中學機器人社團課教學模式設計與實踐
——《風扇的制作》為例

申杰，秦健

(陜西師范大學教育學院，陜西西安710062)

1 引言

人工智能、物聯網、大數據的浪潮勢不可擋。可以預見的是，未來的社會一定是智能化的、強調創新的。這就對我們培養的人才提出了新的要求，今天的教育體系所培養出的“學科分割”的人才還能否適應未來的社會？

2017年7月，國務院關于印發《新一代人工智能發展規劃》通知中，中國到2020 年人工智能技術和應用與世界先進水平同步，提倡在中小學階段設置人工智能課程，普及推廣編程教育。

2018 年4 月，教育部發布了《教育信息化2.0》，其中“智慧教育創新發展行動”強調要加強智能教學助手、教育機器人、智能學伴等技術的研究、應用。

2019年11月，教育部《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》中指出，注重加強實驗教學與多學科融合教育、編程教育、創客教育、人工智能教育、社會實踐等有機融合。

2020 年7 月，教育部印發《中小學勞動教育指導綱要(試行)》通知中，提出將提高創意物化能力列為勞動教育要求之一。

從上面的政策文件可以看出，近些年來國家十分重視科技創新，隨著政策的不斷發布，越來越多的學校開展了科創教育，其中機器人教育是一種較受歡迎的模式。機器人教育是一種典型的跨學科教育，融合了機械電子知識、力學知識、算法程序知識，同時它又是面向真實情景的一種學習，學會解決生活中的問題。

2 機器人教學現狀

2.1 傳統教學模式

國內的機器人教育發展歷史并不長久，因此配套的課程內容、教學理念、教學模式并不完善。在基礎教育體系中，機器人教育并沒有明確進入國家課程體系，我國采用的三級課程體系中國家課程、地方課程、校本課程，機器人教育以校本課程為主。缺乏課程標準和專家指導，各學校的機器人教法、學法、種類各不相同[1]。許多教師都是“趕鴨子上架”，不少人還在用傳統的教學方法上機器人課程。講練結合法、任務驅動法、講授演示法。這些方法適合機器人基礎知識內容和簡單技能的掌握，沒有給學生足夠的創造機會和創造空間，也就背離了機器人教育的初心。

2.2 以競賽為主的機器人教學

機器人教育的發展，少不了機器人競賽的助力。機器人競賽能夠激發出學生的學習興趣，培養創新精神、動手實踐能力、工程素養。開設機器人課程的學校大多都會組織學生參加機器人比賽。以機器人比賽為目標開展機器人教學，激發師生教學、學習的激情，形成了機器人競賽的以賽促教模式。在全人教育、素質教育的大背景下，機器人競賽的獎項似乎成了科技強校、重視學生科學素養、創新精神的一種證明。于是各個學校購買各種比賽器材，圍繞競賽任務開展教學。課程完全為比賽服務，而比賽不是所有人能夠參加的，所以只能抓住少數幾個學生來重點培養，這是有位教育公平的表現，機器人教育應當是普適化教學而非精英教育。在機器人教育的發展過程中，機器人競賽確實起到了重大推動作用，但是由于市場監管的缺失，各路資本的涌入，使得市面上出現了各種各樣的機器人。機器人競賽逐漸從學生之間的競賽轉變為機器之間的競賽，不僅背離了機器人教育培養學生動手能力與創新精神的初衷，也使得學校與家長陷入了無止境的內耗中[2]。

3 教學模式構建

3.1 樂高4C教育理念

樂高認為，兒童是天生的好學者，只要加以引導，每個孩子都能成功。樂高將學習過程集體分為聯系(Connect)、建構(Con‐struct) 、反思(Contemplate) 、延續(Continue) 四個階段。1) 聯系階段將新知識與學生已有的知識經驗相聯系，從真實的情境出發，尋求問題的解決方案；2)建構階段，學生通過利用樂高教具搭建可供分享的創意作品，在不斷嘗試、反復、體驗和總結的過程中，同化與順應的認知過程也在不斷發生；3)反思階段，即對建構作品的反思，通過討論、交流發現其中的問題并形成調整方案，也是深化學習的重要階段；4)延續階段，通過上一步的反思激發了新的創意的產生，應用新想法又可以改進或創作一個全新的作品，尋找聯系點，進入下一個聯系階段[3]。四個環節并非一個簡單的線性結構，各環緊緊相扣形成一個動態的循環過程。

