檸條文化背景下的機(jī)器人課堂仿真教學(xué)策略研究

魏邦軍

隨著人工智能作為一門新興的技術(shù)課程進(jìn)入校園,很多地區(qū)的學(xué)生已經(jīng)接觸到了前沿的知識(shí)和技能。但是部分偏遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)村學(xué)生卻可望而不可即。如何能讓他們也體會(huì)一下先進(jìn)的課程,縮小教育的差距,部分農(nóng)村小學(xué)將“仿真機(jī)器人”單獨(dú)列入了課表,作為課程在四、五、六年級(jí)開設(shè)起來?！皺C(jī)器人”就是靠自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器叫機(jī)器人。既有機(jī)器人的功能,又針對(duì)教學(xué)目的專門設(shè)計(jì)了相關(guān)功能的機(jī)器人叫教學(xué)用機(jī)器人。仿真機(jī)器人也稱為虛擬機(jī)器人,就是用計(jì)算機(jī)中的相關(guān)軟件來模擬真實(shí)機(jī)器人和環(huán)境而進(jìn)行的操作和練習(xí),從而對(duì)學(xué)生進(jìn)行技能訓(xùn)練的一種教學(xué)方法,也是一種將理論與實(shí)踐結(jié)合的新教學(xué)手段,如何更好地開設(shè)這門課程,在很多農(nóng)村小學(xué)是一個(gè)空白。這里我們以榆中縣呂家峴小學(xué)的探索過程為例闡述所獲得的經(jīng)驗(yàn)和做法。

一、 機(jī)器人仿真教學(xué)的價(jià)值所在

機(jī)器人仿真教學(xué)是在缺少資金的情況下利用電腦軟件進(jìn)行模擬機(jī)器人的一種教學(xué)形式,這樣可以讓信息科學(xué)的課程標(biāo)準(zhǔn)能夠在農(nóng)村執(zhí)行下去。讓這些大山中的學(xué)生和城市的學(xué)生一樣可以接觸到機(jī)器人、人工智能等先進(jìn)的東西,從而進(jìn)一步彌補(bǔ)童年時(shí)代的空缺。

機(jī)器人仿真教學(xué)的實(shí)施能進(jìn)一步完善農(nóng)村小學(xué)綜合實(shí)踐課程的教學(xué),更好地實(shí)施國(guó)家的三級(jí)課程體系。在沒有機(jī)器人仿真教學(xué)的時(shí)候,農(nóng)村小學(xué)的綜合實(shí)踐課除了種植養(yǎng)殖和手工制作外,再也沒有一方的天地。機(jī)器人仿真教學(xué)的引入不僅讓農(nóng)村的學(xué)校的課程體系內(nèi)容豐富,而且還有了先進(jìn)科技的味道,也有助于農(nóng)村學(xué)校品牌化、特色化的發(fā)展。

機(jī)器人仿真教學(xué)其本質(zhì)就是編程思維培養(yǎng)。能夠培養(yǎng)學(xué)生對(duì)機(jī)器人的濃厚興趣,從而提升學(xué)生的信息化素養(yǎng),提升他們解決問題的能力。在農(nóng)村小學(xué)的兒童當(dāng)中其實(shí)編程思維還是很少被發(fā)掘和培養(yǎng)的。我們可以通過本課程的教學(xué)讓農(nóng)村學(xué)生的編程思維得以開發(fā),甚至成為發(fā)現(xiàn)農(nóng)村編程方面的特殊人才的有效途徑。

二、 機(jī)器人仿真教學(xué)的策略探究

(一)利用榆中縣呂家峴小學(xué)檸條校園文化課堂理念來武裝仿真機(jī)器人課堂

第一,檸條校園文化課堂理念精髓深刻,值得探索貫穿機(jī)器人仿真教學(xué)自始至終,其中可指導(dǎo)課堂理念形成的重要思想如下:

校訓(xùn):向下扎根 向上攀登

校風(fēng):人人努力 合作共贏

闡釋:

