智械动景：构建机械与程序融合的生命体

王晓珍

摘要：创客教育理念下，以智能机器人为载体、以培育计算思维为导向的学习已悄然而至。当灵动而具象的机械结构被赋予程序的灵魂，学习也将呈现一番动感而富有生命力的美景。本文在创客教育主题下，结合机器人教学实践经验，从启蒙、尝试、实现、创造四方面规划出一条机器人教学的通用路径，并探究不同阶段教学策略的有效运用。

关键词：计算思维；机器人；机械；程序；教学策略

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2018）21-0009-04

当人工智能时代的钟声敲响，当创客的风帆已经高高扬起，当STEAM教育的浪潮已经涌向岸边，我们可以清晰地感受到未来的教育将发生巨大的改变。在人工智能新时代，中小学信息技术教育肩负着让孩子触摸人工智能，培育其计算思维的使命。以机器人为载体的教学活动已然成为教育迭代的产物，它既可以通过机械的精巧搭建触摸思维，又可以通过程序的精密设计活跃思维。

然而，一个崭新的时代留给教育的更多的是机遇与挑战。纵观当前机器人教学的现状，要完成新时代所赋予的使命我们是“心有余而力不足”。机器人价格的制约、理论研究的缺乏、竞赛趋势的导向等都阻碍了机器人教学的普及。其实，机器人教学光有硬件设备是不够的，还需要有配套的课程；光有课程也是不够的，还需要有适切的教学策略。只有这样，机器人教学才能勾勒出一条有效的路径，以通往新时代所期待的唯美境地。

启蒙，始于触摸机器而迸发的满腔热情

古人云：启其蒙而引其趣。机器人教育的启蒙也要从学生的兴趣出发，形成乐学、好学、自学的态势。机器人尽管以其多变的造型、智能的技艺受孩子们青睐，但却难以经受多重的考验。因此，兴趣不是天生的，也不是固定不变的。如何能够激发并保持孩子们学习机器人的兴趣呢？针对这一问题，笔者结合实际的教学经验与机器人本身的特征进行研究整理，并归纳出一种可行的策略——三度触摸策略（如图1）。

1.一度触摸，感受机械与程序融合的魅力

今天的孩子是数据时代的原住民，在人工智能的时代背景下，他们不乏与机器人亲密接触的机会。但在与机器人打成一片的同时，却鲜有人思考其组成、原理、技术、意义……因此，有必要将机器人请进课堂，让学生浸润到机器人世界中，在充分的触摸体验与深刻的感悟中习得知识技能，培养学生持久的兴趣。

案例1：《认识机器人》——课堂里出现的智能伙伴。

在《认识机器人》一课中，目标是让学生了解机器人结构的基本组成。笔者将智能机器人——小优引进课堂，孩子们一进门便一片哗然，难以抑制的好奇与热情溢于言表。课堂上，孩子们可以通过全方位观察活动，了解机器人的执行机构；可以通过互动体验，感知机器人的传感器模块；可以通过交流对话，感受机器人核心处理器的强大……在教师的适当引导下，孩子们在不知不觉中印象深刻地储备了机器人基础知识。

一度触摸的形式可以多样化，除了实体机器人，也可以是虚拟机器人、视频、图片、简易模型等。而它们的共同目的是让孩子们浸润到机器人的世界，并为之倾倒，激发兴趣，驱动主动学习的热情。

2.二度触摸，与零件交朋友

二度触摸，是一个从整体到局部的演变。学生对机器人有了整体的感性认识，也对每一个部件充满了好奇。那就顺应孩子们的好奇心，让其在零件的海洋中寻找机械结构的奥秘。

案例2：百变造型中探究齿轮的相互作用。

以乐高机器人为例，齿轮是动力传递的主要来源。而乐高机件中齿轮的种类繁多，功能不一，机械传递的原理也不尽相同。笔者在教授大齿轮与小齿轮之间带动关系时，为学生设计了一份导学单，引导学生在用自己设计的齿轮结构传递动力的过程中，观察力的大小、速度、方向等的变化。通过比较与分析，得出齿轮间相互作用的结论。在整个教学活动中，孩子们既倾心于自己设计的齿轮造型，又力求寻找规律将齿轮的价值发挥到最大。

机械结构的触摸让孩子更进一步接触机器人，并可以亲自体验对机器人进行改造。教师在二度触摸的过程中要做好引导作用，结构的设计不仅仅是为了美观与好玩，合理的结构设计是机器人得以施展其功能的物质基础。

