普通高中機器人教學的認識與實踐

孔祥興

【摘要】? 《普通高中信息技術課程標準（2017版）》中明確提出要兼重理論學習和實踐應用，將知識建構、技能培養與思維發展融入到運用數字化工具解決問題和完成任務，讓學生參與到信息技術支持的溝通、共享、合作與協商中，體驗知識的社會性建構，從而成為具有較高信息素養的中國公民。機器人教學是一門綜合多種學科知識和技能的課程，學生們通過軟件編程，功能設計，動手制作與技術構建，結合學生們的日常觀察、知識積累，運用綜合知識解決問題，發展自己的思維能力和創造力。

【關鍵詞】? 機器人教學 計算思維 創新

【中圖分類號】? G633.67 ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標識碼】? A ? ? 【文章編號】? 1992-7711（2019）18-008-02

機器人是信息技術高度發展的知識融合領域，具有創新實踐性和綜合知識應用性，在普通高中引入機器人教學不僅促進信息技術教學，更能推動機器人知識和技術的普及與應用。機器人技術涉及到信息技術、物理、數學、音樂、美術、英語、甚至生物仿生學等學科知識，通過學習機器人可以讓學生把學到的各個學科知識得以綜合應用，對學生的動手能力、創造性思維，分析問題以及解決問題的能力的培養有促進作用。

近年來我國中小學生機器人教學較以前有了發展，特別是開源軟件和硬件的發展推動了機器人教學的發展，機器人教學已經成為有效進行素質教育、培養學生創新實踐能力的一個重要學習內容。

一、機器人教學有其獨特的育人價值

從目前的高中階段信息技術學科教學現狀來看，近年來在教學過程中關注與強調學生信息素養，從實際教學效果來看，出現學生思維和創新能力缺失現象，而機器人教學可以有效改善這個缺失。

1. 機器人教學注重實踐探究培養創新能力

動手實踐探究不僅是應用知識、形成技能、發展智力的重要手段也是溝通知識與創新的橋梁。機器人教學過程中需要學生通過動手實踐與應用知識，無論是機器人的外型還是功能都需要學生在實踐中創造并加以改進，例如在制作避障機器人時避障功能可以用紅外傳感器也可以用超聲波傳感器，這兩種傳感器在受外界環境干擾的穩定性不同，紅外傳感器容易受環境光影響，這需要學生在硬件上和軟件算法上想辦法排除干擾。機器人是軟硬件結合的綜合體，在硬件技術方面綜合了機械傳動、傳感器和控制板等技術，軟件方面則融合了程序設計、算法等技術，學生發揮想象力去體驗機器人制作，通過這些技術協調工作實現完成自己的創意作品，培養了自己創新能力。

2. 機器人教學可以培養計算思維、邏輯思維能力

計算思維培養可以有多種途徑，但無可否認編程是培養計算思維的重要途徑和方法，可以使計算思維概念具體化。在機器人教學里實現相同的機器人功能可以通過不同的算法實現，也可以用不同的計算機編程語言來實現;在實現機器人功能除了設計算法還可以要求學生使用邏輯推理來解釋算法、檢測和糾正錯誤，這一過程也就是學生經過提出問題、分解問題、編程解決問題、問題評估、總結的過程，從而學生的計算思維得到有效地培養和實踐。

思維能力分為分析性思維能力和創新性思維能力，思維能力是學生通過自身體驗成功解決問題的過程獲得的。機器人教學內容是運用傳感器感知外界環境做出決策的一系列活動，而傳感器采集數據容易受到外界干擾造成數據不準確再加上程序邏輯性不強等因素導致機器人做出錯誤的決策，這需要學生在實踐中遇到問題在實踐中解決，這樣的反復實踐解決問題循環過程就能潛移默化地養成分析性思維能力。機器人同一個功能的實現可以借助不同的機器人傳感器結合不同的程序算法來實現，在教學過程中鼓勵學生對教學案例作品進行修改和改進（包括硬件和程序），這有助于學生對問題再次深入思考，有助于激發學生創新性思維。例如制作巡線機器人時為了提高機器人巡跡速度應怎么配置傳感器，可以用二個甚至多個紅外巡線傳感器結合不同的程序算法來實現，諸如此類問題的提出可以培養創新性思維能力。

3. 機器人教學軟硬件相結合，通過硬件的直觀表現理解程序的意義，編程不再神秘

機器人的功能是軟件與硬件相結合實現的，機器人教學并不是以培養程序員作為目標，機器人功能的實現體現在程序控制下實現機器人傳感器與執行機構的交互。學生在機器人控制板里寫入程序控制機器人外部硬件設備，可以將程序的抽象感具體化，實現程序功能“可視化”，消除編寫程序的神秘感，這比單純學編程更具吸引力，更容易讓學生獲得喜悅感和成功感，可以激發學生學習編程興趣。例如在制作演奏機器人時學生可以通過觀察舵機敲打樂器的轉動角度理解控制舵機的語句意義，這樣學生更容易掌握和記憶程序語言，更容易入門學習程序編寫。

