初中机器人问题解决式教学模式实践

2020-02-10 04:02:35 中国信息技术教育 2020年1期

薛奇秀

机器人教育受到了国内外教育界越来越多的重视,目前全国已有逾万所学校开展了机器人教育,对于基础教育领域而言,竞赛模式或兴趣小组模式依然占据绝对的主导地位,普及性的机器人教育亟待发展。我们尝试了问题解决式教学模式,发现有良好的实践效果。下面,我就结合《机器人的智能行走》一课来阐释问题解决式教学模式的具体操作过程。

初中机器人问题解决式教学模式的教学流程

图1即本研究提出的初中机器人问题解决式教学模式的教学流程,该教学设计框架是在相关理论支撑下设计,并经过几轮实践经验的修改而完成的,它包含了“创设情境、激趣引入,新课讲授、构建新知,突破难点、进阶提升,总结归纳、提高升华”四个过程。“创设情境、激趣引入”这个环节,通常使用的方法为基于生活情境的引入,如“碰碰车”“智能跟随行李箱”等;基于问题对比的引入一般是在同一个主题内容的第二节课应用,多用于引入更深入、更复杂的问题解决。“新课讲授、构建新知”和“突破难点、进阶提升”是两个连续的问题解决的过程,它既可以是一个大问题的进阶的不同阶段,也可以是两个独立的但存在前后进阶关系的小问题的解决,但无论是哪种情况,都遵循着问题解决的一般过程:明确问题—分析问题—解决问题—展示点评。其中,对于本研究中的机器人课程而言,分析问题主要是指学生利用自然语言描述问题解决的过程和思路,解决问题主要是指根据自然语言描述绘制流程图并编程调试。“总结归纳、提高升华”主要是一般性方法的归纳、问题解决经验的总结以及提出更进一步的问题。

《机器人的智能行走》一课的具体实施

我校在初一年级开设普及性的机器人校本课程已有接近一年的时间,过程中充分利用学校现有的数字化教学环境以及机器人相关的硬件设施,现以《机器人的智能行走》一课为例进行分析说明。

1.创设情境、激趣引入

学生打开iPad中的电子书《超声波传感器(二)》,以小组为单位参照电子书对上节课学习的内容进行复习,并对照教师PPT上的问题进行回答。

教师播放视频,对比分析,引出本课主题《机器人的智能行走——超声波传感器的应用》。本环节主要分为两部分,前一部分为复习巩固,主要是前面学习过的基本程序结构、流程图绘制要点以及超声波传感器的基础认知。本节课的重点在于利用超声波传感器实现机器人的智能行走,问题的解决需要经历“明确问题—分析问题—绘制流程图—编程调试”的过程,这其中,流程图的绘制尤为重要,因此课前简单的复习能快速激活学生对旧知的记忆和理解。机器人校本课程内容来自组内教师的自主开发,因此,学习内容主要以电子书的形式呈现,这种数字化的内容呈现方式灵活便捷,能最大程度地贴合课程教学设计。后一部分通过上一节课小车碰到障碍物停和小车能够实时避障的视频效果对比,引出本课的主题内容——机器人的智能行走。这种对比设疑的方式,既能激起学生的学习兴趣,又能点明本课学习的主题,明确学习重点。

2.新课讲授、构建新知

本部分是本节课的第一个任务,也是基础任务,目的在于:一方面,通过本任务熟悉前面所学的顺序、分支、循环结构的使用方法;另一方面,在课堂教学设计上,本环节的任务是上一节课任务的进阶,同时又是本节课第二个任务的基础和铺垫,起到了衔接和过渡的作用,使得整个过程流畅充实。任务一的学习环节及各环节的学生活动、教师活动如上页表1所示。

3.突破难点、进阶提升

本部分为任务二,是本节课的重难点内容,在内容方面,智能行李箱更加复杂的设计思路和要求在任务一的铺垫下变得更加容易理解。流程图及编程都需要小组合作完成,需要组内各成员积极主动参与其中,这样的学习方式能够最大程度地提高学生的课堂参与度,发挥学生的主体性。本任务来源于生活中的真实案例,能让学生在探究过程中体验到成功的喜悦,形成将课堂所学可以应用于日常生活的意识。任务二的学习环节及各环节的学生活动、教师活动如上页表2所示。

