高一年級各12人，共組成了6個隊伍開展培訓(xùn)。

初步具有一點的探究精神，會嘗試?yán)斫猬F(xiàn)象的本質(zhì)，有理解原理的意向。性格上比初中生較沉穩(wěn)，步步為營。但相對來說缺乏了創(chuàng)新的意向和冒險精神。

由于學(xué)生階段的明顯差異，在教學(xué)過程中要善于引導(dǎo)他們發(fā)揮優(yōu)勢，縮小短板。對于基礎(chǔ)的、工具型的知識可以同時學(xué)習(xí)，對于擴展性強有明顯知識斷層的內(nèi)容以示范或補充的形式進行個別的教學(xué)（通過非線性的需求性教學(xué)，最終補全學(xué)生完整的知識體系。

1.4 特點和創(chuàng)新性

1.4.1 特點

面對多階段學(xué)生同時參與機器人項目，我們發(fā)現(xiàn)雖然學(xué)院來自于不同的階段，基礎(chǔ)不一，但通過自主報名的方式召集的學(xué)生對活動本身都有著濃厚的興趣，愿意自動嘗試在活動中接受新知識并且目標(biāo)明確。所以在開展這一情況的教學(xué)時要強化學(xué)生動機、目標(biāo)方面的優(yōu)勢。

通過機器人項目的學(xué)生和知識點分析，我們發(fā)現(xiàn)雖然不同階段的學(xué)生的水平以及學(xué)習(xí)基礎(chǔ)能力有較大的差異，但總體知識技能大多數(shù)是初中階段的學(xué)生可以掌握的，而高中和大學(xué)階段的知識也屬于入門程度，可以通過學(xué)生的基礎(chǔ)知識引入簡化教學(xué)難度來達到完成項目的程度。

總體的實踐活動，采取目標(biāo)引領(lǐng)，分層教學(xué)。以初中基礎(chǔ)知識來引入新的知識點，對于提高級別的知識點先普及基礎(chǔ)術(shù)語和概念再根據(jù)需求進行教學(xué)，對于部分無法掌握的可以通過簡化案例以及小組之間的模仿來側(cè)向強化學(xué)習(xí)。

1.4.2 創(chuàng)新性

（1）創(chuàng)設(shè)情境激發(fā)學(xué)生的求知欲，分設(shè)目標(biāo)增強學(xué)生的成就感

①為了確保教學(xué)的有效性，我們首要是引導(dǎo)學(xué)生的良性動機和保持求知欲。而對不同階段不同能力的學(xué)生，我們就要準(zhǔn)確界定他們的個體差異為他們指定符合他們學(xué)習(xí)生長點的目標(biāo)。

在進行本次培訓(xùn)的第一課，引用了大量無人駕駛的視頻前景和現(xiàn)狀的介紹就是為了以前沿新技術(shù)的標(biāo)志來吸引學(xué)生，在通過本次競賽項目與真實的無人駕駛對比，證明該項目對無人駕駛技術(shù)的學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識，通過這個簡短的介紹讓學(xué)生萌生學(xué)習(xí)該知識的強烈意向并樹立起完成學(xué)習(xí)項目整體目標(biāo)。

②對于不同階段的學(xué)生，除了會考慮用大多數(shù)學(xué)生能夠理解的方法解決新知識的傳授以外，更側(cè)重于根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知能力設(shè)定目標(biāo)，最基本的目標(biāo)指向于該項目能最終實現(xiàn)，所以對于能力較薄弱的小組，在搭建過程中，我們會減低學(xué)習(xí)的進度、適當(dāng)目標(biāo)的難度或提供一個固定的方法供學(xué)生參考，但對于能夠理解的學(xué)生，會圍繞自主學(xué)習(xí)、小組合作學(xué)習(xí)的方式讓學(xué)生攻關(guān)每一個目標(biāo)。

本項目要求機器人通過有限數(shù)量的門電路實現(xiàn)巡線、遇障停車、遇紅燈停車、終點停車等任務(wù)同時實現(xiàn)。很明確，同時實現(xiàn)多一個功能，體統(tǒng)難度將指數(shù)倍提升。在學(xué)習(xí)初期，我們務(wù)必保證所有學(xué)生能理解巡線這一最根本的功能。接著，要求高中的學(xué)生要求除了重點停車意外的功能要同時實現(xiàn)，而初中的學(xué)生，我們要求先讓他嘗試巡線與與遇障停車同時實現(xiàn)作為他們的目標(biāo)，再考略高中的要求。對于能完成高中要求的學(xué)生在思考所有功能如何同時實現(xiàn)，此時也遇到了該項目最大的問題之一“門電路不夠用的”。通過分層次分階段地任務(wù)目標(biāo)調(diào)節(jié)了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，保持學(xué)生學(xué)習(xí)的挑戰(zhàn)性與成就感對學(xué)習(xí)的效果是起到重要的貢獻。

