檸條文化背景下的機器人課堂仿真教學策略研究

魏邦軍

隨著人工智能作為一門新興的技術課程進入校園,很多地區的學生已經接觸到了前沿的知識和技能。但是部分偏遠地區的農村學生卻可望而不可即。如何能讓他們也體會一下先進的課程,縮小教育的差距,部分農村小學將“仿真機器人”單獨列入了課表,作為課程在四、五、六年級開設起來。“機器人”就是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器叫機器人。既有機器人的功能,又針對教學目的專門設計了相關功能的機器人叫教學用機器人。仿真機器人也稱為虛擬機器人,就是用計算機中的相關軟件來模擬真實機器人和環境而進行的操作和練習,從而對學生進行技能訓練的一種教學方法,也是一種將理論與實踐結合的新教學手段,如何更好地開設這門課程,在很多農村小學是一個空白。這里我們以榆中縣呂家峴小學的探索過程為例闡述所獲得的經驗和做法。

一、 機器人仿真教學的價值所在

機器人仿真教學是在缺少資金的情況下利用電腦軟件進行模擬機器人的一種教學形式,這樣可以讓信息科學的課程標準能夠在農村執行下去。讓這些大山中的學生和城市的學生一樣可以接觸到機器人、人工智能等先進的東西,從而進一步彌補童年時代的空缺。

機器人仿真教學的實施能進一步完善農村小學綜合實踐課程的教學,更好地實施國家的三級課程體系。在沒有機器人仿真教學的時候,農村小學的綜合實踐課除了種植養殖和手工制作外,再也沒有一方的天地。機器人仿真教學的引入不僅讓農村的學校的課程體系內容豐富,而且還有了先進科技的味道,也有助于農村學校品牌化、特色化的發展。

機器人仿真教學其本質就是編程思維培養。能夠培養學生對機器人的濃厚興趣,從而提升學生的信息化素養,提升他們解決問題的能力。在農村小學的兒童當中其實編程思維還是很少被發掘和培養的。我們可以通過本課程的教學讓農村學生的編程思維得以開發,甚至成為發現農村編程方面的特殊人才的有效途徑。

二、 機器人仿真教學的策略探究

(一)利用榆中縣呂家峴小學檸條校園文化課堂理念來武裝仿真機器人課堂

第一,檸條校園文化課堂理念精髓深刻,值得探索貫穿機器人仿真教學自始至終,其中可指導課堂理念形成的重要思想如下:

校訓:向下扎根 向上攀登

校風:人人努力 合作共贏

闡釋:

校訓:檸條正因為能在艱苦的環境中生根發芽,能夠展現生命力的旺盛,與它向下扎根,向上攀登有著密切的聯系。向下扎根就是腳踏實地、不斷學習、提高自己;向上攀登不僅僅是學習文化知識,更重要的是學會做人的道理。

校風:檸條所體現出來的根連根、枝連枝的團結精神,才能抵御風寒。全校師生要具有檸條精神,團結一致,不管做什么事情都能有合作精神,團隊意識。

第二,在校園文化理念的引導下形成了檸條課堂文化的軸心理念,將成為學校仿真機器人課堂設計和教學的思想依據。其具體內容為:檸條面對惡劣的環境和有限的成長資源,有一種叢生的理念。在叢生中便于協作成長,實現自我成長的超越和對外環境競爭的超越,從而實現自己生命成長的價值。這種發展思路也適合我們的課堂,從而造就了我們檸條課堂的軸心理念:叢生(小組)——協作(合作)——超越(競爭)——價值。其中,叢生是基礎,協作和超越是必要環節,價值是導向。價值是這組軸心理念中的重要內在因素,把握好這一理念,才能在其他理念的應用中有所收獲。

叢生理念應用在教學課堂上,就是小組教學。這樣小組就是學校或班級實現教育教學以及評價的機構和功能的基本單位。從學生層面上講,小組是為了共同的發展目標,由學生組成的、有組織、有文化、有特色的有機教育教學實體,像檸條一樣共同叢生,便于集中大家的力量來解決相對困難的問題和任務。同時,小組成員之間也可以相互關照,實現多對一的幫扶工作。我們的檸條娃就是叢生中的一株株檸條,只有在一叢檸條中,得到小集體的關照,共同協作。在資源匱乏的條件下,像其他個頭較大,生長環境較好的植物一樣成長起來。因此我們的課堂必須注重對檸條娃的栽培工作,其方法也類同于檸條的栽培。

價值是主體(小組)有意義的行為心理過程。我們的檸條的發展是有其實實在在的價值的。它不像盆栽花一樣,僅僅為了長得好看;也不像參天大樹一樣那樣壯觀而顯得高傲。這是因為它們生長在資源匱乏的環境中,它們的生命所需要的“水分”來之不易。所以,它們生命的每一步都必須有價值實現,它們活動的每一點都要在有限的資源空間中展現價值。我們的檸條娃在學校成長的過程中,由于成長的環境和檸條是一樣的。面對貧困的家庭條件,面對學校有限的教育教學資源,我們在學校的每一節課,每一個活動都要有追求的價值。所以我們的檸條課堂要有明確的價值導向和指標。從而教會檸條娃學會追求價值,學會利用有限的資源追求更大的學習或成長的價值,不要浪費我們生命和生活中的有效資源。為了操作方便,我們在檸條課堂的管理中采用教學幣制度,建立檸條幣系統,實現價值的定性和定量管理。

