我供你基礎(chǔ)，你為你創(chuàng)作

黃文忠 林純?nèi)?/p>

本案例基于廣東科學(xué)中心自主研發(fā)的無(wú)人駕駛車創(chuàng)意機(jī)器人套件，面向初高中學(xué)生而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，旨在探討初高中不同階段的學(xué)生同時(shí)進(jìn)行基于邏輯門(mén)電路智能控制及arduino控制的機(jī)器人有效教學(xué)方法的研究。

龍舟機(jī)器人、探月機(jī)器人、掃地機(jī)器人、智能交通機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人、倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人、演奏機(jī)器人……這是我校在創(chuàng)意機(jī)器人項(xiàng)目中參與過(guò)的項(xiàng)目。一年一主題是創(chuàng)意機(jī)器人活動(dòng)的特色之一，也正因?yàn)橐荒暌恢黝}，讓我校開(kāi)展的創(chuàng)意機(jī)器人教學(xué)項(xiàng)目有著新鮮的活力。

廣東科學(xué)中心的創(chuàng)意機(jī)器人項(xiàng)目是我校一直以來(lái)在推廣的STEM科普創(chuàng)新項(xiàng)目。原因在于該項(xiàng)目每屆都有獨(dú)特的主題充滿新意和挑戰(zhàn)、使用規(guī)范與可創(chuàng)新的開(kāi)源的組件進(jìn)行制作經(jīng)濟(jì)實(shí)惠又賦予學(xué)生創(chuàng)作的可能、所涉及知識(shí)有利于與高中年級(jí)理科課程接軌的特點(diǎn)為學(xué)生向人工智能和自動(dòng)化等方向的進(jìn)階學(xué)習(xí)提供了一定的基礎(chǔ)。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 設(shè)計(jì)背景

持續(xù)8年的教育活動(dòng)，不得不說(shuō)讓我們沉淀了不少的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。但今年的教學(xué)過(guò)程中，我們遇到了一個(gè)新的問(wèn)題：如何解決不同階段的學(xué)生同時(shí)開(kāi)展創(chuàng)意機(jī)器人項(xiàng)目培訓(xùn)。須知道不同階段的學(xué)生知識(shí)水平和學(xué)生能力是有這明顯的差異的，一般情況下都只會(huì)安排同一階段的學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)。但在師資人力不足、面向的對(duì)象多余化的情況下，必然會(huì)遇到這樣的問(wèn)題。借鑒廣東科學(xué)中心對(duì)不同階段的師資培訓(xùn)經(jīng)驗(yàn)，本年度“無(wú)人駕駛車”項(xiàng)目，我們嘗試了對(duì)初二、高一階段的時(shí)候進(jìn)行同時(shí)的培訓(xùn)，并在實(shí)踐當(dāng)中融合STEM教學(xué)理念。

1.2 設(shè)計(jì)依據(jù)

1.2.1 分層教學(xué)

分層教學(xué)最早來(lái)自于1868年美國(guó)教育家哈里斯的“活動(dòng)分團(tuán)制”，它是在學(xué)生個(gè)體差異之下、適應(yīng)個(gè)性化學(xué)習(xí)需求而產(chǎn)生的。教學(xué)中有統(tǒng)一固定的內(nèi)容，但是每個(gè)學(xué)生由于自身原有知識(shí)基礎(chǔ)、認(rèn)知差異，必定造成他們?cè)趯?duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解、記憶、思維等存在不同。教師采用不同的教學(xué)深度、廣度，從而使每個(gè)學(xué)生都在原有基礎(chǔ)上獲得提高。由于我們的授課對(duì)象存在初中、高中明顯的年級(jí)差異，在分層中我們強(qiáng)調(diào)“目標(biāo)分層，異步達(dá)標(biāo)”。合理的分層教學(xué)，在考慮了平等、遞進(jìn)、個(gè)性與全面相結(jié)合之后，更有利于學(xué)生按照自己的進(jìn)度去達(dá)成自己所能“夠得著”的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

1.2.2 非線性需求性教學(xué)