4. 機器人教學可以提高學生解決問題的能力

機器人是一個復雜的融合性的知識結合體，要讓機器人實現功能設計，在制作過程肯定遇到許許多多意想不到的問題，需要學生綜合應用各學科知識去思考問題，在不斷的試錯——修改——再試——再改的循環試錯過程中讓學生體會到其它學科的知識不再是沒有意義的，在不知不覺中提高分析問題和解決問題的能力。例如在制作看似簡單的聲控四足機器人過程中，出現不能聲控（檢查連接電路）、發光二極管不亮（單向導電特性）、馬達不轉（檢查連接電路）、走路慢（力學中的推力和拉力）、走不直（仿生學）的這些情況，這些問題需要學生要認真檢查連接電路，運用各學科知識在試錯實驗中不斷解決。

二、機器人教學獨特的教學策略

1. 機器人教學適宜采用開源的軟硬件

為提升學生的創新能力以及對機器人的設計能力和應用能力，需要以機器人的功能系統、感知系統、控制系統、執行系統作為學習內容，可以通過低成本的模塊化的開源硬件作為學生實踐平臺以及開源軟件如ARDUINO作為機器人軟件系統作為編寫語言，讓學生在制作與實現中接觸機器人結構、動力、傳感和控制等技術。開源硬件如機器人控制板、傳感器等功能模塊豐富、擴展能力強、價格低而且模塊硬件資料公開透明，易于使用，開源硬件模塊化方便其它項目內容重復使用，各硬件模塊化的連接增強訓練學生的動手實踐能力也易于學生能夠快速掌握模塊功能，課堂實踐效果好。

2.聯系生活實際精選范例激勵創新

機器人教學課程設計要選擇恰當的教學項目內容，首先不要以大求全，可從學生對知識理解認知的視角和教師教學的可實施性兩方面進行充分設計。教學項目內容要立足于現實的生活環境，并根據學生知識認知水平，培養學生將課程知識應用在生活的技能，用于指導和解決生活學習中遇到的問題，同一項目甚至可擴展用不同功能實現，如制作滅火機器人，滅火的方式多種多樣可以用小風扇也可以通過噴水的方式。教學項目內容應該要蘊含創新題材和內容，讓學生親身體驗發現與創造過程，由淺到深地引導學生開展創新活動。

機器人是一個綜合知識應用綜合體，編程知識具有循序漸進特征，機器人教學內容的編排也應遵循由淺到深的規律，讓學生逐漸積累如傳感器、程序控制等知識，讓學生體會用機器人視角思考問題解決問題。

3.跨學科知識融合

現時的教學改革方向是突出學科核心素養，培養解決問題的能力，增強知識綜合應用性，貼近生活聯系社會實際，在教育評價落實立德樹人的根本任務。機器人教學對培養面向未來的有創新意識和創新能力人才有促進作用，與其它學科教學比較，機器人教學在內容上具有較強的綜合性，涉及到眾多學科，機器人教學容易與其他學科融合，可以讓學生清晰認識到學到的知識是可以得到應用的，促進學生認真學習各學科知識。因此機器人教學時要緊密聯系學科進行融合教學，如學生在編寫機器人程序時要求學生寫程序框圖，一方面培養學生的編寫程序清晰邏輯性另一方面融合數學選修課程程序框圖的教學內容，讓學生通過機器人項目理解融合學科的知識內容。又例如高中物理中有包括光敏傳感器、溫度傳感器、聲音傳感器、壓力傳感器等傳感器教學內容，機器人教學讓學生通過動手實踐把相關知識得以擴充應用。

4.自由創作分享智慧培養批判性思維能力

對于同一教學項目不同的學生有不同的理解，從學生的視角設計會有很多個性化和差異性的解決方案，通過作品展示讓學生收獲成功感，通過分享交流點燃了學生創造性思維。分享是機器人教學其中一個目標，教師不僅需要培養學生的知識技能實現創新，還要營造一個利于學生分享的氣氛，鼓勵學生分享自己學習成果和創新成果，增強學生的自信心和成功感，實現自身的認同。機器人教學項目式學習需要以小組形式完成機器人項目，分享時小組可以從機器人的外觀、功能以及程序功能等方面展示分享，同時允許其它小組提出質疑，以達到思想碰撞。例如在講授光敏傳感器的時候，要求小組展示成果時，其中一個小組展示光控燈，但這個燈在環境光線稍黑一點環境里燈就會點亮，這時候另一小組就提出達不到節能效果的質疑，接著這個小組展示了他們在程序方面作改進的作品，就在這樣的智慧分享里碰出智慧火花，激發創作靈感，在滿足學生個性化發展的同時學生的創造潛力得到充分發展，學生的分析問題能力、批判性思維、創新能力等綜合素質會得到逐漸提升。

機器人教學為學生綜合發展提供了一個有效的學習平臺，一些學生已經對機器人的制作以及編程感到興趣甚至有了個人職業方向選擇。由于眾多原因機器人教學現階段還沒有形成規模性展開，開展機器人教學需要大量教學資源支持，需要認可理解機器人教學的潛力和價值。

[ 參? 考? 文? 獻 ]

[1]《中小學信息技術教育》2017年03期基于計算思維培養的中小學編程教育校本課程開發與實踐.

[2]《中小學信息技術教育》2008年02期信息技術課程與學生創新能力的培養.

[3]《中小學信息技術教育》2019年05期物聯網云端監控地震報警器.

[4]《中小學信息技術教育》2019年05期思維素養視角下的中小學人工智能教育.