協作(合作)是主體(小組)對內部的可控資源實現有效整合、共享、利用、加工,使得主體及主體內部協調發展,從而追求價值增量的行為。檸條的成長,正是在叢生的基礎上,實現合理的枝根分布。有的根從遠處汲取水分,有的分布在近處。有的枝分布在邊緣阻擋風沙和阻擋牲口的嚼食,有的分布在中間接受陽光得到保護和成長。我們的檸條娃小組也是一樣的,在小組內部要有合理的分工,要有合理的關照,小組內發揮各成員的有利條件和長處,為小組謀資源、謀發展,實現小組的共同發展。比如在作業方面,我們分為三種作業類型,即目標作業、過程作業、貢獻作業。目標作業表現為學生完成了什么目標,如學會了什么,背會了什么,獲得了什么技能;過程作業,即學生完成了什么過程,如讀了一遍書,完成了什么具體任務等;貢獻作業,即在學習過程中為小組做了什么樣的貢獻,比如完成了對某個成員的幫扶工作,又如完成了對小組作業的共同檢查校對任務等。

超越(競爭)是主體(小組)在活動過程中與參照標準相比較,從而實現達成價值增量而進行的有目的、有組織的行為。這里的參照標準可以是自我,也可以是其他主體,同樣也可以是一個具體的任務管卡。生長在山坡或沙丘上的檸條這兒一叢,那兒一叢。它們并不是所謂的年年歲歲如此,而是在不斷地遙相呼應,競爭發展。它們自我與過去比較,也與其他比較,它們總是在給人們展示最強的生命力。所以比賽和超越也是檸條娃教育教學課堂管理的一種有效形式。在教育教學管理中,我們要進行各小組的比賽。有了競爭,就給小組注入了活力,從而進一步促成了小組自我超越促成和發展。這種超越機制不僅有利于實施教育教學管理,更為重要的是給檸條娃注入了超越的意識,有利于他們快速地成長,也能使得他們將來能夠更快地融入這個競爭型的社會打好基礎。

檸條娃的成長充滿了感人的故事,我們這里的檸條娃不僅在學習過程中展現檸條娃課堂的理念,而且在學習中也以檸條相關游戲為情景進行活動,從中獲得游戲的樂趣。他們寄樂于學,爭取檸條幣,組建最美檸條小組,成了他們課余的話題。這樣,形成了一個大的情景教育的理念,這又是情景教學法濃濃的一筆色彩。

第三,在檸條課堂理念指引下,我們設計了機器人仿真課堂

在檸條課堂理念下,我們的機器人仿真課堂就是幾個學生共同合作,利用一臺計算機共同探究仿真機器人。他們利用小組合作的方式完成相關編程任務后,在小組之間實施比賽,比賽之后再進行總結經驗,然后再向更高的目標出發。

(二)精心設計學教素材,控制有效的學習難度

最近發展區理論給我們的啟發是:為確定的目標而選取的學與教的材料與學生的認知發展水平成合理的距離時,讓學生跳一跳摘到桃子,效果是最好的。為此,農村學校作為一門校本實踐課程開設機器人仿真教學,就要根據學校實際情況制訂課程綱要和選擇學與教的素材。因此設計學與教的素材是十分必要的,關乎仿真機器人課堂教學的成敗。所以素材的選擇應遵循以下原則。

第一,因為仿真教學是一種特殊的軟件教學,所編寫教材中應詳細介紹軟件的操作。比如,圖形化編程界面和仿真運行環境界面的每一步操作都要詳細地列舉。

第二,素材中選擇簡單的案例要便于學生模仿,甚至學生稍做改變參數修改就可以形成一個新的案例。在運行和修改的過程中,再改變一下又成了新的作品。這樣便于學生有成功的體驗,在這個過程中自然而然地就學會了內容。

第三,練習素材及任務應該從簡,去掉多余的內容。比如,在教學機器人唱歌環節中,僅讓學生做一個唱do、re、mi的練習,不要增加其他的練習內容,以便讓本次訓練達到零基礎的要求。進一步練習時,可做成向前走100,唱do、re、mi。或做成向右轉唱do、re、mi。這樣使得學習的內容比較簡單,從而就會學得比較輕松,從而實現相關的目標。

第四,對于較難的練習內容應選擇填空式的練習。這里仍然以機器人唱歌的練習來說明,比如,在完成一個向前走唱歌,轉向唱歌的程序時,應該先下發程序中的部分內容,然后由學生補充填空,這樣就能夠降低學生學習的難度。

