智械動(dòng)景：構(gòu)建機(jī)械與程序融合的生命體

王曉珍

摘要：創(chuàng)客教育理念下，以智能機(jī)器人為載體、以培育計(jì)算思維為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)已悄然而至。當(dāng)靈動(dòng)而具象的機(jī)械結(jié)構(gòu)被賦予程序的靈魂，學(xué)習(xí)也將呈現(xiàn)一番動(dòng)感而富有生命力的美景。本文在創(chuàng)客教育主題下，結(jié)合機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從啟蒙、嘗試、實(shí)現(xiàn)、創(chuàng)造四方面規(guī)劃出一條機(jī)器人教學(xué)的通用路徑，并探究不同階段教學(xué)策略的有效運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；機(jī)器人；機(jī)械；程序；教學(xué)策略

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2018）21-0009-04

當(dāng)人工智能時(shí)代的鐘聲敲響，當(dāng)創(chuàng)客的風(fēng)帆已經(jīng)高高揚(yáng)起，當(dāng)STEAM教育的浪潮已經(jīng)涌向岸邊，我們可以清晰地感受到未來(lái)的教育將發(fā)生巨大的改變。在人工智能新時(shí)代，中小學(xué)信息技術(shù)教育肩負(fù)著讓孩子觸摸人工智能，培育其計(jì)算思維的使命。以機(jī)器人為載體的教學(xué)活動(dòng)已然成為教育迭代的產(chǎn)物，它既可以通過(guò)機(jī)械的精巧搭建觸摸思維，又可以通過(guò)程序的精密設(shè)計(jì)活躍思維。

然而，一個(gè)嶄新的時(shí)代留給教育的更多的是機(jī)遇與挑戰(zhàn)。縱觀當(dāng)前機(jī)器人教學(xué)的現(xiàn)狀，要完成新時(shí)代所賦予的使命我們是“心有余而力不足”。機(jī)器人價(jià)格的制約、理論研究的缺乏、競(jìng)賽趨勢(shì)的導(dǎo)向等都阻礙了機(jī)器人教學(xué)的普及。其實(shí)，機(jī)器人教學(xué)光有硬件設(shè)備是不夠的，還需要有配套的課程；光有課程也是不夠的，還需要有適切的教學(xué)策略。只有這樣，機(jī)器人教學(xué)才能勾勒出一條有效的路徑，以通往新時(shí)代所期待的唯美境地。

啟蒙，始于觸摸機(jī)器而迸發(fā)的滿腔熱情

古人云：?jiǎn)⑵涿啥淙ぁC(jī)器人教育的啟蒙也要從學(xué)生的興趣出發(fā)，形成樂(lè)學(xué)、好學(xué)、自學(xué)的態(tài)勢(shì)。機(jī)器人盡管以其多變的造型、智能的技藝受孩子們青睞，但卻難以經(jīng)受多重的考驗(yàn)。因此，興趣不是天生的，也不是固定不變的。如何能夠激發(fā)并保持孩子們學(xué)習(xí)機(jī)器人的興趣呢？針對(duì)這一問(wèn)題，筆者結(jié)合實(shí)際的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)與機(jī)器人本身的特征進(jìn)行研究整理，并歸納出一種可行的策略——三度觸摸策略（如圖1）。

1.一度觸摸，感受機(jī)械與程序融合的魅力

今天的孩子是數(shù)據(jù)時(shí)代的原住民，在人工智能的時(shí)代背景下，他們不乏與機(jī)器人親密接觸的機(jī)會(huì)。但在與機(jī)器人打成一片的同時(shí)，卻鮮有人思考其組成、原理、技術(shù)、意義……因此，有必要將機(jī)器人請(qǐng)進(jìn)課堂，讓學(xué)生浸潤(rùn)到機(jī)器人世界中，在充分的觸摸體驗(yàn)與深刻的感悟中習(xí)得知識(shí)技能，培養(yǎng)學(xué)生持久的興趣。