3.2 PBL教學理念

PBL 是Porblem-Based Learning 的簡稱,即基于問題的學習。PBL最早起源于美國，Barrows教授認為PBL既可以作為一門課程又可以作為一種過程。作為一門課程，它是由精心設計的問題構成，為了解決這些問題，要求學習者具備自主學習、合作學習、解決問題的能力；作為一種過程，學習者要求學會使用系統全面的方法解決實際問題[4]。PBL教學法起初在醫學教育中應用，逐漸進入到中小學教學中[5]。該教學模式為學生創造真實且有意義的教學環境，學生以小組的方式合作解決實際問題，在解決問題的過程中習得知識和技能，培養科學探究思維、實際問題解決能力。傳統課堂環境下，PBL活動獲取的資源有限，情境創設多是依賴于教師的語言描述，導致學生理解存在困難。

3.3 問題情境教學模式

樂高的4C 教育理念雖然符合學習的認知過程，能夠調動學生的積極性參與到學習中來。但是對于中小學機器人新手教師來講，該模式過于簡練，一時之間不知道如何下手。PBL教學在傳統課堂中存在問題情境創設不足、資源獲取不足的問題，在機器人課堂中可以通過樂高教具來解決。樂高4C 理念其實與PBL教學模式也有內在的聯系。樂高4C理念是一個循環，“延續”之后又是“聯系”，實際上也是通過一個又一個的問題所連接起來的，從“聯系”到“延續”也是問題的解決過程。因此將樂高4C 理念與PBL 教學模式結合起來，提出了問題情境教學模式。將樂高4C 理念細化分為：1)情景引入，激發興趣；2)主動思考，發現問題；3)知識講授，明確原理；4)動手實踐，小組探究；5)結果展示，交流表達；6)答疑解惑，評價總結；7)改進與拓展；8) 遷移與應用。同時將PBL 的理念融合于教學過程中。基于樂高4C理念的問題情境教學模式圖如圖1。

圖1 問題情境教學模式

4 基于問題情境教學模式的教學設計實踐——以風扇為例

4.1 教學目標

本課例以“炎炎夏日，如何舒適度過”這一情境為依托，學生通過學習理論知識和實踐操作，達到以下目標：

知識與技能：齒輪的扭矩、角速度、傳動比等概念；風扇的組成部分與原理；計算齒輪的傳動比，了解扭矩與角速度的關系。

過程與方法：通過“輸入—處理—輸出”的基本模式體會工程思想；通過小組合作學習、解決問題的過程培養問題解決能力和團隊合作精神。

情感態度與價值觀：通過解決實際問題激發學習興趣、建立自信心，提升科學素養，培養勇于質疑、勇于探索的科學態度。

4.2 教學對象及特征分析

本課程以社團課的形式開展，面向的學習者為初中一年級、二年級的學生。他們日常生活中也有豐富的經驗，學習了基礎的物理知識，掌握了一些概念，因此可以從已掌握的概念出發，結合觀察實驗了解相關的知識。學生總體處于較低層次，知識傳授方面傾向于定性地學習。學生每周都有信息技術課程，對計算機有一定的操作能力。通過前期的調查問卷發現學生對樂高機器人都很感興趣，但是接觸得不多，因此風扇的設計上給出簡單的模型。

4.3 教學環境

課程在創客教室開展，配備有5臺裝有樂高EV3mindstorms教師版的電腦，一共5套樂高45544和5套9898套裝，教室內有6張桌子。每張可容納4人，共分為5組。

4.4 教學內容和主題分析

前期已經開展了4 課時的課程，學生對零件有一定的認識，本課例讓學生設計制作一個風扇來降低溫度，是對前面學習的基礎搭建知識總結，也是帶領學生開始學習編程知識的第一步。

4.5 學習工具

LEGO 9898套裝，LEGO 45544套裝。

4.6 教學方法

以樂高4C教學法為基礎，結合問題情境教學模式，以小組協作的方式開展。組內分為搭建手、編程手、答辯手、小助手4名不同角色，組內分工明確。圖2為學生作品

圖2 學生作品

4.7 教學過程

本課例一共分為4個課時，2次課，第一次講授齒輪的相關知識，讓學生搭建出小風扇，并學會計算傳動比。第二次認識觸碰傳感器、LEGO EV3主控和中型馬達，學習使用軟件進行簡單的編程。

