基于FLL項目的機器人校本選修課的課程實踐

章初

摘 要：隨著教育部新課程標準（2017年版）的頒布，高中通用技術課程被賦予新的時代要求，機器人選修課也在高中教學中得到了不斷的推廣和實施。將樂高機器人FLL項目引入高中通用技術校本選修課課程，能夠從技術意識、工程思維、創新設計、物化能力等方面培養和構建高中學生的通用技術學科核心素養。本文通過具體案例闡述了基于STEAM的以FLL項目為載體的機器人校本選修的課程開發與實踐。

關鍵詞：FLL；機器人；通用技術；校本選修；STEAM

引言

2017年7月20日國務院印發了《新一代人工智能發展規劃》，明確指出了我國新一代人工智能到2030年發展戰略目標。規劃中指出：“廣泛開展人工智能科普活動，實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程。”[ 1 ]。我們這個時代最重要的通用技術就是人工智能，而機器人又是人工智能的重要組成部分。通用技術機器人選修課程如果能夠認真把握，將對高中生的一生都產生重大影響。對于學校開展機器人校本選修課程，FLL項目是一個不錯的選擇。

1 什么是FLL

FLL是“FIRST LEGO League”的簡稱，它是美國FIRST機構與樂高集團聯合組織的一個針對9-16歲孩子的國際比賽項目，每年FIRST LEGO League向全球公布年度挑戰項目，孩子們使用樂高產品用科學的方式去調查研究并且自己動手設計機器人完成項目挑戰。FLL作為一項全球性大賽已有將近20年的歷史，在我國這項活動也開展的如火如荼。但筆者認為FLL不應僅僅停留于比賽，它可以作為高中通用技術機器人選修課程的載體，讓它實現更大的價值。

2 基于FLL的機器人校本選修課的可行性

2.1 基于FLL項目的機器人選修課程實現了與通用技術必修課內容的對接

FLL作為一項國際性的機器人賽事，每年9月份， FIRST LEGO League會向全球參賽隊伍公布年度挑戰項目。參與者必須使用樂高組件、主機、伺服電機以及傳感器自行設計機器人以完成項目規定的各項任務。選修課程中可以靈活選擇場地圖紙中的某個或者多個任務展開機器人設計活動，充分結合必修一《技術與設計一》中學習到的“設計的一般過程”的知識來對機器人進行整體設計，也可以結合必修二《技術與設計二》中的“結構、流程、系統、控制的設計”進行教學。如：流程的設計的實踐活動載體選擇在教學中是一個難點，但在FLL活動中我們可以輕松地通過改變機器人完成任務的順序來實踐任務流程的優化。由此可見該項目選修課的開設是通用技術必修課程的有效補充，對必修知識的鞏固起到重大作用。

2.2 基于FLL項目的課程可充分利用樂高設備的高效性提高課堂效率

眾所周知樂高設備作為教學載體的優勢明顯。首先在機器人設計制作過程中不必使用其他加工工具，安全可靠，學生可以用百分百精力投入項目設計。其次，快速的拆裝可以讓學生在很短的課堂時間內從設計到測試再到改進，學生可以很快看到自己的設計成果，讓自己的設想得到反饋，有利于他們信心的樹立。再次，在編程方面LEGO MINDSTORMS圖形化的編程軟件，學生短時間就可輕松上手，讓他們快速進入程序設計狀態。另外樂高的耐用是公認的，對于開設課程來說，這一點是非常關鍵的，減輕了授課老師很多負擔。

2.3 FLL項目的機器人選修課程體現通用技術的核心素養

機器人的設計通常經歷建構、編程、控制調試三個階段，在FLL項目中為了完成其中任何一個規定的任務，設計者都必須先分析任務，再繪制設計圖紙、制作合適的機械結構，這個過程不但培養了學生的創新設計能力、圖樣表達能力，也提高了他們的物化能力。機械結構設計完畢，學生又通過系統分析、比較權衡選擇最優的設計方案，這可以讓他們認識到系統與工程的多樣性和復雜性，從而建立他們的工程思維。FLL項目的設計過程其實就是一個系統的工程，有效地增強了學生的技術意識。