校訓(xùn):檸條正因?yàn)槟茉谄D苦的環(huán)境中生根發(fā)芽,能夠展現(xiàn)生命力的旺盛,與它向下扎根,向上攀登有著密切的聯(lián)系。向下扎根就是腳踏實(shí)地、不斷學(xué)習(xí)、提高自己;向上攀登不僅僅是學(xué)習(xí)文化知識(shí),更重要的是學(xué)會(huì)做人的道理。

校風(fēng):檸條所體現(xiàn)出來的根連根、枝連枝的團(tuán)結(jié)精神,才能抵御風(fēng)寒。全校師生要具有檸條精神,團(tuán)結(jié)一致,不管做什么事情都能有合作精神,團(tuán)隊(duì)意識(shí)。

第二,在校園文化理念的引導(dǎo)下形成了檸條課堂文化的軸心理念,將成為學(xué)校仿真機(jī)器人課堂設(shè)計(jì)和教學(xué)的思想依據(jù)。其具體內(nèi)容為:檸條面對(duì)惡劣的環(huán)境和有限的成長(zhǎng)資源,有一種叢生的理念。在叢生中便于協(xié)作成長(zhǎng),實(shí)現(xiàn)自我成長(zhǎng)的超越和對(duì)外環(huán)境競(jìng)爭(zhēng)的超越,從而實(shí)現(xiàn)自己生命成長(zhǎng)的價(jià)值。這種發(fā)展思路也適合我們的課堂,從而造就了我們檸條課堂的軸心理念:叢生(小組)——協(xié)作(合作)——超越(競(jìng)爭(zhēng))——價(jià)值。其中,叢生是基礎(chǔ),協(xié)作和超越是必要環(huán)節(jié),價(jià)值是導(dǎo)向。價(jià)值是這組軸心理念中的重要內(nèi)在因素,把握好這一理念,才能在其他理念的應(yīng)用中有所收獲。

叢生理念應(yīng)用在教學(xué)課堂上,就是小組教學(xué)。這樣小組就是學(xué)校或班級(jí)實(shí)現(xiàn)教育教學(xué)以及評(píng)價(jià)的機(jī)構(gòu)和功能的基本單位。從學(xué)生層面上講,小組是為了共同的發(fā)展目標(biāo),由學(xué)生組成的、有組織、有文化、有特色的有機(jī)教育教學(xué)實(shí)體,像檸條一樣共同叢生,便于集中大家的力量來解決相對(duì)困難的問題和任務(wù)。同時(shí),小組成員之間也可以相互關(guān)照,實(shí)現(xiàn)多對(duì)一的幫扶工作。我們的檸條娃就是叢生中的一株株檸條,只有在一叢檸條中,得到小集體的關(guān)照,共同協(xié)作。在資源匱乏的條件下,像其他個(gè)頭較大,生長(zhǎng)環(huán)境較好的植物一樣成長(zhǎng)起來。因此我們的課堂必須注重對(duì)檸條娃的栽培工作,其方法也類同于檸條的栽培。

價(jià)值是主體(小組)有意義的行為心理過程。我們的檸條的發(fā)展是有其實(shí)實(shí)在在的價(jià)值的。它不像盆栽花一樣,僅僅為了長(zhǎng)得好看;也不像參天大樹一樣那樣壯觀而顯得高傲。這是因?yàn)樗鼈兩L(zhǎng)在資源匱乏的環(huán)境中,它們的生命所需要的“水分”來之不易。所以,它們生命的每一步都必須有價(jià)值實(shí)現(xiàn),它們活動(dòng)的每一點(diǎn)都要在有限的資源空間中展現(xiàn)價(jià)值。我們的檸條娃在學(xué)校成長(zhǎng)的過程中,由于成長(zhǎng)的環(huán)境和檸條是一樣的。面對(duì)貧困的家庭條件,面對(duì)學(xué)校有限的教育教學(xué)資源,我們?cè)趯W(xué)校的每一節(jié)課,每一個(gè)活動(dòng)都要有追求的價(jià)值。所以我們的檸條課堂要有明確的價(jià)值導(dǎo)向和指標(biāo)。從而教會(huì)檸條娃學(xué)會(huì)追求價(jià)值,學(xué)會(huì)利用有限的資源追求更大的學(xué)習(xí)或成長(zhǎng)的價(jià)值,不要浪費(fèi)我們生命和生活中的有效資源。為了操作方便,我們?cè)跈帡l課堂的管理中采用教學(xué)幣制度,建立檸條幣系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)價(jià)值的定性和定量管理。

