初中機器人問題解決式教學模式實踐

薛奇秀

機器人教育受到了國內外教育界越來越多的重視，目前全國已有逾萬所學校開展了機器人教育，對于基礎教育領域而言，競賽模式或興趣小組模式依然占據絕對的主導地位，普及性的機器人教育亟待發展。我們嘗試了問題解決式教學模式，發現有良好的實踐效果。下面，我就結合《機器人的智能行走》一課來闡釋問題解決式教學模式的具體操作過程。

初中機器人問題解決式教學模式的教學流程

圖1即本研究提出的初中機器人問題解決式教學模式的教學流程，該教學設計框架是在相關理論支撐下設計，并經過幾輪實踐經驗的修改而完成的，它包含了“創設情境、激趣引入，新課講授、構建新知，突破難點、進階提升，總結歸納、提高升華”四個過程?！皠撛O情境、激趣引入”這個環節，通常使用的方法為基于生活情境的引入，如“碰碰車”“智能跟隨行李箱”等;基于問題對比的引入一般是在同一個主題內容的第二節課應用，多用于引入更深入、更復雜的問題解決?！靶抡n講授、構建新知”和“突破難點、進階提升”是兩個連續的問題解決的過程，它既可以是一個大問題的進階的不同階段，也可以是兩個獨立的但存在前后進階關系的小問題的解決，但無論是哪種情況，都遵循著問題解決的一般過程：明確問題—分析問題—解決問題—展示點評。其中，對于本研究中的機器人課程而言，分析問題主要是指學生利用自然語言描述問題解決的過程和思路，解決問題主要是指根據自然語言描述繪制流程圖并編程調試?！翱偨Y歸納、提高升華”主要是一般性方法的歸納、問題解決經驗的總結以及提出更進一步的問題。

《機器人的智能行走》一課的具體實施

我校在初一年級開設普及性的機器人校本課程已有接近一年的時間，過程中充分利用學?，F有的數字化教學環境以及機器人相關的硬件設施，現以《機器人的智能行走》一課為例進行分析說明。

1.創設情境、激趣引入

學生打開iPad中的電子書《超聲波傳感器（二）》，以小組為單位參照電子書對上節課學習的內容進行復習，并對照教師PPT上的問題進行回答。

教師播放視頻，對比分析，引出本課主題《機器人的智能行走——超聲波傳感器的應用》。本環節主要分為兩部分，前一部分為復習鞏固，主要是前面學習過的基本程序結構、流程圖繪制要點以及超聲波傳感器的基礎認知。本節課的重點在于利用超聲波傳感器實現機器人的智能行走，問題的解決需要經歷“明確問題—分析問題—繪制流程圖—編程調試”的過程，這其中，流程圖的繪制尤為重要，因此課前簡單的復習能快速激活學生對舊知的記憶和理解。機器人校本課程內容來自組內教師的自主開發，因此，學習內容主要以電子書的形式呈現，這種數字化的內容呈現方式靈活便捷，能最大程度地貼合課程教學設計。后一部分通過上一節課小車碰到障礙物停和小車能夠實時避障的視頻效果對比，引出本課的主題內容——機器人的智能行走。這種對比設疑的方式，既能激起學生的學習興趣，又能點明本課學習的主題，明確學習重點。

2.新課講授、構建新知

本部分是本節課的第一個任務，也是基礎任務，目的在于：一方面，通過本任務熟悉前面所學的順序、分支、循環結構的使用方法;另一方面，在課堂教學設計上，本環節的任務是上一節課任務的進階，同時又是本節課第二個任務的基礎和鋪墊，起到了銜接和過渡的作用，使得整個過程流暢充實。任務一的學習環節及各環節的學生活動、教師活動如上頁表1所示。

3.突破難點、進階提升

本部分為任務二，是本節課的重難點內容，在內容方面，智能行李箱更加復雜的設計思路和要求在任務一的鋪墊下變得更加容易理解。流程圖及編程都需要小組合作完成，需要組內各成員積極主動參與其中，這樣的學習方式能夠最大程度地提高學生的課堂參與度，發揮學生的主體性。本任務來源于生活中的真實案例，能讓學生在探究過程中體驗到成功的喜悅，形成將課堂所學可以應用于日常生活的意識。任務二的學習環節及各環節的學生活動、教師活動如上頁表2所示。