案例1：《認(rèn)識(shí)機(jī)器人》——課堂里出現(xiàn)的智能伙伴。

在《認(rèn)識(shí)機(jī)器人》一課中，目標(biāo)是讓學(xué)生了解機(jī)器人結(jié)構(gòu)的基本組成。筆者將智能機(jī)器人——小優(yōu)引進(jìn)課堂，孩子們一進(jìn)門(mén)便一片嘩然，難以抑制的好奇與熱情溢于言表。課堂上，孩子們可以通過(guò)全方位觀察活動(dòng)，了解機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；可以通過(guò)互動(dòng)體驗(yàn)，感知機(jī)器人的傳感器模塊；可以通過(guò)交流對(duì)話，感受機(jī)器人核心處理器的強(qiáng)大……在教師的適當(dāng)引導(dǎo)下，孩子們?cè)诓恢挥X(jué)中印象深刻地儲(chǔ)備了機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)。

一度觸摸的形式可以多樣化，除了實(shí)體機(jī)器人，也可以是虛擬機(jī)器人、視頻、圖片、簡(jiǎn)易模型等。而它們的共同目的是讓孩子們浸潤(rùn)到機(jī)器人的世界，并為之傾倒，激發(fā)興趣，驅(qū)動(dòng)主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情。

2.二度觸摸，與零件交朋友

二度觸摸，是一個(gè)從整體到局部的演變。學(xué)生對(duì)機(jī)器人有了整體的感性認(rèn)識(shí)，也對(duì)每一個(gè)部件充滿了好奇。那就順應(yīng)孩子們的好奇心，讓其在零件的海洋中尋找機(jī)械結(jié)構(gòu)的奧秘。

案例2：百變?cè)煨椭刑骄魁X輪的相互作用。

以樂(lè)高機(jī)器人為例，齒輪是動(dòng)力傳遞的主要來(lái)源。而樂(lè)高機(jī)件中齒輪的種類繁多，功能不一，機(jī)械傳遞的原理也不盡相同。筆者在教授大齒輪與小齒輪之間帶動(dòng)關(guān)系時(shí)，為學(xué)生設(shè)計(jì)了一份導(dǎo)學(xué)單，引導(dǎo)學(xué)生在用自己設(shè)計(jì)的齒輪結(jié)構(gòu)傳遞動(dòng)力的過(guò)程中，觀察力的大小、速度、方向等的變化。通過(guò)比較與分析，得出齒輪間相互作用的結(jié)論。在整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中，孩子們既傾心于自己設(shè)計(jì)的齒輪造型，又力求尋找規(guī)律將齒輪的價(jià)值發(fā)揮到最大。

機(jī)械結(jié)構(gòu)的觸摸讓孩子更進(jìn)一步接觸機(jī)器人，并可以親自體驗(yàn)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行改造。教師在二度觸摸的過(guò)程中要做好引導(dǎo)作用，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅僅是為了美觀與好玩，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)器人得以施展其功能的物質(zhì)基礎(chǔ)。

3.三度觸摸，與程序打招呼

如果機(jī)械結(jié)構(gòu)的搭建培養(yǎng)了孩子們的動(dòng)手能力，那么程序便是對(duì)思維能力的提升。三度觸摸，將原本機(jī)械的動(dòng)力結(jié)構(gòu)智能化，將孩子們的學(xué)習(xí)熱情推向了高潮。

案例3：比比誰(shuí)的小車(chē)更靈動(dòng)。

以小車(chē)作為機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)，加以程序的作用，學(xué)生能輕松地驅(qū)動(dòng)其前進(jìn)與后退。而筆者在此基礎(chǔ)上，教授機(jī)器人轉(zhuǎn)向的奧秘。首先讓學(xué)生觀察，小車(chē)在轉(zhuǎn)向過(guò)程中輪子的方向與速度變化，從而得出左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)輪子的速度、轉(zhuǎn)向角度等變化規(guī)律。孩子們?cè)谡{(diào)試過(guò)程中，感受到程序的巨大魅力，研制出各種走向的機(jī)器人。筆者以此為契機(jī)，增設(shè)了“比比誰(shuí)的小車(chē)更靈動(dòng)”環(huán)節(jié)，展示的機(jī)器人中有的能走正方形，有的能繞障礙物，有的還能跳舞……孩子們?cè)诜窒淼倪^(guò)程中，看到的是機(jī)器人靈動(dòng)的行為，收獲的卻是程序設(shè)計(jì)的奧秘。同時(shí)，他們?cè)谕楹屠蠋煹恼J(rèn)可中，增強(qiáng)自信，對(duì)機(jī)器人的熱情也得以保持。