協(xié)作(合作)是主體(小組)對(duì)內(nèi)部的可控資源實(shí)現(xiàn)有效整合、共享、利用、加工,使得主體及主體內(nèi)部協(xié)調(diào)發(fā)展,從而追求價(jià)值增量的行為。檸條的成長(zhǎng),正是在叢生的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)合理的枝根分布。有的根從遠(yuǎn)處汲取水分,有的分布在近處。有的枝分布在邊緣阻擋風(fēng)沙和阻擋牲口的嚼食,有的分布在中間接受陽光得到保護(hù)和成長(zhǎng)。我們的檸條娃小組也是一樣的,在小組內(nèi)部要有合理的分工,要有合理的關(guān)照,小組內(nèi)發(fā)揮各成員的有利條件和長(zhǎng)處,為小組謀資源、謀發(fā)展,實(shí)現(xiàn)小組的共同發(fā)展。比如在作業(yè)方面,我們分為三種作業(yè)類型,即目標(biāo)作業(yè)、過程作業(yè)、貢獻(xiàn)作業(yè)。目標(biāo)作業(yè)表現(xiàn)為學(xué)生完成了什么目標(biāo),如學(xué)會(huì)了什么,背會(huì)了什么,獲得了什么技能;過程作業(yè),即學(xué)生完成了什么過程,如讀了一遍書,完成了什么具體任務(wù)等;貢獻(xiàn)作業(yè),即在學(xué)習(xí)過程中為小組做了什么樣的貢獻(xiàn),比如完成了對(duì)某個(gè)成員的幫扶工作,又如完成了對(duì)小組作業(yè)的共同檢查校對(duì)任務(wù)等。

超越(競(jìng)爭(zhēng))是主體(小組)在活動(dòng)過程中與參照標(biāo)準(zhǔn)相比較,從而實(shí)現(xiàn)達(dá)成價(jià)值增量而進(jìn)行的有目的、有組織的行為。這里的參照標(biāo)準(zhǔn)可以是自我,也可以是其他主體,同樣也可以是一個(gè)具體的任務(wù)管卡。生長(zhǎng)在山坡或沙丘上的檸條這兒一叢,那兒一叢。它們并不是所謂的年年歲歲如此,而是在不斷地遙相呼應(yīng),競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展。它們自我與過去比較,也與其他比較,它們總是在給人們展示最強(qiáng)的生命力。所以比賽和超越也是檸條娃教育教學(xué)課堂管理的一種有效形式。在教育教學(xué)管理中,我們要進(jìn)行各小組的比賽。有了競(jìng)爭(zhēng),就給小組注入了活力,從而進(jìn)一步促成了小組自我超越促成和發(fā)展。這種超越機(jī)制不僅有利于實(shí)施教育教學(xué)管理,更為重要的是給檸條娃注入了超越的意識(shí),有利于他們快速地成長(zhǎng),也能使得他們將來能夠更快地融入這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)型的社會(huì)打好基礎(chǔ)。

檸條娃的成長(zhǎng)充滿了感人的故事,我們這里的檸條娃不僅在學(xué)習(xí)過程中展現(xiàn)檸條娃課堂的理念,而且在學(xué)習(xí)中也以檸條相關(guān)游戲?yàn)榍榫斑M(jìn)行活動(dòng),從中獲得游戲的樂趣。他們寄樂于學(xué),爭(zhēng)取檸條幣,組建最美檸條小組,成了他們課余的話題。這樣,形成了一個(gè)大的情景教育的理念,這又是情景教學(xué)法濃濃的一筆色彩。