表1 第一次課教學過程

改進與拓展遷移與應用依據教師的總結和其他小組的作品對自身進行改進。嘗試使用多個齒輪組加速并計算其傳動比，這里可以用實驗來驗證轉動后面的把手風扇開始轉動，假設傳動比為1:10，也就是說后面的把手轉動1 圈，風扇應該轉動10圈，反過來讓風扇轉動1圈，把手就應該轉動0.1 圈，一圈為360 度，因此可以推算出把手轉動了36 度。可以目測把手轉動的角度估算傳動比是否正確遷移到小車爬坡的情境中，有一個小車動力不足，爬不上山坡，你能利用今天學到的齒輪知識來幫助小車爬上山坡嗎迭代設計，實踐驗證將知識遷移到不同的情境中去。從一個問題到另一個問題，從另一個角度深化知識的學習

表2 第二次課教學過程

4.8 教學評價

采用學生自評、小組評價和教師評價結合。在每節課的最后都會給出本節課的自我評價等級表，該表參考了樂高官方網站上的格式，分為銅、銀、金、鉑金四個等級，分別對應本節課知識的掌握情況；小組評價是以匯報的形式展開，每個小組都要展示自己設計的風扇，并對老師和同學們的問題進行回答，依據作品設計完成度和答辯表現來評價；教師評價在小組匯報之后，對各個小組的作品進行點評，總結優點與缺點，指出下一步改進的方向。

4.9 教學反思

在課程的開展過程中，發現這種貼近日常生活的案例學生很感興趣，學生的生活經驗在風扇的設計方面會有很大的幫助。由于小組剛開始組建，部分學生的團隊意識比較淡薄，還沒有意識到他們要通力配合才能更好地完成任務。相信隨著課程的開展這一問題會逐步解決。

5 機器人教學建議

5.1 在課程內容上的建議

在課程案例的選擇上，盡可能地從學生日常生活出發。選取這樣的案例：一是能夠激發學生的興趣；二是也能利用學生的已有經驗，從舊的知識上增長出新的知識；三是符合PBL 教學中的解決真實情境下的問題。需要注意的是所提出的問題應當盡量做到前后之間有聯系，保證學習的連貫性。問題情景教學的關鍵是提出問題，問題一定在情景中提出，在情境中解決，在情境中遷移。

5.2 在教學過程中的建議

與傳統的課堂不同，在機器人的教學中應當擺正教師位置，堅持學生為主體、教師主導的教學，充分發揮教師的引導作用。要營造一種良好的學習氛圍，允許錯誤的環境，鼓勵學生大膽發言，克服學生的膽怯的心理障礙，充分體現出學生的價值。培養勇于探索、勇于質疑、勇于創新的精神。

5.3 在課程形式上的建議

目前大多數學校以社團課的方式開展機器人教學，社團的優點是學生都比較感興趣，課程比較輕松。缺點是覆蓋面不夠、學生少，也沒有涉及學科知識，導致對機器人課程的重視程度不夠。在實際的教學過程中，發現機器人課程還可以從以下兩種形式開展：

1)配合編程教育，作為載體學習編程知識。現如今，國家要求人工智能以及編程教育要逐步普及到中小學，在未來，編程會像英語一樣是每個人都必須具備的技能。①機器人本身就需要我們對其進行編程來完成各種各樣的任務；②同時將自己編寫的程序使用機器人在現實世界中表現出來，這能給編程教育極強的反饋，會進一步地深化編程教育；③目前市面上比較流行的圖形化編程軟件大都已經適配了LEGO EV3；基于以上原因筆者認為如果開設編程課，可以采用LEGO機器人開展教學。

2)融入學科知識，與學科教師合作完成課堂。機器人并非只能出現在專門的信息技術課堂或者社團課中，像本課例中就涉及了很多的物理學科知識，可以作為物理課的教具來使用。在學生學習抽象知識的時候，實際動手來搭建物理模型，也是一種強化理解的方式。樂高有各式各樣的零件，像齒輪、帶輪、凸輪、滑輪等，完全可以配合物理課來開展教學。

5.4 強化教師培訓

隨著機器人教育的不斷發展，許多學校都開展了機器人教育，但是苦于師資力量不足，開展過程中遇到許多的困難。應該加強機器人教育、編程教育、人工智能教育的培訓。1)這種培訓不能只停留在“我們為什么開展科創教育”的層面，而是要提供給廣大教師可開展的課程，達到“我們應該怎么做”的層面；2)培訓不能是次數少、前后無關聯的，而應該達到前后關聯、多次的培訓。只有這樣培訓才能夠真正地落到實處，起到作用，不至于學校還要從外界聘請機器人教師來開展教學。