3.三度触摸，与程序打招呼

如果机械结构的搭建培养了孩子们的动手能力，那么程序便是对思维能力的提升。三度触摸，将原本机械的动力结构智能化，将孩子们的学习热情推向了高潮。

案例3：比比谁的小车更灵动。

以小车作为机器人的基本结构，加以程序的作用，学生能轻松地驱动其前进与后退。而笔者在此基础上，教授机器人转向的奥秘。首先让学生观察，小车在转向过程中轮子的方向与速度变化，从而得出左转与右转轮子的速度、转向角度等变化规律。孩子们在调试过程中，感受到程序的巨大魅力，研制出各种走向的机器人。笔者以此为契机，增设了“比比谁的小车更灵动”环节，展示的机器人中有的能走正方形，有的能绕障碍物，有的还能跳舞……孩子们在分享的过程中，看到的是机器人灵动的行为，收获的却是程序设计的奥秘。同时，他们在同伴和老师的认可中，增强自信，对机器人的热情也得以保持。

三度触摸，直达机器人的核心，孩子们也在此过程中体验到程序是机器人灵魂一样的存在。对程序的调控而产生的机器人不同行为的反馈，正是孩子们热衷的焦点，进而也推动了程序的学习热情。

嘗试，汇于模仿所带来的成功体验

尝试，意味着机器人教学由单一的结构学习转向整体的项目学习。在尝试阶段，学生对机器人的设计与操练尚未成熟。因此，模仿是该阶段最有意义的学习行为。模仿是学习复杂动作技能的早期阶段，适用于机器人学习的起步。模仿的目的在于让学生体验完整的机器人项目所带来的成就感，同时，也深化机器人相关的基本知识，了解机器人原理如何应用到实际机器人设计与制作中。笔者在引导学生尝试的过程中，总结出一些教学策略，让该阶段教学效果最大化。

1.解构剖析法

解构是把已有的事物打开，学习其中的规律和知识，是发现原理和规律的过程。学生在模仿机器人结构时，通常有两种途径：一是参照已有的图纸搭建，这种情况下解构已提前完成，学生只需要剖析机械结构设计意图，在模仿中感知其中的原理与规律；二是参照已有的模型搭建，这种情况下必然解构优先，必须通过深入剖析探究出其中的规律与原理，方能完整模仿出来。因此，解构剖析是模仿的必要条件，该策略的应用也是学生能力提升、思维训练的契机。

2.聚类耦合法

学生在模仿的过程中，总会有意识地将结构相似、功能相似，甚至技术思想相似的模块归为一类，这正是聚类思想在机器人制作中的体现。教师加以适当的引导，有利于学生掌握机器人结构与设计的共通点，更能在今后根据任务需求应用类似的结构去解决问题。

3.翻转自研法

机器人的模仿其实是一个漫长的稳步实现过程，仅仅靠课堂里的时间是远远不够的。再考虑到学生的差异性、调试过程的重复性等因素，这就需要在机器人教学中谋求一条翻转课堂的道路。机器人课堂的翻转可以是课堂知识的翻转，利用微课等手段为已学知识的巩固、拓展性知识的提升、重难点知识的突破寻求一条高效的捷径；可以是机械搭建的翻转，学生不再是依葫芦画瓢，而是有了更多自主学习与实践的机会；可以是程序设计的翻转，通过不断的调试，学生在家就可以轻松指挥机器人了。合理利用翻转策略，为课堂增效，同时又提升了学生的自主探究能力。

实现，成于任务所驱动的问题解决

该阶段，学生虽然拥有了大量的知识储备，但是在亲身实践过程中依然会遇到很多问题，并且尚未清晰项目完成的一般过程与方法，因此，教师的引导作用显得尤为重要。一个项目的实现通常依赖集体的智慧，于是小组合作的优势也在这个阶段得以体现。任务的难易程度直接影响项目的可行性、进度，甚至学生的积极性，所以任务难度要适中，既不触手可得也不望而生畏。笔者将机器人项目式驱动的过程归纳为五部曲（如图2），并以FLL工程挑战赛中“机器人喂食”任务为例进行解说。

1.提出问题

“机器人喂食”是本项目需要解决的问题。明确目标后，分析在机器人执行任务过程中可能遇到的障碍：（1）饲料块投递过程中可能超出边界；（2）机械臂该如何设计才能运送8块饲料块；（3）机器人行走过程中受到盲道的较大阻力；（4）如何每次投递出相同颜色的饲料块；（5）机器人行走到远处时如何准确定位路线……所有的问题被一一抛出后，组员们各抒己见，尽可能突破问题难点，寻求一条最佳路径。

