信息技術項目化學習教學實踐與思考

秦曉蘭

隨著人工智能的發展，機器人技術已廣泛應用于人們的日常生活與學習，成為人類的助手。機器人技術是集機械、電子、傳感器、計算機、網絡、材料、控制等多學科交叉融合的前沿高新技術，而“機器人技術”又是蘇科版《初中信息技術》的五大模塊之一。因此，以項目化學習的方式開展“機器人技術”模塊的教學，能有效地將科學、工程、數學、計算機等學科知識結合起來，讓學生經歷對真實項目的需求分析、算法設計、功能實現、改進優化、項目創新等一系列“項目生長”的過程，能有效地將知識結構化、系統化，提升其信息技術的核心素養，并將素養應用于真實的社會實踐。下面，筆者以蘇科版《初中信息技術》“機器人技術”模塊中“‘機器人掃地”項目的教學實踐為例，從信息技術項目化學習需用真實問題引發項目需求、用驅動性問題助力算法設計、用工程學思想提升項目質量、用遷移性思維引領項目創新等方面展開論述。

● 用真實問題引發項目需求

真實性是項目化學習的一個重要特征。“真實性”首先是指學生習得的知識和能力在現實生活中是可以遷移使用的，而不是只有在特定課堂中才會使用的虛假知識和技能;其次是指問題解決的思路在現實生活中是可以遷移應用的?！罢鎸嵭浴辈⒉灰髮W生學習活動中的每個要素都必須是生活中現實發生的，而是要看到所學知識與真實世界的某種聯系。這就要求信息技術的課堂教學要從生活中現實存在的問題出發，以生活中的“真實問題”引發項目需求。

例如，在“‘機器人掃地”項目化學習中，面向真實生活，出示情境：環衛工人凌晨3點就開始工作，天天辛勞只為城市清潔;校園保潔阿姨每逢雙休日都要做一次徹底清掃，為我們帶來整潔的學習環境;小紅帽志愿者們犧牲中午休息時間打掃機房，讓計算機遠離灰塵，讓機房干凈、整潔;父母長輩們日夜操勞，煩瑣的家務讓他們累彎了腰……以這些真實世界中的真實場景引發學生對平凡崗位上默默無聞辛勤勞動的人們的尊敬與感恩，在引起共情的同時，自然而然地引出項目需求——設計一個機器人，讓“機器人”掃地，解放重復的人類勞動，提高人們的生活品質。

道路環衛工人、校園保潔阿姨、學生志愿者、父母長輩忙碌的身影等畫面都是現實生活中真實存在的，每個學生都是見證者，個別學生甚至還是參與者，一些學生也許自己就是校園清衛保潔志愿者中的一員。學生平時也許并沒有注意，但是，當課堂梳理出這些情境中共同的關鍵要素——“辛苦勞累”之后，諸如“我們能不能想辦法來幫幫他們呢？”“我們能不能讓機器來代替重復的人類勞動呢？”等問題隨之提出，這樣，項目需求就水到渠成，同時也激發了學生迫切想要解決問題的內驅力。真實問題就如同開啟學生心靈的鑰匙，可以激起學生思維的火花，打開學生思維的大門，引領學生通往知識的殿堂。

● 用驅動性問題助力算法設計

項目化學習是通過驅動性問題引發學生對學科核心知識的思考和探索的。項目化學習關注核心知識，這意味著設計者要提出本質問題，而本質問題往往比較抽象、龐大，初中學段的學生難以接受，所以，將本質問題轉化為有趣、友好的驅動性問題，能更好地激發學生投入探究學習的情感。

我們知道，算法即解決問題的步驟和方法，設計算法是編寫程序的第一步。“如何設計算法讓機器人掃地”這個本質問題太龐大、太抽象，對于機器人模塊的初學者來說，無異容易讓其直接蒙圈。因此，教師需要為學生搭建腳手架，將這個抽象、龐大的本質問題分解為更加友好、形象的驅動性問題——“機器人掃地過程中是哪些部件在運動？”“這些部件的運動方式怎樣？”筆者發現，類似這樣的驅動性問題更容易操作，能引發學生主動觀察機器人掃地時各部件的運動狀態，將無意注意轉變為有意注意，很快，學生便得出了是輪子和掃把在運動的結論。從分析現象入手，學生很快又發現輪子被固定在電機上，在機器人通電以后電機的轉動導致輪子的轉動，進而促使機器人向前行走;而掃把被固定在舵機上，在機器人通電以后舵機的角度變化而導致了掃把的左右旋轉，進而促使機器人完成掃地的動作。如此一來，算法流程圖（如圖1）也就明確了。