設計好了素材我們就成功了一半。一堂課中素材的精選與設計,不僅關乎一節課的時間控制,學生練習的完成情況,還關乎一節課目標的達成。

(三)搭建良好三系統,創建有效學與教環境

仿真機器人教學,就是利用信息技術環境,模擬智能機器人的課程,其實質就是一個特定內容的信息課。為了能夠有效實施仿真機器人的課堂教學活動,我們經過多次實驗,創造了相關課堂模型。因為其具體的流程分為準備環節、練習環節、評價環節,習慣上稱之為三系統課堂。

第一,練習系統。現代農村學校一般都配有微機室,并且將教師機與學生機連成局域網,在此基礎上安裝上電子教室軟件。這樣就集成了學生練習演示,教師演示指導和督促的一個平臺。上課時再下發給學生的練習文件夾,學生就可以做大量的練習與實踐了。這就具備了一個練習系統,通俗的講就是我們一般意義上的微機室系統,現在的學校都能夠滿足這個硬件要求。

第二,準備系統。教師在教學之前要充分地做好相關的準備,其相關的軟硬件綜合,我們稱之為準備系統。準備系統包括軟件和硬件兩個方面。軟件方面包括小組建設和前期的知識準備。硬件方法包括機房系統和投影ppt等。當然也可以是教師用于給學生展示知識和練習提示的ppt等。這樣,教師可以展示相關教學內容和學生特別出色的作品。讓練習和評價有基礎,其效果才能夠充分地體現出來。

第三,評價系統。能夠讓學習達到最大的效益,我們構建了及時評價學練的效果的評價系統。評價系統包括評價的制度、評價的方式方法、評價的策略和評價結果的記錄。這里狹義上的評價系統是指記錄評價和展示結果的載體系統。對于其具體的實施我們可采用小組課堂計分表、小組積分軟件、優秀作品展覽墻等方式來進行。

(四)采用冰糖葫蘆式的環節使得課堂生態化

仿真機器人的學習過程實質就是圖形化編程,對于學生來說,是一種陌生的東西。因此,農村小學開展仿真機器人教學在知識接受上存在一定的困難。但是,農村學生對機器人這個新事物充滿著好奇和那股強有力的模仿力。在這種學情下,讓學生放小步子一個獨立環節接著一個獨立環節的方式進行學習,能夠降低學習難度,從而實現其向前發展。

首先,作為機器人仿真教學,編程和模擬實驗都要在電腦環境下進行,每節課40分鐘都要眼睛和顯示器交互,這樣特別不利于眼睛的健康。所以分成幾個段,每個段中都有不同的形式活動,有利于眼睛等器官的調節。其次,學生的注意力一般在10到20分鐘左右,分段做不同的活動,可以有效地將注意力集中到每段中,提高學習效率。再次,由于仿真編程較難,所以學生學習起來容易忘記教師的講解和演示。采用該種結構縮短了講和練之間的時間達到及時練習的目的,解決了以往課堂結構中由于講練時間過于集中而學生忘記老師講的內容。運用練習系統和準備系統可以實現同步模仿練習的效果。最后,機器人解決問題的過程實質就是一種挑戰過程,如果運用冰糖葫蘆式的結構,顯然給學生一種關卡式的感覺,這一節課就有了闖關的趣味性。

(五)以賽促學既對學生課堂學習進行評價反饋,也可以豐富校園科技生活內容

為了激發學生對仿真機器人的學習興趣,豐富學生綜合實踐活動內容,提高學生的信息化素養,展示綜合實踐活動成果,要定期舉行學校級別的仿真機器人大賽。

大賽可分為興趣組和大眾組進行分別比賽和頒獎。參加仿真機器人社團的學生必須報興趣組參賽,不得參加大眾組的比賽,但非社團的成員可以報興趣小組參賽。各個組別的難度要有所調整。例如,大眾組比賽任務可為:走正多邊形(比賽現場從正三邊形到正九邊形中抽取一個題目),其具體打分標準為:軌跡封閉(2分),邊數符合要求(2分),角度規范成多邊形(3分),交卷序號(計分方式(31-序號)/10。興趣組比賽內容可為:走出房間,其具體打分標準為:是否有碰撞檢測和循環過程(2分),出發點是否到位(2分),走出時間(20-時間分鐘)/5。

我們可以把比賽活動作為教學活動的一個整體來進行,也可以作為學校科技節的一部分來執行。這樣,不僅展示了教學的成果,給學生一段時間學習結果的反饋,還可以給在校的學生提供一次科技的盛宴,讓農村學生的童年和城市學生的童年一樣高大上而精彩。

三、 機器人仿真教學的反思

畢竟仿真機器人不如實物機器人那么用起來有真實感,所以我們在教學實施的過程中一定要注意創設情境的重要性。長期使用電腦對學生的視力也有一定的傷害,所以在教學過程中要注意勞逸結合。農村仿真機器人教學剛剛起步,尚屬星火之舉,今后的道路艱難,要盡最大的努力,尋求更多的參與者和愛好者,為農村學校機器人仿真教學的探索盡綿薄之力。

隨著近年大量仿真機器人軟件的大量開發,如騰訊扣叮虛擬機器人、鯨魚虛擬機器人的出現,仿真機器人的步伐越來越大,為今后的農村仿真機器人教學開拓更為廣闊的天地。