2.拟定方案

学生在正式搭建前，需要拟定任务实施的方案。方案的制订是指对该项目中所涉及的活动预先进行计划。实施方案的设计应该包含两个方面：项目实施的步骤内容和实施的时间安排。学生在搭建的时候根据实施方案来进行，可以保证完成的进度，同时也可以有序进行。方案可以根据实施过程中遇到的问题和实际情况进行修改。

3.模型搭建

经过前期的充分准备，学生已经具备了搭建的全部条件，可以进入模型搭建的过程。模型搭建过程是机器人教育区别于其他教学模式的重要特征，在这个过程中，学生将自己的想法注入机器人的机械臂设计中，通过小组合作，体会集体智慧的魅力，以及亲手制作的乐趣。学生在进行制作的时候仍会遇到一些困难，然后再进入发现问题阶段，通过自主探究进行解决，再接着进行模型搭建。

4.程序调试

搭建好的模型，需要编制核心的程序让其动起来。程序设计前，初始位置的设定也很关键。确定初始位置后，将规划的机器人行走路径以及机械臂摆动时机一一编写入程序中，通过对实际路线的测量可以准确计算出齿轮所需转动的圈数或秒数。编写好程序，机器人便进入了调试模式。在调试过程中，不可忽略的是摩擦力、环境光线、电量等造成的干扰，因此，调试是一个不稳定的过程，需要在多次尝试中寻求一组较为适宜的参数。

5.分享交流

任务完成之后，同学之间要相互交流，展示自己的机器人，分享制作的过程，以及在这个过程遇到的困难和解决办法，同时交流自己的经验和体会。在分享交流中，借鉴他人的意见，提升自身的水平。

五部曲的体验，留给学生的不仅仅是机器人设计的乐趣，更是一个科学素养、工程意识、计算思维、团队合作精神等的培育过程。机器人教学所带来的核心价值，也在实现的过程中体现得淋漓尽致，学生获得了利用机器人技术解决实际问题的能力，更形成了利用机器人分析问题、解决问题的思维方法和价值观。

创造，源于感受生活而发挥的无限遐想

机器人的学习不仅仅是一个功能实现的过程，更是一个创意滋长的过程。对于学生而言，机器人课堂给他们带来的不单是利用所学知识去搭建既有模型，更要形成利用智能装置改造生活的方法论和认识人工智能的世界观；对于教师而言，机器人课堂不单要关注学生具象的疑问或惊奇，更要点亮每个孩子思维闪亮的瞬间。创造，是在尝试、模仿、实现之后思维的再度提升。创意的来源不是凭空捏造的，也不是刻意演绎的，它可能是生活中不经意间的灵光一现，也可能是经历过程后的反思总结，还可能是求解问题时的想法分支……因此，教师应该让学生充分体验生活，发散思维，用智能化的手段去优化生活。

案例4：从垃圾分类到识色机器人的创意智造。

在日常生活中，学生发现垃圾分类是一个重复归类的劳作。但是，这类重复劳动又意义重大，经过分类的垃圾不仅可以实现垃圾资源的利用，减少垃圾处置量，还可以改善人类生存环境质量。面对生活中的困惑，有学生就提出让机器人来帮助分类。为了让学生的想法落地，教师引导学生利用机器人项目式驱动过程五部曲来实现创造。

从起初的问题提出到拟定方案，学生遇到了不少问题，在小组的通力合作下，设计了红、黄、绿、蓝四色的垃圾标签，只需在垃圾袋上贴上标签，垃圾桶就能自动分类了。模型的搭建塑造了机器人的形象，程序的编写又为它插上了智能的翅膀，最终当一个成品展现在所有师生面前的时候，孩子们感到由衷的自豪。

跳出课堂的思维定势，机器人学习是一个追问生活的平台，这个平台不仅是创新思维活动的另一开端，更是在真实生活中不断实现自我的另类延续。创造不以实现为起点，也不以实现为终点，它是随着生活的变化不断革新、动态生成的过程。

如果说机械是机器人教学的“外壳”，那么，程序就是机器人教学的“内件”。两者的完美结合，使得机器人教学更显灵性和生命的美丽。在这个教育变维的时代，我们要让机器人教学真正在中小学“落地生根”，更要学会升维思考，降维执行，选择合适的教学路径，运用适切的教学策略，达成学习变频的交集。这个由智能机械与程序構建的动态美景，有了孩子们的定义、参与，将展现得更迷人，更摇曳。

参考文献：

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[4]万川.在创客活动中培养学生的心智——以《停车场的那道拦车杆》为例[J].中国信息技术教育，2017（19）.