三度觸摸，直達(dá)機(jī)器人的核心，孩子們也在此過(guò)程中體驗(yàn)到程序是機(jī)器人靈魂一樣的存在。對(duì)程序的調(diào)控而產(chǎn)生的機(jī)器人不同行為的反饋，正是孩子們熱衷的焦點(diǎn)，進(jìn)而也推動(dòng)了程序的學(xué)習(xí)熱情。

嘗試，匯于模仿所帶來(lái)的成功體驗(yàn)

嘗試，意味著機(jī)器人教學(xué)由單一的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向整體的項(xiàng)目學(xué)習(xí)。在嘗試階段，學(xué)生對(duì)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與操練尚未成熟。因此，模仿是該階段最有意義的學(xué)習(xí)行為。模仿是學(xué)習(xí)復(fù)雜動(dòng)作技能的早期階段，適用于機(jī)器人學(xué)習(xí)的起步。模仿的目的在于讓學(xué)生體驗(yàn)完整的機(jī)器人項(xiàng)目所帶來(lái)的成就感，同時(shí)，也深化機(jī)器人相關(guān)的基本知識(shí)，了解機(jī)器人原理如何應(yīng)用到實(shí)際機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作中。筆者在引導(dǎo)學(xué)生嘗試的過(guò)程中，總結(jié)出一些教學(xué)策略，讓該階段教學(xué)效果最大化。

1.解構(gòu)剖析法

解構(gòu)是把已有的事物打開(kāi)，學(xué)習(xí)其中的規(guī)律和知識(shí)，是發(fā)現(xiàn)原理和規(guī)律的過(guò)程。學(xué)生在模仿機(jī)器人結(jié)構(gòu)時(shí)，通常有兩種途徑：一是參照已有的圖紙搭建，這種情況下解構(gòu)已提前完成，學(xué)生只需要剖析機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)意圖，在模仿中感知其中的原理與規(guī)律；二是參照已有的模型搭建，這種情況下必然解構(gòu)優(yōu)先，必須通過(guò)深入剖析探究出其中的規(guī)律與原理，方能完整模仿出來(lái)。因此，解構(gòu)剖析是模仿的必要條件，該策略的應(yīng)用也是學(xué)生能力提升、思維訓(xùn)練的契機(jī)。

2.聚類耦合法

學(xué)生在模仿的過(guò)程中，總會(huì)有意識(shí)地將結(jié)構(gòu)相似、功能相似，甚至技術(shù)思想相似的模塊歸為一類，這正是聚類思想在機(jī)器人制作中的體現(xiàn)。教師加以適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，有利于學(xué)生掌握機(jī)器人結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)的共通點(diǎn)，更能在今后根據(jù)任務(wù)需求應(yīng)用類似的結(jié)構(gòu)去解決問(wèn)題。

3.翻轉(zhuǎn)自研法

機(jī)器人的模仿其實(shí)是一個(gè)漫長(zhǎng)的穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)過(guò)程，僅僅靠課堂里的時(shí)間是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。再考慮到學(xué)生的差異性、調(diào)試過(guò)程的重復(fù)性等因素，這就需要在機(jī)器人教學(xué)中謀求一條翻轉(zhuǎn)課堂的道路。機(jī)器人課堂的翻轉(zhuǎn)可以是課堂知識(shí)的翻轉(zhuǎn)，利用微課等手段為已學(xué)知識(shí)的鞏固、拓展性知識(shí)的提升、重難點(diǎn)知識(shí)的突破尋求一條高效的捷徑；可以是機(jī)械搭建的翻轉(zhuǎn)，學(xué)生不再是依葫蘆畫(huà)瓢，而是有了更多自主學(xué)習(xí)與實(shí)踐的機(jī)會(huì)；可以是程序設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)，通過(guò)不斷的調(diào)試，學(xué)生在家就可以輕松指揮機(jī)器人了。合理利用翻轉(zhuǎn)策略，為課堂增效，同時(shí)又提升了學(xué)生的自主探究能力。