建構(gòu)主義誕生之后一直強(qiáng)調(diào)搭建知識(shí)與真實(shí)問(wèn)題情境的聯(lián)系。因此，非線性教學(xué)強(qiáng)調(diào)了要打破固定的知識(shí)框架，讓學(xué)生參與到STEM多變、偶然、真實(shí)的項(xiàng)目情境中，去激發(fā)他們解決問(wèn)題的欲望。這正是創(chuàng)意機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐的理念之一，在具體的教學(xué)內(nèi)容上我們不再簡(jiǎn)單停留在靜態(tài)的知識(shí)面上，而是在真實(shí)、動(dòng)態(tài)的實(shí)踐。在真實(shí)具體的情境中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)新的問(wèn)題不斷產(chǎn)生，有了新的學(xué)習(xí)需求，需要在教師的輔助之下不斷地補(bǔ)充新知識(shí)，加速自我建構(gòu)并提升能力。

1.3 活動(dòng)主題和對(duì)象

1.3.1 活動(dòng)主題

一級(jí)主題：有效的實(shí)現(xiàn)多階段學(xué)生同時(shí)參與機(jī)器人教學(xué)方法

二級(jí)主題：構(gòu)建有梯度的教學(xué)非線性教學(xué)配套資源

1.3.2 活動(dòng)對(duì)象

根據(jù)學(xué)校的條件，我們向初高中年級(jí)發(fā)起了培訓(xùn)班的報(bào)名，召集了來(lái)自初二年級(jí)和高一年級(jí)各12人，共組成了6個(gè)隊(duì)伍開(kāi)展培訓(xùn)。

初步具有一點(diǎn)的探究精神，會(huì)嘗試?yán)斫猬F(xiàn)象的本質(zhì)，有理解原理的意向。性格上比初中生較沉穩(wěn)，步步為營(yíng)。但相對(duì)來(lái)說(shuō)缺乏了創(chuàng)新的意向和冒險(xiǎn)精神。

由于學(xué)生階段的明顯差異，在教學(xué)過(guò)程中要善于引導(dǎo)他們發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，縮小短板。對(duì)于基礎(chǔ)的、工具型的知識(shí)可以同時(shí)學(xué)習(xí)，對(duì)于擴(kuò)展性強(qiáng)有明顯知識(shí)斷層的內(nèi)容以示范或補(bǔ)充的形式進(jìn)行個(gè)別的教學(xué)（通過(guò)非線性的需求性教學(xué)，最終補(bǔ)全學(xué)生完整的知識(shí)體系。

1.4 特點(diǎn)和創(chuàng)新性

1.4.1 特點(diǎn)

面對(duì)多階段學(xué)生同時(shí)參與機(jī)器人項(xiàng)目，我們發(fā)現(xiàn)雖然學(xué)院來(lái)自于不同的階段，基礎(chǔ)不一，但通過(guò)自主報(bào)名的方式召集的學(xué)生對(duì)活動(dòng)本身都有著濃厚的興趣，愿意自動(dòng)嘗試在活動(dòng)中接受新知識(shí)并且目標(biāo)明確。所以在開(kāi)展這一情況的教學(xué)時(shí)要強(qiáng)化學(xué)生動(dòng)機(jī)、目標(biāo)方面的優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)機(jī)器人項(xiàng)目的學(xué)生和知識(shí)點(diǎn)分析，我們發(fā)現(xiàn)雖然不同階段的學(xué)生的水平以及學(xué)習(xí)基礎(chǔ)能力有較大的差異，但總體知識(shí)技能大多數(shù)是初中階段的學(xué)生可以掌握的，而高中和大學(xué)階段的知識(shí)也屬于入門(mén)程度，可以通過(guò)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)引入簡(jiǎn)化教學(xué)難度來(lái)達(dá)到完成項(xiàng)目的程度。

總體的實(shí)踐活動(dòng)，采取目標(biāo)引領(lǐng)，分層教學(xué)。以初中基礎(chǔ)知識(shí)來(lái)引入新的知識(shí)點(diǎn)，對(duì)于提高級(jí)別的知識(shí)點(diǎn)先普及基礎(chǔ)術(shù)語(yǔ)和概念再根據(jù)需求進(jìn)行教學(xué)，對(duì)于部分無(wú)法掌握的可以通過(guò)簡(jiǎn)化案例以及小組之間的模仿來(lái)側(cè)向強(qiáng)化學(xué)習(xí)。

