面向未來學校的初中信息技術“高度感知”實踐探索

劉振林

《新一代人工智能發展規劃》明確指出，“人工智能成為國際競爭的新焦點，應逐步開展全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育”。機器人課程包含控制器、傳感器、機器人設計及程序編寫等知識，是涉及學科門類最為廣泛的知識載體。它是一門理論和實踐緊密結合的課程，強調知識的構建性和系統性，機器人教育是培養提升學生創新思維和綜合實踐能力的有效途徑。因此，機器人教育逐步成中小學開設人工智能和綜合實踐類課程的首選。

● 總體設計

混合式教學是指將面對面課堂教學和基于數字化或網絡化的線上學習結合起來，二者優勢互補，從而達到教學效率的提升。基于網絡技術的虛擬機器人課程教學，能有效整合數字化教學資源，非常適合混合式教學模式。

1.課程目標及內容

為充分發揮機器人的教學育人價值，課程目標從三個維度進行厘定：①掌握機器人基礎知識和原理，這里的掌握有三層含義，即正確記憶、正確理解和靈活應用;②在解決場景任務過程中，逐步養成良好的自主學習習慣和運用信息技術解決綜合性問題的能力;③增強學習機器人的興趣和探究問題的熱情，體會戰勝困難的成就感，樹立正確的科學技術觀和較強的信息技術創新意識。

《創新課程·虛擬機器人入門與實踐》的材料包含10個章節、20個任務場景（如圖1），內容由易到難，有理論內容，也有實踐練習。

2.混合式教學的構建

（1）教學環境設計

構建基于IRobotQ網絡機器人教學軟件平臺，部署“高度感知”虛擬的物理任務場景，采用CS部署方式，為“高度感知”線上線下教學提供環境支撐。

（2）教學前端準備

前端準備是對學生的學情進行分析，包括學習機器人的態度、學習習慣和已有知識儲備等。以虛擬機器人課程第五章“高度感知”場景任務為例，學生學習了“新手入門”“循跡踢球”和“方向”等場景任務，已經熟悉了平臺的操作使用，熟悉控制器、驅動電機和常用傳感器、設備的連接和控制，能夠搭建具備一定功能的機器人和設計控制程序。學生對基于虛擬物理場景的機器人課程有著濃厚的興趣，有一定的分析、解決場景任務的經驗積累，同時也存在不足的地方，如從人工智能的角度進行系統性思維的能力偏弱等。

（3）活動及資源設計

活動設計：案例“高度感知”場景任務是使用海拔高度計設計機器人從兩層高的天橋（起點）出發，經過天橋的臺階走到地面終點，即為完成任務，任務場景如圖2所示。要求使用機器人部件的數量不得超過100個，得分規則是機器人完成任務用時越短分數越高，得分高者方案優。

資源設計：利用多媒體技術制作微課，如海拔高度計應用、距離傳感器應用、程序編寫技巧、合理規劃路線等視頻資源。創建QQ學習交流群，為共享“海拔高度計使用說明和高度感知”學習資料、交流討論及學習打卡提供便利。

案例設計 ? ? ? ?“高度感知”教學設計

1.教學目標

知識與技能目標：掌握海拔高度計的功能原理和使用方法;學會使用while條件循環語句。

過程與方法目標：在任務子問題引領下，提升任務流程分析、分解能力;在高度感知任務探索中，掌握利用程序思維方式處理問題的流程方法。

情感態度與價值觀目標：設計機器人完成任務，激發學習機器人的興趣;通過搭建機器人及設計程序，體會編程的思維方式和戰勝困難的成就感。

2.教學重難點

重點：利用while條件循環語句，控制機器人行走線路。

難點：海拔高度計和距離傳感器的綜合設計運用。

3.教學流程（如圖3）

4.教學過程

（1）課前：組織學生線上自主學習

①環節1：設計任務，準備資源，發布自學任務。

結合“高度感知”任務場景，設計任務描述及任務要求，準備視頻學習資源、課程材料、平臺配套的海拔高度計使用說明文檔等資源包;通過QQ學習交流群，發布學習任務，共享學習資源包;學生明確任務要求，設計任務方案，搭建下樓機器人，編寫控制程序并測試效果。