實(shí)現(xiàn)，成于任務(wù)所驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題解決

該階段，學(xué)生雖然擁有了大量的知識(shí)儲(chǔ)備，但是在親身實(shí)踐過(guò)程中依然會(huì)遇到很多問(wèn)題，并且尚未清晰項(xiàng)目完成的一般過(guò)程與方法，因此，教師的引導(dǎo)作用顯得尤為重要。一個(gè)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)通常依賴集體的智慧，于是小組合作的優(yōu)勢(shì)也在這個(gè)階段得以體現(xiàn)。任務(wù)的難易程度直接影響項(xiàng)目的可行性、進(jìn)度，甚至學(xué)生的積極性，所以任務(wù)難度要適中，既不觸手可得也不望而生畏。筆者將機(jī)器人項(xiàng)目式驅(qū)動(dòng)的過(guò)程歸納為五部曲（如圖2），并以FLL工程挑戰(zhàn)賽中“機(jī)器人喂食”任務(wù)為例進(jìn)行解說(shuō)。

1.提出問(wèn)題

“機(jī)器人喂食”是本項(xiàng)目需要解決的問(wèn)題。明確目標(biāo)后，分析在機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中可能遇到的障礙：（1）飼料塊投遞過(guò)程中可能超出邊界；（2）機(jī)械臂該如何設(shè)計(jì)才能運(yùn)送8塊飼料塊；（3）機(jī)器人行走過(guò)程中受到盲道的較大阻力；（4）如何每次投遞出相同顏色的飼料塊；（5）機(jī)器人行走到遠(yuǎn)處時(shí)如何準(zhǔn)確定位路線……所有的問(wèn)題被一一拋出后，組員們各抒己見(jiàn)，盡可能突破問(wèn)題難點(diǎn)，尋求一條最佳路徑。

2.擬定方案

學(xué)生在正式搭建前，需要擬定任務(wù)實(shí)施的方案。方案的制訂是指對(duì)該項(xiàng)目中所涉及的活動(dòng)預(yù)先進(jìn)行計(jì)劃。實(shí)施方案的設(shè)計(jì)應(yīng)該包含兩個(gè)方面：項(xiàng)目實(shí)施的步驟內(nèi)容和實(shí)施的時(shí)間安排。學(xué)生在搭建的時(shí)候根據(jù)實(shí)施方案來(lái)進(jìn)行，可以保證完成的進(jìn)度，同時(shí)也可以有序進(jìn)行。方案可以根據(jù)實(shí)施過(guò)程中遇到的問(wèn)題和實(shí)際情況進(jìn)行修改。

3.模型搭建

經(jīng)過(guò)前期的充分準(zhǔn)備，學(xué)生已經(jīng)具備了搭建的全部條件，可以進(jìn)入模型搭建的過(guò)程。模型搭建過(guò)程是機(jī)器人教育區(qū)別于其他教學(xué)模式的重要特征，在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生將自己的想法注入機(jī)器人的機(jī)械臂設(shè)計(jì)中，通過(guò)小組合作，體會(huì)集體智慧的魅力，以及親手制作的樂(lè)趣。學(xué)生在進(jìn)行制作的時(shí)候仍會(huì)遇到一些困難，然后再進(jìn)入發(fā)現(xiàn)問(wèn)題階段，通過(guò)自主探究進(jìn)行解決，再接著進(jìn)行模型搭建。

4.程序調(diào)試

搭建好的模型，需要編制核心的程序讓其動(dòng)起來(lái)。程序設(shè)計(jì)前，初始位置的設(shè)定也很關(guān)鍵。確定初始位置后，將規(guī)劃的機(jī)器人行走路徑以及機(jī)械臂擺動(dòng)時(shí)機(jī)一一編寫(xiě)入程序中，通過(guò)對(duì)實(shí)際路線的測(cè)量可以準(zhǔn)確計(jì)算出齒輪所需轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)或秒數(shù)。編寫(xiě)好程序，機(jī)器人便進(jìn)入了調(diào)試模式。在調(diào)試過(guò)程中，不可忽略的是摩擦力、環(huán)境光線、電量等造成的干擾，因此，調(diào)試是一個(gè)不穩(wěn)定的過(guò)程，需要在多次嘗試中尋求一組較為適宜的參數(shù)。

5.分享交流

任務(wù)完成之后，同學(xué)之間要相互交流，展示自己的機(jī)器人，分享制作的過(guò)程，以及在這個(gè)過(guò)程遇到的困難和解決辦法，同時(shí)交流自己的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)。在分享交流中，借鑒他人的意見(jiàn)，提升自身的水平。