4.總結歸納、提高升華

教師帶領學生總結本課內容并提煉升華，形成問題解決的具體方法與步驟（如圖2）。

機器人課程不只是教會學生怎么解決一個具體的問題，也不僅僅是教會學生怎么搭建機器人、操作編程軟件，更重要的是學生對于問題解決的一般方法的理解和掌握，因此，本節課在最后小結部分，以流程圖的方式總結了問題解決的一般方法和步驟，相信有了本節課具體內容的鋪墊，學生對該方法會有比較深刻的認識和領悟。

總結及建議

現階段，雖然機器人教育已經越來越多地深入中小學課堂，但大多以競賽及社團形式開展，而對于普及性的大班上課的開展形式，實踐經驗較少。機器人常規課程的開設要綜合考慮課程設置、內容設計、軟硬件支持、師資配備等多個方面，尤其是課程內容及形式的設計關系著課程開展是否順利及學生學習是否高效。

綜上所述，我校開展的機器人校本課程特色體現在以下幾個方面。

1.內容設計巧妙，螺旋式進階提高

機器人課程的問題及任務多來源于現實生活，在問題解決過程中，需要學生有較強的邏輯思維及問題解決能力，先分析問題解決方案，后畫流程圖，最后編程實現。而對于初一年級學生來說，邏輯思維能力的培養需要一個循序漸進的過程，這就要求在課程內容設計時做到由淺入深、螺旋式進階。例如，在《機器人的智能行走》一課中，內容的設計就包含了“遇到障礙物停—實時避障—智能跟隨”三個階段，遇到障礙物停是上一節課的學習內容，在本節課一開始通過對該內容的回顧，提出“如何變得更加智能？”，進而引出本課內容，也就是第二階段的進階任務：讓小車實現實時避障（即小車遇到障礙物停，障礙物移開小車繼續前進）。在學生掌握了小車實時避障的設計方法后，通過智能行李箱的案例引入第三個階段的任務：讓小車實現智能跟隨。三個環節的內容以螺旋式進階的方式設計，環環相扣，第一階段任務易于上手，能夠最大程度地激發學生的學習興趣和自信心，隨著任務的進階，學生也感受到了隨之而來的挑戰，基于先前學習的良好表現和自信，絕大多數學生都能夠積極主動地參與討論及問題解決，更好地發揮了學生的主體性。

2.雙師合作很必要，方方面面關注到

不同于普通的信息課或科技課，機器人課有如下特點：①學生參與程度高，自主協作要求高，例如，自己動手搭建機器人模型、改裝機器人結構，小組討論分析問題、找到問題解決的方法，繪制流程圖，編程實現;②學習內容較為開放，問題解決方法多樣，生成性問題較多;③課堂內容設計及形式多樣，需綜合應用軟硬件進行演示操作。機器人課程的特殊性就決定了課程的開展需要雙師的配合，雙師分工有別。例如，教師A在講授流程圖時，教師B及時演示與之相對應的程序操作，從而使得學生能夠很直觀地對流程圖及程序之間的關系有深入的理解。在小組自主操作階段，雙師的分工巡視及指導，能夠在有限的時間內最大程度地關注到每一組學生的表現，雙師只需簡單地溝通便可掌握全班學生操作的進度及過程中的問題，適時進行針對性的講解，恰當地確定后續的課堂內容，從而大大提高了課堂效率和質量。

3.軟硬件支持好，數字化有妙招

學生通過iPad實現電子書的瀏覽閱讀以及樂高編程軟件的編程，穩定的系統環境和極快的響應速度給學生帶來了良好的學習體驗。雙屏的演示模式能夠實現教學任務、流程圖、編程操作演示及學生任務實現演示等的兩兩同時顯示。例如，對照任務分析繪制流程圖（一個屏幕顯示課件上的任務要求及分析，另一個屏幕顯示白紙用于繪制流程圖），針對流程圖編寫程序（一個屏幕顯示繪制好的流程圖，另一個屏幕通過iPad投屏演示編程操作）。iPad實時投屏可以實現學生任務完成情況的展示評價。樂高ev3套件作為經典的機器人套件，為學生提供了多樣化的機器人實現方式，尤其是各種傳感器的應用，大大擴展了機器人的功能。以上數字化的硬件設備支持，豐富了教與學的體驗，提高了學習的效率，從而使得教學過程不再受軟硬件限制，讓師生能夠更加關注學習內容本身。

機器人教育的普及為學生綜合能力及素質的培養和提升提供了新的可能，但處在初級階段的機器人普及教育，仍然有很長一段路要走，課程整體設計、軟硬件支持、師資配備等問題是當下亟須關注和解決的問題。