1.4.2 創(chuàng)新性

（1）創(chuàng)設(shè)情境激發(fā)學(xué)生的求知欲，分設(shè)目標(biāo)增強(qiáng)學(xué)生的成就感

①為了確保教學(xué)的有效性，我們首要是引導(dǎo)學(xué)生的良性動(dòng)機(jī)和保持求知欲。而對(duì)不同階段不同能力的學(xué)生，我們就要準(zhǔn)確界定他們的個(gè)體差異為他們指定符合他們學(xué)習(xí)生長(zhǎng)點(diǎn)的目標(biāo)。

在進(jìn)行本次培訓(xùn)的第一課，引用了大量無(wú)人駕駛的視頻前景和現(xiàn)狀的介紹就是為了以前沿新技術(shù)的標(biāo)志來(lái)吸引學(xué)生，在通過(guò)本次競(jìng)賽項(xiàng)目與真實(shí)的無(wú)人駕駛對(duì)比，證明該項(xiàng)目對(duì)無(wú)人駕駛技術(shù)的學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識(shí)，通過(guò)這個(gè)簡(jiǎn)短的介紹讓學(xué)生萌生學(xué)習(xí)該知識(shí)的強(qiáng)烈意向并樹(shù)立起完成學(xué)習(xí)項(xiàng)目整體目標(biāo)。

②對(duì)于不同階段的學(xué)生，除了會(huì)考慮用大多數(shù)學(xué)生能夠理解的方法解決新知識(shí)的傳授以外，更側(cè)重于根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知能力設(shè)定目標(biāo)，最基本的目標(biāo)指向于該項(xiàng)目能最終實(shí)現(xiàn)，所以對(duì)于能力較薄弱的小組，在搭建過(guò)程中，我們會(huì)減低學(xué)習(xí)的進(jìn)度、適當(dāng)目標(biāo)的難度或提供一個(gè)固定的方法供學(xué)生參考，但對(duì)于能夠理解的學(xué)生，會(huì)圍繞自主學(xué)習(xí)、小組合作學(xué)習(xí)的方式讓學(xué)生攻關(guān)每一個(gè)目標(biāo)。

本項(xiàng)目要求機(jī)器人通過(guò)有限數(shù)量的門(mén)電路實(shí)現(xiàn)巡線、遇障停車、遇紅燈停車、終點(diǎn)停車等任務(wù)同時(shí)實(shí)現(xiàn)。很明確，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多一個(gè)功能，體統(tǒng)難度將指數(shù)倍提升。在學(xué)習(xí)初期，我們務(wù)必保證所有學(xué)生能理解巡線這一最根本的功能。接著，要求高中的學(xué)生要求除了重點(diǎn)停車意外的功能要同時(shí)實(shí)現(xiàn)，而初中的學(xué)生，我們要求先讓他嘗試巡線與與遇障停車同時(shí)實(shí)現(xiàn)作為他們的目標(biāo)，再考略高中的要求。對(duì)于能完成高中要求的學(xué)生在思考所有功能如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)，此時(shí)也遇到了該項(xiàng)目最大的問(wèn)題之一“門(mén)電路不夠用的”。通過(guò)分層次分階段地任務(wù)目標(biāo)調(diào)節(jié)了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，保持學(xué)生學(xué)習(xí)的挑戰(zhàn)性與成就感對(duì)學(xué)習(xí)的效果是起到重要的貢獻(xiàn)。

初中階段的問(wèn)題：嘗試實(shí)現(xiàn)一個(gè)用一個(gè)輸入信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)與停。

高中階段的問(wèn)題：嘗試用簡(jiǎn)單的控制方法實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)和停。

學(xué)生通過(guò)提供的任務(wù)，以及指引性材料，進(jìn)行小組內(nèi)研學(xué)。最后進(jìn)行組間輪流展示形式相互印證所掌握知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)的有效性。

3.3 后續(xù)懸念引導(dǎo)法

注重知識(shí)見(jiàn)的關(guān)聯(lián)，便于學(xué)生發(fā)現(xiàn)知識(shí)的深層價(jià)值，提升學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的興趣。在教學(xué)過(guò)程中，要側(cè)重知識(shí)之間的相互關(guān)聯(lián)，通過(guò)教學(xué)策劃編排好教學(xué)內(nèi)容的次序性，能確保教學(xué)的流暢和高效率運(yùn)行。從前文提供的教學(xué)涉及內(nèi)容分析和教學(xué)材料的編排，都是根據(jù)項(xiàng)目在完成到一定階段會(huì)出現(xiàn)的新問(wèn)題而設(shè)定的，這是符合人認(rèn)知問(wèn)題的規(guī)律：實(shí)踐——認(rèn)識(shí)——時(shí)間。