第三,在檸條課堂理念指引下,我們?cè)O(shè)計(jì)了機(jī)器人仿真課堂

在檸條課堂理念下,我們的機(jī)器人仿真課堂就是幾個(gè)學(xué)生共同合作,利用一臺(tái)計(jì)算機(jī)共同探究仿真機(jī)器人。他們利用小組合作的方式完成相關(guān)編程任務(wù)后,在小組之間實(shí)施比賽,比賽之后再進(jìn)行總結(jié)經(jīng)驗(yàn),然后再向更高的目標(biāo)出發(fā)。

(二)精心設(shè)計(jì)學(xué)教素材,控制有效的學(xué)習(xí)難度

最近發(fā)展區(qū)理論給我們的啟發(fā)是:為確定的目標(biāo)而選取的學(xué)與教的材料與學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平成合理的距離時(shí),讓學(xué)生跳一跳摘到桃子,效果是最好的。為此,農(nóng)村學(xué)校作為一門校本實(shí)踐課程開設(shè)機(jī)器人仿真教學(xué),就要根據(jù)學(xué)校實(shí)際情況制訂課程綱要和選擇學(xué)與教的素材。因此設(shè)計(jì)學(xué)與教的素材是十分必要的,關(guān)乎仿真機(jī)器人課堂教學(xué)的成敗。所以素材的選擇應(yīng)遵循以下原則。

第一,因?yàn)榉抡娼虒W(xué)是一種特殊的軟件教學(xué),所編寫教材中應(yīng)詳細(xì)介紹軟件的操作。比如,圖形化編程界面和仿真運(yùn)行環(huán)境界面的每一步操作都要詳細(xì)地列舉。

第二,素材中選擇簡(jiǎn)單的案例要便于學(xué)生模仿,甚至學(xué)生稍做改變參數(shù)修改就可以形成一個(gè)新的案例。在運(yùn)行和修改的過程中,再改變一下又成了新的作品。這樣便于學(xué)生有成功的體驗(yàn),在這個(gè)過程中自然而然地就學(xué)會(huì)了內(nèi)容。

第三,練習(xí)素材及任務(wù)應(yīng)該從簡(jiǎn),去掉多余的內(nèi)容。比如,在教學(xué)機(jī)器人唱歌環(huán)節(jié)中,僅讓學(xué)生做一個(gè)唱do、re、mi的練習(xí),不要增加其他的練習(xí)內(nèi)容,以便讓本次訓(xùn)練達(dá)到零基礎(chǔ)的要求。進(jìn)一步練習(xí)時(shí),可做成向前走100,唱do、re、mi?；蜃龀上蛴肄D(zhuǎn)唱do、re、mi。這樣使得學(xué)習(xí)的內(nèi)容比較簡(jiǎn)單,從而就會(huì)學(xué)得比較輕松,從而實(shí)現(xiàn)相關(guān)的目標(biāo)。

第四,對(duì)于較難的練習(xí)內(nèi)容應(yīng)選擇填空式的練習(xí)。這里仍然以機(jī)器人唱歌的練習(xí)來說明,比如,在完成一個(gè)向前走唱歌,轉(zhuǎn)向唱歌的程序時(shí),應(yīng)該先下發(fā)程序中的部分內(nèi)容,然后由學(xué)生補(bǔ)充填空,這樣就能夠降低學(xué)生學(xué)習(xí)的難度。

設(shè)計(jì)好了素材我們就成功了一半。一堂課中素材的精選與設(shè)計(jì),不僅關(guān)乎一節(jié)課的時(shí)間控制,學(xué)生練習(xí)的完成情況,還關(guān)乎一節(jié)課目標(biāo)的達(dá)成。

(三)搭建良好三系統(tǒng),創(chuàng)建有效學(xué)與教環(huán)境

仿真機(jī)器人教學(xué),就是利用信息技術(shù)環(huán)境,模擬智能機(jī)器人的課程,其實(shí)質(zhì)就是一個(gè)特定內(nèi)容的信息課。為了能夠有效實(shí)施仿真機(jī)器人的課堂教學(xué)活動(dòng),我們經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn),創(chuàng)造了相關(guān)課堂模型。因?yàn)槠渚唧w的流程分為準(zhǔn)備環(huán)節(jié)、練習(xí)環(huán)節(jié)、評(píng)價(jià)環(huán)節(jié),習(xí)慣上稱之為三系統(tǒng)課堂。

