面向未來學(xué)校的初中信息技術(shù)“高度感知”實踐探索

劉振林

《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確指出，“人工智能成為國際競爭的新焦點，應(yīng)逐步開展全民智能教育項目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育”。機(jī)器人課程包含控制器、傳感器、機(jī)器人設(shè)計及程序編寫等知識，是涉及學(xué)科門類最為廣泛的知識載體。它是一門理論和實踐緊密結(jié)合的課程，強(qiáng)調(diào)知識的構(gòu)建性和系統(tǒng)性，機(jī)器人教育是培養(yǎng)提升學(xué)生創(chuàng)新思維和綜合實踐能力的有效途徑。因此，機(jī)器人教育逐步成中小學(xué)開設(shè)人工智能和綜合實踐類課程的首選。

● 總體設(shè)計

混合式教學(xué)是指將面對面課堂教學(xué)和基于數(shù)字化或網(wǎng)絡(luò)化的線上學(xué)習(xí)結(jié)合起來，二者優(yōu)勢互補(bǔ)，從而達(dá)到教學(xué)效率的提升?；诰W(wǎng)絡(luò)技術(shù)的虛擬機(jī)器人課程教學(xué)，能有效整合數(shù)字化教學(xué)資源，非常適合混合式教學(xué)模式。

1.課程目標(biāo)及內(nèi)容

為充分發(fā)揮機(jī)器人的教學(xué)育人價值，課程目標(biāo)從三個維度進(jìn)行厘定：①掌握機(jī)器人基礎(chǔ)知識和原理，這里的掌握有三層含義，即正確記憶、正確理解和靈活應(yīng)用;②在解決場景任務(wù)過程中，逐步養(yǎng)成良好的自主學(xué)習(xí)習(xí)慣和運用信息技術(shù)解決綜合性問題的能力;③增強(qiáng)學(xué)習(xí)機(jī)器人的興趣和探究問題的熱情，體會戰(zhàn)勝困難的成就感，樹立正確的科學(xué)技術(shù)觀和較強(qiáng)的信息技術(shù)創(chuàng)新意識。

《創(chuàng)新課程·虛擬機(jī)器人入門與實踐》的材料包含10個章節(jié)、20個任務(wù)場景（如圖1），內(nèi)容由易到難，有理論內(nèi)容，也有實踐練習(xí)。

2.混合式教學(xué)的構(gòu)建

（1）教學(xué)環(huán)境設(shè)計

構(gòu)建基于IRobotQ網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人教學(xué)軟件平臺，部署“高度感知”虛擬的物理任務(wù)場景，采用CS部署方式，為“高度感知”線上線下教學(xué)提供環(huán)境支撐。

（2）教學(xué)前端準(zhǔn)備

前端準(zhǔn)備是對學(xué)生的學(xué)情進(jìn)行分析，包括學(xué)習(xí)機(jī)器人的態(tài)度、學(xué)習(xí)習(xí)慣和已有知識儲備等。以虛擬機(jī)器人課程第五章“高度感知”場景任務(wù)為例，學(xué)生學(xué)習(xí)了“新手入門”“循跡踢球”和“方向”等場景任務(wù)，已經(jīng)熟悉了平臺的操作使用，熟悉控制器、驅(qū)動電機(jī)和常用傳感器、設(shè)備的連接和控制，能夠搭建具備一定功能的機(jī)器人和設(shè)計控制程序。學(xué)生對基于虛擬物理場景的機(jī)器人課程有著濃厚的興趣，有一定的分析、解決場景任務(wù)的經(jīng)驗積累，同時也存在不足的地方，如從人工智能的角度進(jìn)行系統(tǒng)性思維的能力偏弱等。

（3）活動及資源設(shè)計

活動設(shè)計：案例“高度感知”場景任務(wù)是使用海拔高度計設(shè)計機(jī)器人從兩層高的天橋（起點）出發(fā)，經(jīng)過天橋的臺階走到地面終點，即為完成任務(wù)，任務(wù)場景如圖2所示。要求使用機(jī)器人部件的數(shù)量不得超過100個，得分規(guī)則是機(jī)器人完成任務(wù)用時越短分?jǐn)?shù)越高，得分高者方案優(yōu)。