這次培訓(xùn)我們合理的利用知識(shí)之間的關(guān)系對(duì)教學(xué)進(jìn)行編排，確保每一段活動(dòng)與前后存在著必然的承上啟下的關(guān)系，激起了學(xué)生對(duì)后續(xù)學(xué)習(xí)的迫切需求。這種方法明顯有利于保持學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

譬如，在本次項(xiàng)目中，學(xué)生剛學(xué)會(huì)了如何判斷黑白巡線的方法，在場(chǎng)地測(cè)試中馬上產(chǎn)生了迫切需要解決虛線巡線的需求。我們給予了學(xué)生一個(gè)簡(jiǎn)單的提示：“一個(gè)紅外傳感器不夠可否多用幾個(gè)”。學(xué)生就產(chǎn)生了對(duì)下一次內(nèi)容的熱切期待。確實(shí)下一次學(xué)習(xí)學(xué)生的精神狀態(tài)非常高昂，響應(yīng)效率高。學(xué)生通過(guò)提示預(yù)先的自我嘗試，也讓講解該內(nèi)容的一些難點(diǎn)變得容易理解。

4 實(shí)施流程

4.1 準(zhǔn)備階段

4.1.1 梳理項(xiàng)目知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)行等級(jí)歸類

根據(jù)本屆創(chuàng)意機(jī)器人競(jìng)賽項(xiàng)目需求列舉學(xué)生在競(jìng)賽中需要掌握的知識(shí)、技能及方法。

4.1.2 編排課程進(jìn)度，準(zhǔn)備好教學(xué)資源

基于上述學(xué)生需要學(xué)習(xí)的內(nèi)容，我們把培訓(xùn)課程定為一周的時(shí)間，主題以“無(wú)人駕駛”基礎(chǔ)套件的實(shí)現(xiàn)為載體，開(kāi)展上述內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

4.2 教學(xué)階段

按照計(jì)劃，我們的教學(xué)是3課時(shí)一段，共7段進(jìn)行教學(xué)。把上述內(nèi)容安排在7段的學(xué)習(xí)中。

5 教育效果

從教學(xué)教過(guò)來(lái)看，本次持續(xù)7天的培訓(xùn)，6個(gè)小組都能夠完成“無(wú)人駕駛”的所以設(shè)定項(xiàng)目，并懂得利用LINKBOY編寫(xiě)一個(gè)具有創(chuàng)意功能的應(yīng)用，完成了預(yù)設(shè)的教學(xué)任務(wù)。從學(xué)生學(xué)習(xí)情況分析，初中階段的學(xué)生更喜好結(jié)果性的學(xué)習(xí)，過(guò)程性的原理方面的教學(xué)對(duì)于他們的水平的認(rèn)知依然有一點(diǎn)的超前，但通過(guò)合理的課程編排，學(xué)生能保持學(xué)習(xí)的積極性，最終能理解新知識(shí)技能的基礎(chǔ)要求。高中的學(xué)生有較強(qiáng)烈的尋根究底的表現(xiàn)，他們寧愿降低進(jìn)度也要把新知識(shí)認(rèn)識(shí)透徹才進(jìn)行進(jìn)一步的學(xué)習(xí)，所以在教學(xué)過(guò)程中，微課異步學(xué)習(xí)的方法值得提倡（允許學(xué)生利用學(xué)生電腦錄制老師的教學(xué)演示）。從學(xué)生的角度編排教學(xué)順序，強(qiáng)化需求性;分層分階段的學(xué)習(xí)能的方法是有效的。

6 推廣價(jià)值

本案例通過(guò)在我校的初期實(shí)施，教學(xué)效果良好，學(xué)生反饋較佳。且本案例有相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計(jì)、課件、程序等資源，內(nèi)容豐富詳實(shí)。對(duì)學(xué)校、場(chǎng)館的硬件要求不高（套件與機(jī)房）、課時(shí)設(shè)置較為合理，在推廣上比較容易實(shí)現(xiàn)。

（作者單位：廣東省廣州市第四中學(xué)）