第一,練習(xí)系統(tǒng)?，F(xiàn)代農(nóng)村學(xué)校一般都配有微機(jī)室,并且將教師機(jī)與學(xué)生機(jī)連成局域網(wǎng),在此基礎(chǔ)上安裝上電子教室軟件。這樣就集成了學(xué)生練習(xí)演示,教師演示指導(dǎo)和督促的一個(gè)平臺(tái)。上課時(shí)再下發(fā)給學(xué)生的練習(xí)文件夾,學(xué)生就可以做大量的練習(xí)與實(shí)踐了。這就具備了一個(gè)練習(xí)系統(tǒng),通俗的講就是我們一般意義上的微機(jī)室系統(tǒng),現(xiàn)在的學(xué)校都能夠滿足這個(gè)硬件要求。

第二,準(zhǔn)備系統(tǒng)。教師在教學(xué)之前要充分地做好相關(guān)的準(zhǔn)備,其相關(guān)的軟硬件綜合,我們稱之為準(zhǔn)備系統(tǒng)。準(zhǔn)備系統(tǒng)包括軟件和硬件兩個(gè)方面。軟件方面包括小組建設(shè)和前期的知識(shí)準(zhǔn)備。硬件方法包括機(jī)房系統(tǒng)和投影ppt等。當(dāng)然也可以是教師用于給學(xué)生展示知識(shí)和練習(xí)提示的ppt等。這樣,教師可以展示相關(guān)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生特別出色的作品。讓練習(xí)和評(píng)價(jià)有基礎(chǔ),其效果才能夠充分地體現(xiàn)出來。

第三,評(píng)價(jià)系統(tǒng)。能夠讓學(xué)習(xí)達(dá)到最大的效益,我們構(gòu)建了及時(shí)評(píng)價(jià)學(xué)練的效果的評(píng)價(jià)系統(tǒng)。評(píng)價(jià)系統(tǒng)包括評(píng)價(jià)的制度、評(píng)價(jià)的方式方法、評(píng)價(jià)的策略和評(píng)價(jià)結(jié)果的記錄。這里狹義上的評(píng)價(jià)系統(tǒng)是指記錄評(píng)價(jià)和展示結(jié)果的載體系統(tǒng)。對(duì)于其具體的實(shí)施我們可采用小組課堂計(jì)分表、小組積分軟件、優(yōu)秀作品展覽墻等方式來進(jìn)行。

(四)采用冰糖葫蘆式的環(huán)節(jié)使得課堂生態(tài)化

仿真機(jī)器人的學(xué)習(xí)過程實(shí)質(zhì)就是圖形化編程,對(duì)于學(xué)生來說,是一種陌生的東西。因此,農(nóng)村小學(xué)開展仿真機(jī)器人教學(xué)在知識(shí)接受上存在一定的困難。但是,農(nóng)村學(xué)生對(duì)機(jī)器人這個(gè)新事物充滿著好奇和那股強(qiáng)有力的模仿力。在這種學(xué)情下,讓學(xué)生放小步子一個(gè)獨(dú)立環(huán)節(jié)接著一個(gè)獨(dú)立環(huán)節(jié)的方式進(jìn)行學(xué)習(xí),能夠降低學(xué)習(xí)難度,從而實(shí)現(xiàn)其向前發(fā)展。