資源設(shè)計：利用多媒體技術(shù)制作微課，如海拔高度計應(yīng)用、距離傳感器應(yīng)用、程序編寫技巧、合理規(guī)劃路線等視頻資源。創(chuàng)建QQ學(xué)習(xí)交流群，為共享“海拔高度計使用說明和高度感知”學(xué)習(xí)資料、交流討論及學(xué)習(xí)打卡提供便利。

案例設(shè)計 ? ? ? ?“高度感知”教學(xué)設(shè)計

1.教學(xué)目標(biāo)

知識與技能目標(biāo)：掌握海拔高度計的功能原理和使用方法;學(xué)會使用while條件循環(huán)語句。

過程與方法目標(biāo)：在任務(wù)子問題引領(lǐng)下，提升任務(wù)流程分析、分解能力;在高度感知任務(wù)探索中，掌握利用程序思維方式處理問題的流程方法。

情感態(tài)度與價值觀目標(biāo)：設(shè)計機(jī)器人完成任務(wù)，激發(fā)學(xué)習(xí)機(jī)器人的興趣;通過搭建機(jī)器人及設(shè)計程序，體會編程的思維方式和戰(zhàn)勝困難的成就感。

2.教學(xué)重難點

重點：利用while條件循環(huán)語句，控制機(jī)器人行走線路。

難點：海拔高度計和距離傳感器的綜合設(shè)計運用。

3.教學(xué)流程（如圖3）

4.教學(xué)過程

（1）課前：組織學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)

①環(huán)節(jié)1：設(shè)計任務(wù)，準(zhǔn)備資源，發(fā)布自學(xué)任務(wù)。

結(jié)合“高度感知”任務(wù)場景，設(shè)計任務(wù)描述及任務(wù)要求，準(zhǔn)備視頻學(xué)習(xí)資源、課程材料、平臺配套的海拔高度計使用說明文檔等資源包;通過QQ學(xué)習(xí)交流群，發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，共享學(xué)習(xí)資源包;學(xué)生明確任務(wù)要求，設(shè)計任務(wù)方案，搭建下樓機(jī)器人，編寫控制程序并測試效果。

設(shè)計意圖：明確任務(wù)目標(biāo)，使用好學(xué)習(xí)資源是學(xué)生有效自主學(xué)習(xí)的首要前提。教師充分考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)特點，設(shè)計資源做到精而不泛。策略是將系統(tǒng)性不強(qiáng)的知識內(nèi)容（如案例中的海拔高度計原理及應(yīng)用）濃縮為精簡文案或短視頻，其視頻長度控制在3～5分鐘，綜合性思路方案視頻講解長度控制在10分鐘為宜。

②環(huán)節(jié)2：圍繞子問題深入討論，分解任務(wù)。

在學(xué)習(xí)交流群內(nèi)，教師依次發(fā)布子問題：“機(jī)器人從起點到終點需要完成哪些動作？”“怎樣讓機(jī)器人知道什么時候走完第一段階梯？”“在算法分析中，利用while條件循環(huán)指令判斷是否結(jié)束了第一段階梯？”“任務(wù)中設(shè)計機(jī)器人需要使用哪些零部件？”“海拔高度計有哪些功能屬性及常應(yīng)用于哪類場景？”引導(dǎo)或邀請學(xué)生參與討論，并在學(xué)習(xí)群內(nèi)提出自己的疑問或分享學(xué)習(xí)體會。

設(shè)計意圖：學(xué)生在子問題的引導(dǎo)下利用已有知識和經(jīng)驗，采用知識遷移等學(xué)習(xí)技巧研究新內(nèi)容，逐步設(shè)計機(jī)器人下樓梯方案。在線上互動過程中，教師及時回復(fù)學(xué)生提出的疑問，對學(xué)生分享及時給予表揚，引導(dǎo)其他學(xué)生參與互動討論。期望通過線上學(xué)習(xí)、討論，學(xué)生能形成如圖4所示的較為明確的任務(wù)分析框架。