驅動性問題引發了學生的高階思維，除了上述主動去分析算法流程之外，它還引發了學生主動的評價——課堂中用來模擬機器人掃地的“OSTD開源機器人”套件并不是真正清理了垃圾，而只是通過機器人前進同時掃把旋轉將垃圾移出了主干道，垃圾只是被移到了邊上角落里，而并沒有被真正清理干凈。如果這個項目要應用到現實生活中，還需要增加簸箕功能，通過吸附等操作將垃圾投入簸箕。學生提出觀點、分析推理、給出證據……驅動性問題本身推動了解決問題和推理技能的應用，同時也激發了學生自己查找信息、學習關于此問題的知識結構以及解決問題的方法。驅動性問題就像在學生心中拋下了一顆小石子，激起了層層漣漪，開啟了學生的心智自由，擴大了思考的范圍，讓學生的心智在各個方向上自由涌動。

● 用工程學思想提升項目質量

工程學思想就是應用數學、科學和技術領域的概念來系統解決復雜問題。工程設計過程大多包括同樣的基本步驟（如下頁圖2）。工程設計過程的本質是迭代性的，即工程師基本上不會在基本步驟中線性地工作，相反，在明確最后設計方案之前，他們在不同步驟之間轉換。同理，信息技術項目化學習也需要不斷地反思、優化、迭代，用工程學思想來提升項目質量。

教師要非常清晰且有意識地強化一個概念，即項目化學習過程是迭代式的，并不是一條由基本步驟組成的筆直路線。在項目化學習中，教師要不斷鼓勵學生重新審視前面的步驟，鼓勵學生對自己項目設計的長處和缺陷進行批判性思考。例如，在“‘機器人掃地”項目中，鼓勵學生對初步完成的掃地項目提出質疑——它不“聰明”，如何改進可以讓“機器人”更聰明呢？學生提出質疑后，教師要鼓勵開放式的討論以拓展學生的思維，組織小組甚至全班的頭腦風暴式的討論與交流，汲取“金點子”，使學生能按照同學們討論后達成的一致方案去優化項目，提升項目的質量。

例如，有的學生提出“讓機器人沿著規定的路線掃地，讓清掃更有目的性”，這涉及循線問題，需要用到循跡（或稱灰度）傳感器;有的學生提出“讓機器人掃地時自動避開障礙物，讓清掃更加智能”，這就涉及避障問題，需要用到超聲波傳感器;有的學生提出“讓機器人分辨污漬、灰塵、紙屑等，讓清掃更有針對性、更干凈”，要實現這一項目功能，需要加入其他更為專業的傳感器……綜合學生討論的成果和學生現有的學習水平，選擇適合學生“最近發展區”的可操作的項目功能進一步優化項目，如避障、循線等。在項目的迭代優化與完善中，學生逐步收獲成功，在“項目生長”的過程中不斷獲得成就感與自信心。

● 用遷移性思維引領項目創新

完成項目功能并不是最終目的，學生能夠進行思維遷移，運用所學的核心概念和思想方法去創新項目、學以致用才是創造力的體現，也是學習的真正意義所在。這也與項目化學習倡導的“終身學習”原則不謀而合。

終身學習原則根植于元認知與探究。元認知即一個人意識到自己的思維并對之進行反思的知識和技巧（Brown，1978;Flavell，1979）?？紤]學生在整個項目開發過程中真正內化學到的東西，當學生清晰地識別出自己理解了“機器人”掃地的過程方法與原理時，他們就可以在現有項目功能的基礎上遷移、創新設計更優的項目方案，為智能生活服務。例如，發現羽毛球訓練場散落的羽毛球，我們可以設計讓機器人來撿球，解放人類勞動（如圖3）。以下為學生在“項目創新”設計中提出的創新點：一是“給機器人追加光線傳感器，如果光線過暗，開啟照明，使機器人能夠在黑暗的管道內掃地，解決人類清掃黑暗管道時的安全問題”;二是“給機器人追加水箱和抹布，如果檢測到頑固污漬，就噴水并啟動‘拖把模式，否則啟動‘掃把模式，讓機器人掃地更干凈”……

在“‘機器人掃地”的項目化學習中，除了讓學生深切體會當今科技的強大以及科技對生活的改變，樹立起崇尚科學、熱愛科學的思想感情，還應當使其辯證地看待“機器人技術”帶來的生產和生活的變革，就如一則公益廣告中所說，雖然“空巢老人”有機器人陪伴，但機器永遠無法取代親情，機器人不能完全代替人。“‘機器人掃地”項目的最終目標是倡導學生發揮聰明才智，讓機器服務于人類，而不是過度依賴機器。