仿真机器人教学中任务设计的有效性

熊国全

由于仿真机器人教学便于组织管理，便于有效普及机器人基本知识，国内越来越多的中小学开展了此类活动。但是由于仿真机器人软件的“先天不足”和教学经验缺乏等原因，不少教师为完成教学而拼凑任务，甚至直接将竞赛任务用于课堂教学，忽视了任务设计的有效性，让仿真机器人教学成了“培训式教学”，影响了教学的效果，不利于学生信息素养的培养。

任务的有效性是指在教师的帮助下，在强烈的问题动机的驱动下，学生通过对学习资源积极主动的应用，在完成既定任务的同时在知识、技能、情感等方面获得全面发展的过程。如何设计有效的任务，让仿真机器人教学焕发出强大的生命活力，是一个值得深思的问题。

连续情境，突出趣味性

我认为，学生对机器人充满着好奇心，对学习仿真机器人抱有很高的热情，但如果在教学中没有符合趣味性的情境任务，对延续学生的学习兴趣反而是极大的伤害。为此，要设计有效的任务，就要创设有效的任务情境：一方面，任务情境要以激发学生兴趣为基点，生动具体，形象逼真，在开始的教学环节能有效激发学生的学习兴趣，引起探索知识的欲望，在后续操作探究教学环节中能让学生兴趣持续下去，激发思维的积极性，持续情绪的活跃性，从而有利于学生有效完成任务；另一方面，任务情境要以积淀学生信息素养为重点目标，与具体的知识与技能、过程与方法相关联，切不可喧宾夺主。

例如，在讲授灰度传感器的作用时，若按以往方法，我会将任务设计成小车走轨迹，学生在完成任务的过程中也能够掌握部分知识，但任务情境为教学需要而有意杜撰，比较单一，缺乏真实感、趣味性，也没考虑后续阶段如何维持学生兴趣，学生就感到没有意思。后来，由于杭州萝卜圈公司的3D仿真软件突出了基于物理引擎的设计，能模拟真实的刚体运动以及物体的密度、质量、速度、加速度等各种现实物理动力学属性，在发生碰撞、受力、摩擦的运动时，能模拟出因不同属性而发生的不同运动效果，于是我用这款软件设计了生动具体的《环游金字塔》情境（如图1）。

完成任务伊始，逼真的隧道、高高耸立的金字塔等场景一下子吸引了学生的注意力。学生需要让机器人走在规定的路线上，避免掉下车道，这样的情境引起了学生的兴趣，而后设计了机器人穿越隧道时惊险纷呈的情境，一些程序不够完善的机器人就会被旋转的木头打下车道……

在完成任务的过程中，学生必须利用灰度传感器的作用来编写程序，结合使用前几节课所学的传感器知识，才能让自己的小车顺利通过一道道关卡。这个精彩迭起的任务，既能持续引起学生的兴趣，使学生更主动参与完成任务的操作，又能从始至终贯穿本节课的学习内容。

在有效任务的驱动下，学生利用所学的知识进行机器人知识的综合运用，同时提升了自身的创作能力，最终有效地提升了信息素养。

回归现实 突出科学性

仿真机器人教学可以帮助学生通过编制程序控制机器人在虚拟环境的运动来学习科学的思维方式，提高逻辑思维能力，培养分析和解决问题的能力。但以往受仿真软件限制，教师教学中设计的任务常常脱离现实生活，导致机器人运动过于理想化、虚拟化，如仿真机器人上坡与下坡速度一样，运动时不用考虑摩擦力和动力等。学生与这种远离现实的仿真机器人频繁接触，容易忽视真实环境中的因素，这样就容易割断仿真世界与客观世界的联系，导致学生感受不到来自自然与自我的挑战，容易忽视科学解决问题的重要性。

机器人的运动本身就是综合了多门学科知识的运动，因此，在仿真机器人教学中，设计教学任务时不能理想化、虚拟化，应回归现实突出任务的科学性，引导学生把信息技术作为获取信息、探索问题、协作解决问题的认知工具，在探索中掌握其他学科和信息技术的知识，在潜移默化中培养学生科学、综合地分析和解决问题的能力。

例如，设计任务《驾驶员考驾照》时，我将任务回归现实，如设计有起伏、弯道、上坡、下坡的道路等。学生在完成任务时会发现：汽车速度过快，在启动时会颠簸，导致行驶方向改变，甚至于冲下道路。于是我引导学生联系实际生活来思考小车的变速运动，学生最终提出方案：在启动时，先慢速起步，等速度上去了再加速至高速就不会颠簸。学生很快又产生了新问题：在走弯道时，高速行驶的小车很容易冲下道路；由于道路有起伏，高速行驶的小车会颠簸，也容易冲下道路。于是我引导学生分析走弯道时汽车速度不能过快的原因，引导学生分析某个瞬间汽车的受力方向，将相关科学知识迁移过来，以完善学生的知识。这样，通过模拟逼真的现实物理运动来促使任务回归现实，强化了现实生活中很多不可忽视的因素，突出了科学性，大大加强了机器人教学与其他学科的整合，有效促了进学生科学素养的形成。