3 FLL機器人校本選修課與基于項目的STEAM學習

基于項目的教學最早可以追溯到20世紀早期杜威的“建構主義學習論”，它更加強調學習的主觀性和情景性，提倡以學生為中心的學習。高中學生的心理特點決定他們更喜歡獨立學習，他們的這種特點使他們能更積極地投入到問題的解決方案中。而作為教師則應順應高中生的這種特點，以協助者和指導者的身份在學生需要幫助時發揮作用。機器人教育通過基于FLL機器人設計項目的STEAM學習，可充分將科學、技術、工程、數學以及藝術融合于一個完整的探究式學習過程。在接受項目任務之后，學生在興趣的驅動下自主地完成機器人的設計，通過各個學科的知識整合，有效地提升了學生解決問題的能力，提升學生的STEAM素養。

圖1所示是FLL2017—2018賽季的一個場地任務，設計一個機器人將左邊樂高積木模擬的窨井蓋翻轉180度后如右圖樣子。為了完成這樣一個看似簡單的動作，對于高中生來說是要做很多功課的：如何利用傳感器讓機器人精準地接近井蓋，如何利用數學上的算法讓機器人尋線的效率更高，如何設計翻轉的機械裝置，如何保證動作的成功率……這整個過程其實就是一個跨學科知識的綜合運用、自主建構的學習過程。

法國教育家盧梭說過：“最好的教育就是無所作為的教育：學生看不到教育的發生，卻實實在在地影響著他們的心靈，幫助他們發揮了潛能，這才是天底下最好的教育。”[ 2 ]。基于FLL項目STEAM教學為學生提供了更多探索他們自己興趣的機會，也是培養學生個性發展和潛能開發的有效工具。

4 基于FLL機器人校本課程的實施

FLL作為一項機器人活動項目，在大多數學校都是以興趣小組或學科競賽的方式存在的，如何將它開發成校本課程引入通用技術選修課？FLL項目選修課不僅僅要具備機器人教學的特點，培養學生的動手能力和創新意識，更重要的是要讓他們在實踐中建立系統的觀點和意識，促進學生綜合素質的提高。因此，課程的設計必須針對高中生的特點，以生活經驗作為基礎，本著提高分析問題、解決問題的能力，從FLL活動中挖掘切合學生實際的內容進行教學。

4.1 教學準備

4.1.1 FLL 機器人比賽場地

每年9月，FLL年度挑戰內容全球同步公布后，教師應首先熟悉挑戰內容，對整體項目做合理的取舍，制定適合選修課使用的課程內容，因為FLL的年度挑戰通常由15個左右的單獨任務組成，內容過于繁瑣復雜，并不適合整體照搬至選修課。通過教師有選擇性的重新組合，讓學生以教師引導和自主學習相結合，盡享機器人搭建、編程、調試和人工智能帶來的喜悅。這不僅有利于學生興趣的培養，同時也符合學生循序漸進的認知規律。

4.1.2 樂高軟硬件設備

目前，樂高機器人流行的是第三代LEGO主控器—EV3，它具有四個輸入端口和四個輸出端口，支持USB2.0，藍牙和Wi-Fi與電腦通訊。同時，還必需配置足量的大型、中型伺服電機、各種傳感器、樂高結構組件以便進行各種的設計。在軟件方面鑒于高中生對于計算機語言的掌握情況，建議使用上手容易的LEGO MINDSTORMS圖形化的編程軟件。另外最好配備筆記本電腦，可以通過藍牙連接機器人直接下載程序調試，從而提高學習效率。

4.1.3 學生人數與課時安排

作為校本選修課建議安排在高一學期，開設36學時，兩周一次課，每次兩節連上。學生不宜過多，一班以15至20人為宜，3-4人一組。根據學校設備數量決定開設班級數，機器人設計不是一節或者幾節課可以完成的，必須保證每個小組對各組機器人設備的獨占，直至課程結束。

4.2 課程內容設置

鑒于FLL項目的選修課本身作為項目學習，學生在探究中應該具有更多的獨立性。同時，還應鼓勵學生小組之間的積極溝通和合作。因此在課程設置中如何能更好地體現學生的主體地位，讓學生通過實踐建構知識，就成為這項校本選修課成功與否的關鍵。在課程實踐中筆者將本課程分為四個階段：