設計意圖：明確任務目標，使用好學習資源是學生有效自主學習的首要前提。教師充分考慮學生的學習特點，設計資源做到精而不泛。策略是將系統性不強的知識內容（如案例中的海拔高度計原理及應用）濃縮為精簡文案或短視頻，其視頻長度控制在3～5分鐘，綜合性思路方案視頻講解長度控制在10分鐘為宜。

②環節2：圍繞子問題深入討論，分解任務。

在學習交流群內，教師依次發布子問題：“機器人從起點到終點需要完成哪些動作？”“怎樣讓機器人知道什么時候走完第一段階梯？”“在算法分析中，利用while條件循環指令判斷是否結束了第一段階梯？”“任務中設計機器人需要使用哪些零部件？”“海拔高度計有哪些功能屬性及常應用于哪類場景？”引導或邀請學生參與討論，并在學習群內提出自己的疑問或分享學習體會。

設計意圖：學生在子問題的引導下利用已有知識和經驗，采用知識遷移等學習技巧研究新內容，逐步設計機器人下樓梯方案。在線上互動過程中，教師及時回復學生提出的疑問，對學生分享及時給予表揚，引導其他學生參與互動討論。期望通過線上學習、討論，學生能形成如圖4所示的較為明確的任務分析框架。

③環節3：積極引導，打卡線上任務。

完成機器人設計并測試其任務完成度，填寫設計方案表，記錄困惑與收獲并提交，完成自學打卡。

設計意圖：教師將學生作為學習主體，指導學生完成線上任務后在學習群內打卡，教師通過分析學生提交的方案提煉疑難點，實現與線下課堂教學的有機融合。[1]

（2）課中：解疑答惑、成果展示

①環節1：解疑答惑、優化機器人設計。

圍繞學生在自主學習過程中遇到的問題、課內重難點部分及課堂中生成性問題，師生進行深入拓展討論。

設計意圖：課堂教學重點放在指導學生深挖知識背后的內在關系，幫助學生掌握重點、突破難點。使學生內化所學知識，指導學生優化設計方案。

②環節2：學生交流展示。

學生演示自己編寫的程序，分享編程經驗。在學生方案成果交流展示等過程中，教師結合重難點，有效地進行引導和點評，進一步引導學生內化知識，優化設計方案。

設計意圖：優化調試是設計機器人、程序編寫的一個重要環節，讓學生不斷調試、完善設計方案，使其體驗機器人編程特有的樂趣。

③環節3：任務總結。

引導學生復習鞏固“高度感知”任務解決流程：發現問題、分析問題;通過分析，設計任務解決方案;具體實施，驗證能否解決問題;完善方案，解決任務。

學生回顧總結：每個步驟做了什么，涉及哪些知識點。

設計意圖：梳理任務解決流程，鞏固機器人知識原理，其中包括海拔高度計、編程語言、控制系統設計等知識，設計方案完成機器人下樓梯任務，實現低層次認知理解到高層次的辨別、討論、設計創造能力的培養，達到提升教學質量及人才培養的目的。[2]

（3）課后

學生根據教師重難點講解及部分同學的展示，優化個人的設計方案并測試性能，再次提交設計方案。

5.任務評價

課程評價采用過程性評價與交流展示評價相結合的綜合性評價方式。其中，過程性評價占50%，學生需要線上自學完成后打卡并提交設計方案;展示交流部分，師生給出的評價（含學生自評）占50%。任務評價本著對學生學習行為的激勵和導向功能，應盡可能全面地了解學生的學習狀況，引導學生的學習行為，讓學生由“學會”到“會學”再到“創意”。

● 小結

教學實踐表明，初中機器人課程采用線上線下混合的教學模式，借助IRobotQ網絡虛擬機器人教學平臺，面向多數學生開展機器人教學符合學校需求，是一種有效的教學組織方式。自課程開展以來，學生的機器人知識、綜合創新實踐能力都有不同層次的提升。

參考文獻：

[1]劉娟娟，周雪涵，徐舜平，等.鄉村中學翻轉課堂實施需要考慮的幾個方面[J].教育研究與評論（中學教育教學），2017（10）：95.

[2]劉巖，于洋，劉睿，等.基于虛擬仿真平臺的線上線下混合式教學改革研究[J].教育教學論壇，2020（36）：385-386.