以生为本 突出操作性

不少比赛任务非常新颖，对学生有很大的吸引力，但这些任务作为课堂教学任务却没有可操作性，如比赛任务《野外生存》非常有趣，可在一个课时内大多数学生因时间限制和自身能力问题无法完成。因此，设计仿真机器人教学任务，应秉持一切从学生出发的原则，充分考虑学生现有的文化知识结构、认知能力、年龄、兴趣等特点，设计出贴近学生操作能力和思维水平的任务。

例如，在讲授伺服电机时，我考虑到学生对比赛项目《野外生存》感兴趣，于是从其中分解出适宜学生学习的《飞渡天险》任务（如图2）：基本任务是机器人沿着弯曲的道路来到铁索下，伸出手臂抓住铁索越过峡谷滑至另一端的山顶，最后放开手臂落到山顶平地；提高任务则是在此基础上调整机器人方向，继续沿着山路前进至终点。分析该任务，首先，任务的设计考虑到了学生的特点、知识接受能力的差异，容易被学生接受；其次，考虑了任务的大小、知识点的含量、前后的联系等多方面的因素；再次，任务中涉及许多学生能理解的科学原理，如惯性、重心等，符合学生现有的文化知识结构，完成任务的过程中，师生可以适时地加以总结，概括出其规律性的知识，实现从现象到本质、由感性到理性的过渡。

关注问题 突出生活性

与学生的生活相去甚远的课堂任务是很难吸引学生的。信息技术课程标准明确提出要结合学生的学习和生活实际设计问题，让学生在活动过程中掌握应用信息技术解决问题的思想和方法。机器人是人类认识自然、改造自然的产物。因此，在仿真机器人教学中要关注生活中的问题，突出任务的生活性，如我们可以引导学生发现生活中的问题，使学生对新的知识产生强烈的探究愿望、解决问题的热情与责任感，促使学生尝试在完成任务的过程中掌握应用机器人基本知识解决问题的思想和方法，从而有效培养学生的思维能力和探究能力。

设计任务时，教师既要根据教学实际，又要联系学生实际，关注问题，突出任务的生活性。例如，为了讲授测障传感器和测距传感器的作用，我提出一个现实问题：假如你是汽车设计师，你会如何从技术上避免汽车追尾事故的发生？问题提出后，不少学生建议：在汽车前方加上某种设施帮助驾驶员预防追尾事故。从而引出在汽车前方加上测障传感器作为检测装置，当检测到汽车前方有物体将要发生追尾时，汽车在机器人控制下自动刹车。待学生完成这一任务，我又提出新的质疑：汽车突然刹车，对乘客会产生很大的安全隐患，那么我们如何改进设置以减少安全隐患？引导学生了解测距传感器的作用，让学生积极主动寻找问题，主动获取新的知识。最后，师生利用提问与讨论等方式，发挥课堂的群体作用提出新的方案：在汽车前方加上测距传感器作为检测装置，当测距传感器检测到汽车与前方有物体的距离小于一定值时，汽车在机器人控制下自动给驾驶员发出警报或控制汽车减速，当汽车与前方有物体的距离小于危险临界值易发生追尾事故时，汽车在机器人控制下自动刹车，此时由于汽车速度不快，急刹车产生的安全隐患对乘客影响比较小。这样设计任务，学生容易在探索生活实际问题的过程中提出自己的实践内容或学习目标，形成开放式的教学模式，达到预先教学的效果，有效地将信息技术的学习与生活应用有机地结合起来。

倡导成功 突出层次性

因为信息技术学科的特殊性，一个班级里学生存在差异。课堂任务“一视同仁”容易导致水平高的学生无事可做，水平低的学生做不出来，为此在任务设计时要考虑学生的知识结构，考虑学生能力的差异性。这样，学生在完成自己有能力完成的任务时，往往会专心致志，乐此不疲，成功的喜悦，能够激发他们探索的激情和信心，使学习进入到另一个高度。

例如，讲授迷宫搜索算法时，我设计了《山地赛车》任务：基本任务是小车从起点出发，沿着弯弯曲曲的盘山公路到达指定地点；提高任务是小车从指定地点原路返回出发地；终极任务则是按《野外生存》比赛任务的要求，小车快速行驶在盘山公路上。由于基本任务比较简单，又有师生示范，绝大多数学生容易理解任务，也能够及时完成任务。当大部分学生完成基本任务，教师可引导学生完成提高任务。中学生具有很强的表现欲望，希望自己的行为被他人认可，一般会有一半以上的学生尽自己的最大努力去完成任务。当有部分学生完成提高任务，教师可以展示3D仿真软件的在线比赛模式，引导学生思考、探究：如何让自己的小车快速在山道上行驶？经过一段时间，有部分学生创新地提出在小车上加上导轮，在编程时让小车偏向一侧行驶，从而将速度提高许多，小车完成任务的时间大大减少。这样，通过层次性任务设计，层次较低的学生也能面对自己的机器人体验到成功感，而层次较高的学生在面对成功时会努力尝试各种新颖的方法，激发他们进一步探索的激情和信心。