第一階段（8課時）

機器人的基本知識學習，包括：樂高EV3機器人的認識，樂高組件及傳感器的使用，簡單機械知識的掌握，編程環境的熟悉。學生通過幾個實例的搭建對樂高機器人有一個整體的認識。

第二階段（10課時）

針對FLL場地中的單個任務設計機器人，完成單個任務。在這個階段學生小組經歷了對機器人硬件及軟件的設計，為第三階段打下良好基礎。在設計中學生可以運用通用技術必修課上學到的知識嘗試設計的一般過程，從構思到一個機器人的完成，每個人都有自己個性化的想法，呈現出多個方案。最終經過篩選選出最優方案作為小組方案進行制作。

第三階段（14課時）

教師根據實際情況，選取場地圖紙中若干個任務，并制定比賽規則讓學生重新對機器人進行設計。在這個階段各個小組所要重點考慮的是系統的設計、流程的設計，如何讓機器人在最短的時間內完成更多的任務，得到更多的分數。

第四階段（4課時）

成果展示，根據教師制定的比賽規則，進行比賽，成績作為教學評價的評分組成部分。

4.3 恰當的運用教學方法

教學方法的運用直接關系到學生的學習效果。工程思維是以系統分析和比較權衡為核心的一種籌劃性思維[ 3 ]。工程思維的培養應該作為機器人選修課的首要教學目標。學生通過選修課的學習，要學會如何運用系統分析的方法，針對機器人技術領域的問題進行要素分析、方案構思及比較權衡，以及最后能夠進行簡單的決策分析和性能評估。因此，在教學過程中應該以學生為主體，采取自評與互評相結合，自主探究、合作交流的基于建構主義理論的學習方法，學生在學習中應以小組為單位針對機器人的機械設計、程序設計、策略與創新等方面做好項目設計的工程筆記。而教師的教法也應以任務驅動法為主，設計一系列教學測試模式，鼓勵學生分組進行團隊競賽，調動學生學習和創作的積極性，為學生創造能夠充分施展能力的空間。

4.4 教學評價方式

課程的教學評價方式采取過程性與終結性評價相結合，主要包括以下三個方面。

4.4.1對工程筆記的評價

所謂的工程筆記是學生在機器人設計過程中對軟硬件設計的成功、失敗及經驗總結的記錄。工程筆記記錄的過程就是學生自主學習以及核心素養物化能力的培養過程，工程筆記將作為學生參加課程學習的過程性評價的重要依據。

4.4.2 對于項目研究（包括論文）評價

每年的FLL都是基于一個富有意義的主題，以主題作為載體開展機器人設計活動。如2016-2017的主題為動物之友、2017-2018的主題為飲水思源。課題的研究以及論文的撰寫對于通用技術核心素養中學生技術意識與創新設計的培養極具意義。對課題研究及撰寫論文的評價，可作為終結性評價中的重要指標。

4.1.3 測試

讓學生展示自己設計作為課程的結束。根據FLL競賽規則，舉行一場比賽，將比賽成績作為終結性評價中的另一項指標。

5 結束語

機器人是當今發展迅速、應用廣泛且技術高度綜合的現代技術產品[ 3 ]。基于FLL項目的機器人校本選修課充分激發了學生主動學習的欲望。它不僅培養了學生發現問題、解決問題的能力，而且在技術意識、工程思維、創新設計、物化能力等核心素養的培養方面也具有重大的意義。目前，人工智能技術滲透教育領域的發展趨勢迅猛，機器人教育正面臨快速發展的大好機遇。基于FLL項目的機器人設計作為人工智能教育領域的一份子在高中通用技術校本選修課中必然能夠發揮其巨大的作用。

參考文獻：

[1]包桂霞.“人工智能”啟蒙教育離課堂有多遠[J].中國信息技術教育，2017（22） ：70.

[2] 湯勇.好的教育就是適合孩子的教育[J].未來教育家，2014（11）：1-3 .

[3] 中華人民共和國教育部.普通高中技術課程標準（實驗）[S].北京：人民教育出版社，2017.