首先,作為機(jī)器人仿真教學(xué),編程和模擬實(shí)驗(yàn)都要在電腦環(huán)境下進(jìn)行,每節(jié)課40分鐘都要眼睛和顯示器交互,這樣特別不利于眼睛的健康。所以分成幾個(gè)段,每個(gè)段中都有不同的形式活動(dòng),有利于眼睛等器官的調(diào)節(jié)。其次,學(xué)生的注意力一般在10到20分鐘左右,分段做不同的活動(dòng),可以有效地將注意力集中到每段中,提高學(xué)習(xí)效率。再次,由于仿真編程較難,所以學(xué)生學(xué)習(xí)起來容易忘記教師的講解和演示。采用該種結(jié)構(gòu)縮短了講和練之間的時(shí)間達(dá)到及時(shí)練習(xí)的目的,解決了以往課堂結(jié)構(gòu)中由于講練時(shí)間過于集中而學(xué)生忘記老師講的內(nèi)容。運(yùn)用練習(xí)系統(tǒng)和準(zhǔn)備系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)同步模仿練習(xí)的效果。最后,機(jī)器人解決問題的過程實(shí)質(zhì)就是一種挑戰(zhàn)過程,如果運(yùn)用冰糖葫蘆式的結(jié)構(gòu),顯然給學(xué)生一種關(guān)卡式的感覺,這一節(jié)課就有了闖關(guān)的趣味性。

(五)以賽促學(xué)既對(duì)學(xué)生課堂學(xué)習(xí)進(jìn)行評(píng)價(jià)反饋,也可以豐富校園科技生活內(nèi)容

為了激發(fā)學(xué)生對(duì)仿真機(jī)器人的學(xué)習(xí)興趣,豐富學(xué)生綜合實(shí)踐活動(dòng)內(nèi)容,提高學(xué)生的信息化素養(yǎng),展示綜合實(shí)踐活動(dòng)成果,要定期舉行學(xué)校級(jí)別的仿真機(jī)器人大賽。

大賽可分為興趣組和大眾組進(jìn)行分別比賽和頒獎(jiǎng)。參加仿真機(jī)器人社團(tuán)的學(xué)生必須報(bào)興趣組參賽,不得參加大眾組的比賽,但非社團(tuán)的成員可以報(bào)興趣小組參賽。各個(gè)組別的難度要有所調(diào)整。例如,大眾組比賽任務(wù)可為:走正多邊形(比賽現(xiàn)場(chǎng)從正三邊形到正九邊形中抽取一個(gè)題目),其具體打分標(biāo)準(zhǔn)為:軌跡封閉(2分),邊數(shù)符合要求(2分),角度規(guī)范成多邊形(3分),交卷序號(hào)(計(jì)分方式(31-序號(hào))/10。興趣組比賽內(nèi)容可為:走出房間,其具體打分標(biāo)準(zhǔn)為:是否有碰撞檢測(cè)和循環(huán)過程(2分),出發(fā)點(diǎn)是否到位(2分),走出時(shí)間(20-時(shí)間分鐘)/5。

我們可以把比賽活動(dòng)作為教學(xué)活動(dòng)的一個(gè)整體來進(jìn)行,也可以作為學(xué)?？萍脊?jié)的一部分來執(zhí)行。這樣,不僅展示了教學(xué)的成果,給學(xué)生一段時(shí)間學(xué)習(xí)結(jié)果的反饋,還可以給在校的學(xué)生提供一次科技的盛宴,讓農(nóng)村學(xué)生的童年和城市學(xué)生的童年一樣高大上而精彩。

三、 機(jī)器人仿真教學(xué)的反思

畢竟仿真機(jī)器人不如實(shí)物機(jī)器人那么用起來有真實(shí)感,所以我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)施的過程中一定要注意創(chuàng)設(shè)情境的重要性。長(zhǎng)期使用電腦對(duì)學(xué)生的視力也有一定的傷害,所以在教學(xué)過程中要注意勞逸結(jié)合。農(nóng)村仿真機(jī)器人教學(xué)剛剛起步,尚屬星火之舉,今后的道路艱難,要盡最大的努力,尋求更多的參與者和愛好者,為農(nóng)村學(xué)校機(jī)器人仿真教學(xué)的探索盡綿薄之力。

隨著近年大量仿真機(jī)器人軟件的大量開發(fā),如騰訊扣叮虛擬機(jī)器人、鯨魚虛擬機(jī)器人的出現(xiàn),仿真機(jī)器人的步伐越來越大,為今后的農(nóng)村仿真機(jī)器人教學(xué)開拓更為廣闊的天地。