4.总结归纳、提高升华

教师带领学生总结本课内容并提炼升华,形成问题解决的具体方法与步骤(如图2)。

机器人课程不只是教会学生怎么解决一个具体的问题,也不仅仅是教会学生怎么搭建机器人、操作编程软件,更重要的是學生对于问题解决的一般方法的理解和掌握,因此,本节课在最后小结部分,以流程图的方式总结了问题解决的一般方法和步骤,相信有了本节课具体内容的铺垫,学生对该方法会有比较深刻的认识和领悟。

总结及建议

现阶段,虽然机器人教育已经越来越多地深入中小学课堂,但大多以竞赛及社团形式开展,而对于普及性的大班上课的开展形式,实践经验较少。机器人常规课程的开设要综合考虑课程设置、内容设计、软硬件支持、师资配备等多个方面,尤其是课程内容及形式的设计关系着课程开展是否顺利及学生学习是否高效。

综上所述,我校开展的机器人校本课程特色体现在以下几个方面。

1.内容设计巧妙,螺旋式进阶提高

机器人课程的问题及任务多来源于现实生活,在问题解决过程中,需要学生有较强的逻辑思维及问题解决能力,先分析问题解决方案,后画流程图,最后编程实现。而对于初一年级学生来说,逻辑思维能力的培养需要一个循序渐进的过程,这就要求在课程内容设计时做到由浅入深、螺旋式进阶。例如,在《机器人的智能行走》一课中,内容的设计就包含了“遇到障碍物停—实时避障—智能跟随”三个阶段,遇到障碍物停是上一节课的学习内容,在本节课一开始通过对该内容的回顾,提出“如何变得更加智能?”,进而引出本课内容,也就是第二阶段的进阶任务:让小车实现实时避障(即小车遇到障碍物停,障碍物移开小车继续前进)。在学生掌握了小车实时避障的设计方法后,通过智能行李箱的案例引入第三个阶段的任务:让小车实现智能跟随。三个环节的内容以螺旋式进阶的方式设计,环环相扣,第一阶段任务易于上手,能够最大程度地激发学生的学习兴趣和自信心,随着任务的进阶,学生也感受到了随之而来的挑战,基于先前学习的良好表现和自信,绝大多数学生都能够积极主动地参与讨论及问题解决,更好地发挥了学生的主体性。

2.双师合作很必要,方方面面关注到

不同于普通的信息课或科技课,机器人课有如下特点:①学生参与程度高,自主协作要求高,例如,自己动手搭建机器人模型、改装机器人结构,小组讨论分析问题、找到问题解决的方法,绘制流程图,编程实现;②学习内容较为开放,问题解决方法多样,生成性问题较多;③课堂内容设计及形式多样,需综合应用软硬件进行演示操作。机器人课程的特殊性就决定了课程的开展需要双师的配合,双师分工有别。例如,教师A在讲授流程图时,教师B及时演示与之相对应的程序操作,从而使得学生能够很直观地对流程图及程序之间的关系有深入的理解。在小组自主操作阶段,双师的分工巡视及指导,能够在有限的时间内最大程度地关注到每一组学生的表现,双师只需简单地沟通便可掌握全班学生操作的进度及过程中的问题,适时进行针对性的讲解,恰当地确定后续的课堂内容,从而大大提高了课堂效率和质量。

3.软硬件支持好,数字化有妙招

学生通过iPad实现电子书的浏览阅读以及乐高编程软件的编程,稳定的系统环境和极快的响应速度给学生带来了良好的学习体验。双屏的演示模式能够实现教学任务、流程图、编程操作演示及学生任务实现演示等的两两同时显示。例如,对照任务分析绘制流程图(一个屏幕显示课件上的任务要求及分析,另一个屏幕显示白纸用于绘制流程图),针对流程图编写程序(一个屏幕显示绘制好的流程图,另一个屏幕通过iPad投屏演示编程操作)。iPad实时投屏可以实现学生任务完成情况的展示评价。乐高ev3套件作为经典的机器人套件,为学生提供了多样化的机器人实现方式,尤其是各种传感器的应用,大大扩展了机器人的功能。以上数字化的硬件设备支持,丰富了教与学的体验,提高了学习的效率,从而使得教学过程不再受软硬件限制,让师生能够更加关注学习内容本身。

机器人教育的普及为学生综合能力及素质的培养和提升提供了新的可能,但处在初级阶段的机器人普及教育,仍然有很长一段路要走,课程整体设计、软硬件支持、师资配备等问题是当下亟须关注和解决的问题。

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