③環(huán)節(jié)3：積極引導(dǎo)，打卡線上任務(wù)。

完成機(jī)器人設(shè)計并測試其任務(wù)完成度，填寫設(shè)計方案表，記錄困惑與收獲并提交，完成自學(xué)打卡。

設(shè)計意圖：教師將學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體，指導(dǎo)學(xué)生完成線上任務(wù)后在學(xué)習(xí)群內(nèi)打卡，教師通過分析學(xué)生提交的方案提煉疑難點，實現(xiàn)與線下課堂教學(xué)的有機(jī)融合。[1]

（2）課中：解疑答惑、成果展示

①環(huán)節(jié)1：解疑答惑、優(yōu)化機(jī)器人設(shè)計。

圍繞學(xué)生在自主學(xué)習(xí)過程中遇到的問題、課內(nèi)重難點部分及課堂中生成性問題，師生進(jìn)行深入拓展討論。

設(shè)計意圖：課堂教學(xué)重點放在指導(dǎo)學(xué)生深挖知識背后的內(nèi)在關(guān)系，幫助學(xué)生掌握重點、突破難點。使學(xué)生內(nèi)化所學(xué)知識，指導(dǎo)學(xué)生優(yōu)化設(shè)計方案。

②環(huán)節(jié)2：學(xué)生交流展示。

學(xué)生演示自己編寫的程序，分享編程經(jīng)驗。在學(xué)生方案成果交流展示等過程中，教師結(jié)合重難點，有效地進(jìn)行引導(dǎo)和點評，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生內(nèi)化知識，優(yōu)化設(shè)計方案。

設(shè)計意圖：優(yōu)化調(diào)試是設(shè)計機(jī)器人、程序編寫的一個重要環(huán)節(jié)，讓學(xué)生不斷調(diào)試、完善設(shè)計方案，使其體驗機(jī)器人編程特有的樂趣。

③環(huán)節(jié)3：任務(wù)總結(jié)。

引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)鞏固“高度感知”任務(wù)解決流程：發(fā)現(xiàn)問題、分析問題;通過分析，設(shè)計任務(wù)解決方案;具體實施，驗證能否解決問題;完善方案，解決任務(wù)。

學(xué)生回顧總結(jié)：每個步驟做了什么，涉及哪些知識點。

設(shè)計意圖：梳理任務(wù)解決流程，鞏固機(jī)器人知識原理，其中包括海拔高度計、編程語言、控制系統(tǒng)設(shè)計等知識，設(shè)計方案完成機(jī)器人下樓梯任務(wù)，實現(xiàn)低層次認(rèn)知理解到高層次的辨別、討論、設(shè)計創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，達(dá)到提升教學(xué)質(zhì)量及人才培養(yǎng)的目的。[2]

（3）課后

學(xué)生根據(jù)教師重難點講解及部分同學(xué)的展示，優(yōu)化個人的設(shè)計方案并測試性能，再次提交設(shè)計方案。

5.任務(wù)評價

課程評價采用過程性評價與交流展示評價相結(jié)合的綜合性評價方式。其中，過程性評價占50%，學(xué)生需要線上自學(xué)完成后打卡并提交設(shè)計方案;展示交流部分，師生給出的評價（含學(xué)生自評）占50%。任務(wù)評價本著對學(xué)生學(xué)習(xí)行為的激勵和導(dǎo)向功能，應(yīng)盡可能全面地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，讓學(xué)生由“學(xué)會”到“會學(xué)”再到“創(chuàng)意”。

● 小結(jié)

教學(xué)實踐表明，初中機(jī)器人課程采用線上線下混合的教學(xué)模式，借助IRobotQ網(wǎng)絡(luò)虛擬機(jī)器人教學(xué)平臺，面向多數(shù)學(xué)生開展機(jī)器人教學(xué)符合學(xué)校需求，是一種有效的教學(xué)組織方式。自課程開展以來，學(xué)生的機(jī)器人知識、綜合創(chuàng)新實踐能力都有不同層次的提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉娟娟，周雪涵，徐舜平，等.鄉(xiāng)村中學(xué)翻轉(zhuǎn)課堂實施需要考慮的幾個方面[J].教育研究與評論（中學(xué)教育教學(xué)），2017（10）：95.

[2]劉巖，于洋，劉睿，等.基于虛擬仿真平臺的線上線下混合式教學(xué)改革研究[J].教育教學(xué)論壇，2020（36）：385-386.