五部曲的體驗(yàn)，留給學(xué)生的不僅僅是機(jī)器人設(shè)計(jì)的樂(lè)趣，更是一個(gè)科學(xué)素養(yǎng)、工程意識(shí)、計(jì)算思維、團(tuán)隊(duì)合作精神等的培育過(guò)程。機(jī)器人教學(xué)所帶來(lái)的核心價(jià)值，也在實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中體現(xiàn)得淋漓盡致，學(xué)生獲得了利用機(jī)器人技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，更形成了利用機(jī)器人分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的思維方法和價(jià)值觀。

創(chuàng)造，源于感受生活而發(fā)揮的無(wú)限遐想

機(jī)器人的學(xué)習(xí)不僅僅是一個(gè)功能實(shí)現(xiàn)的過(guò)程，更是一個(gè)創(chuàng)意滋長(zhǎng)的過(guò)程。對(duì)于學(xué)生而言，機(jī)器人課堂給他們帶來(lái)的不單是利用所學(xué)知識(shí)去搭建既有模型，更要形成利用智能裝置改造生活的方法論和認(rèn)識(shí)人工智能的世界觀；對(duì)于教師而言，機(jī)器人課堂不單要關(guān)注學(xué)生具象的疑問(wèn)或驚奇，更要點(diǎn)亮每個(gè)孩子思維閃亮的瞬間。創(chuàng)造，是在嘗試、模仿、實(shí)現(xiàn)之后思維的再度提升。創(chuàng)意的來(lái)源不是憑空捏造的，也不是刻意演繹的，它可能是生活中不經(jīng)意間的靈光一現(xiàn)，也可能是經(jīng)歷過(guò)程后的反思總結(jié)，還可能是求解問(wèn)題時(shí)的想法分支……因此，教師應(yīng)該讓學(xué)生充分體驗(yàn)生活，發(fā)散思維，用智能化的手段去優(yōu)化生活。

案例4：從垃圾分類到識(shí)色機(jī)器人的創(chuàng)意智造。

在日常生活中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)垃圾分類是一個(gè)重復(fù)歸類的勞作。但是，這類重復(fù)勞動(dòng)又意義重大，經(jīng)過(guò)分類的垃圾不僅可以實(shí)現(xiàn)垃圾資源的利用，減少垃圾處置量，還可以改善人類生存環(huán)境質(zhì)量。面對(duì)生活中的困惑，有學(xué)生就提出讓機(jī)器人來(lái)幫助分類。為了讓學(xué)生的想法落地，教師引導(dǎo)學(xué)生利用機(jī)器人項(xiàng)目式驅(qū)動(dòng)過(guò)程五部曲來(lái)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造。

從起初的問(wèn)題提出到擬定方案，學(xué)生遇到了不少問(wèn)題，在小組的通力合作下，設(shè)計(jì)了紅、黃、綠、藍(lán)四色的垃圾標(biāo)簽，只需在垃圾袋上貼上標(biāo)簽，垃圾桶就能自動(dòng)分類了。模型的搭建塑造了機(jī)器人的形象，程序的編寫(xiě)又為它插上了智能的翅膀，最終當(dāng)一個(gè)成品展現(xiàn)在所有師生面前的時(shí)候，孩子們感到由衷的自豪。

跳出課堂的思維定勢(shì)，機(jī)器人學(xué)習(xí)是一個(gè)追問(wèn)生活的平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)不僅是創(chuàng)新思維活動(dòng)的另一開(kāi)端，更是在真實(shí)生活中不斷實(shí)現(xiàn)自我的另類延續(xù)。創(chuàng)造不以實(shí)現(xiàn)為起點(diǎn)，也不以實(shí)現(xiàn)為終點(diǎn)，它是隨著生活的變化不斷革新、動(dòng)態(tài)生成的過(guò)程。

如果說(shuō)機(jī)械是機(jī)器人教學(xué)的“外殼”，那么，程序就是機(jī)器人教學(xué)的“內(nèi)件”。兩者的完美結(jié)合，使得機(jī)器人教學(xué)更顯靈性和生命的美麗。在這個(gè)教育變維的時(shí)代，我們要讓機(jī)器人教學(xué)真正在中小學(xué)“落地生根”，更要學(xué)會(huì)升維思考，降維執(zhí)行，選擇合適的教學(xué)路徑，運(yùn)用適切的教學(xué)策略，達(dá)成學(xué)習(xí)變頻的交集。這個(gè)由智能機(jī)械與程序構(gòu)建的動(dòng)態(tài)美景，有了孩子們的定義、參與，將展現(xiàn)得更迷人，更搖曳。

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