初中階段的問題：嘗試實現(xiàn)一個用一個輸入信號控制電機轉(zhuǎn)動與停。

高中階段的問題：嘗試用簡單的控制方法實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)和停。

學(xué)生通過提供的任務(wù)，以及指引性材料，進行小組內(nèi)研學(xué)。最后進行組間輪流展示形式相互印證所掌握知識，實現(xiàn)了教學(xué)的有效性。

3.3 后續(xù)懸念引導(dǎo)法

注重知識見的關(guān)聯(lián)，便于學(xué)生發(fā)現(xiàn)知識的深層價值，提升學(xué)生對學(xué)習(xí)的興趣。在教學(xué)過程中，要側(cè)重知識之間的相互關(guān)聯(lián)，通過教學(xué)策劃編排好教學(xué)內(nèi)容的次序性，能確保教學(xué)的流暢和高效率運行。從前文提供的教學(xué)涉及內(nèi)容分析和教學(xué)材料的編排，都是根據(jù)項目在完成到一定階段會出現(xiàn)的新問題而設(shè)定的，這是符合人認(rèn)知問題的規(guī)律：實踐——認(rèn)識——時間。

這次培訓(xùn)我們合理的利用知識之間的關(guān)系對教學(xué)進行編排，確保每一段活動與前后存在著必然的承上啟下的關(guān)系，激起了學(xué)生對后續(xù)學(xué)習(xí)的迫切需求。這種方法明顯有利于保持學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

譬如，在本次項目中，學(xué)生剛學(xué)會了如何判斷黑白巡線的方法，在場地測試中馬上產(chǎn)生了迫切需要解決虛線巡線的需求。我們給予了學(xué)生一個簡單的提示：“一個紅外傳感器不夠可否多用幾個”。學(xué)生就產(chǎn)生了對下一次內(nèi)容的熱切期待。確實下一次學(xué)習(xí)學(xué)生的精神狀態(tài)非常高昂，響應(yīng)效率高。學(xué)生通過提示預(yù)先的自我嘗試，也讓講解該內(nèi)容的一些難點變得容易理解。

4 實施流程

4.1 準(zhǔn)備階段

4.1.1 梳理項目知識點，進行等級歸類

根據(jù)本屆創(chuàng)意機器人競賽項目需求列舉學(xué)生在競賽中需要掌握的知識、技能及方法。

4.1.2 編排課程進度，準(zhǔn)備好教學(xué)資源

基于上述學(xué)生需要學(xué)習(xí)的內(nèi)容，我們把培訓(xùn)課程定為一周的時間，主題以“無人駕駛”基礎(chǔ)套件的實現(xiàn)為載體，開展上述內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

4.2 教學(xué)階段

按照計劃，我們的教學(xué)是3課時一段，共7段進行教學(xué)。把上述內(nèi)容安排在7段的學(xué)習(xí)中。

5 教育效果

從教學(xué)教過來看，本次持續(xù)7天的培訓(xùn)，6個小組都能夠完成“無人駕駛”的所以設(shè)定項目，并懂得利用LINKBOY編寫一個具有創(chuàng)意功能的應(yīng)用，完成了預(yù)設(shè)的教學(xué)任務(wù)。從學(xué)生學(xué)習(xí)情況分析，初中階段的學(xué)生更喜好結(jié)果性的學(xué)習(xí)，過程性的原理方面的教學(xué)對于他們的水平的認(rèn)知依然有一點的超前，但通過合理的課程編排，學(xué)生能保持學(xué)習(xí)的積極性，最終能理解新知識技能的基礎(chǔ)要求。高中的學(xué)生有較強烈的尋根究底的表現(xiàn)，他們寧愿降低進度也要把新知識認(rèn)識透徹才進行進一步的學(xué)習(xí)，所以在教學(xué)過程中，微課異步學(xué)習(xí)的方法值得提倡（允許學(xué)生利用學(xué)生電腦錄制老師的教學(xué)演示）。從學(xué)生的角度編排教學(xué)順序，強化需求性;分層分階段的學(xué)習(xí)能的方法是有效的。

6 推廣價值

本案例通過在我校的初期實施，教學(xué)效果良好，學(xué)生反饋較佳。且本案例有相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計、課件、程序等資源，內(nèi)容豐富詳實。對學(xué)校、場館的硬件要求不高（套件與機房）、課時設(shè)置較為合理，在推廣上比較容易實現(xiàn)。

（作者單位：廣東省廣州市第四中學(xué)）