中学机器人社团课教学模式设计与实践——《风扇的制作》为例

申杰，秦健

(陕西师范大学教育学院，陕西西安710062)

1 引言

人工智能、物联网、大数据的浪潮势不可挡。可以预见的是，未来的社会一定是智能化的、强调创新的。这就对我们培养的人才提出了新的要求，今天的教育体系所培养出的“学科分割”的人才还能否适应未来的社会？

2017年7月，国务院关于印发《新一代人工智能发展规划》通知中，中国到2020 年人工智能技术和应用与世界先进水平同步，提倡在中小学阶段设置人工智能课程，普及推广编程教育。

2018 年4 月，教育部发布了《教育信息化2.0》，其中“智慧教育创新发展行动”强调要加强智能教学助手、教育机器人、智能学伴等技术的研究、应用。

2019年11月，教育部《关于加强和改进中小学实验教学的意见》中指出，注重加强实验教学与多学科融合教育、编程教育、创客教育、人工智能教育、社会实践等有机融合。

2020 年7 月，教育部印发《中小学劳动教育指导纲要(试行)》通知中，提出将提高创意物化能力列为劳动教育要求之一。

从上面的政策文件可以看出，近些年来国家十分重视科技创新，随着政策的不断发布，越来越多的学校开展了科创教育，其中机器人教育是一种较受欢迎的模式。机器人教育是一种典型的跨学科教育，融合了机械电子知识、力学知识、算法程序知识，同时它又是面向真实情景的一种学习，学会解决生活中的问题。

2 机器人教学现状

2.1 传统教学模式

国内的机器人教育发展历史并不长久，因此配套的课程内容、教学理念、教学模式并不完善。在基础教育体系中，机器人教育并没有明确进入国家课程体系，我国采用的三级课程体系中国家课程、地方课程、校本课程，机器人教育以校本课程为主。缺乏课程标准和专家指导，各学校的机器人教法、学法、种类各不相同[1]。许多教师都是“赶鸭子上架”，不少人还在用传统的教学方法上机器人课程。讲练结合法、任务驱动法、讲授演示法。这些方法适合机器人基础知识内容和简单技能的掌握，没有给学生足够的创造机会和创造空间，也就背离了机器人教育的初心。

2.2 以竞赛为主的机器人教学

机器人教育的发展，少不了机器人竞赛的助力。机器人竞赛能够激发出学生的学习兴趣，培养创新精神、动手实践能力、工程素养。开设机器人课程的学校大多都会组织学生参加机器人比赛。以机器人比赛为目标开展机器人教学，激发师生教学、学习的激情，形成了机器人竞赛的以赛促教模式。在全人教育、素质教育的大背景下，机器人竞赛的奖项似乎成了科技强校、重视学生科学素养、创新精神的一种证明。于是各个学校购买各种比赛器材，围绕竞赛任务开展教学。课程完全为比赛服务，而比赛不是所有人能够参加的，所以只能抓住少数几个学生来重点培养，这是有位教育公平的表现，机器人教育应当是普适化教学而非精英教育。在机器人教育的发展过程中，机器人竞赛确实起到了重大推动作用，但是由于市场监管的缺失，各路资本的涌入，使得市面上出现了各种各样的机器人。机器人竞赛逐渐从学生之间的竞赛转变为机器之间的竞赛，不仅背离了机器人教育培养学生动手能力与创新精神的初衷，也使得学校与家长陷入了无止境的内耗中[2]。

3 教学模式构建

3.1 乐高4C教育理念

乐高认为，儿童是天生的好学者，只要加以引导，每个孩子都能成功。乐高将学习过程集体分为联系(Connect)、建构(Con‐struct) 、反思(Contemplate) 、延续(Continue) 四个阶段。1) 联系阶段将新知识与学生已有的知识经验相联系，从真实的情境出发，寻求问题的解决方案；2)建构阶段，学生通过利用乐高教具搭建可供分享的创意作品，在不断尝试、反复、体验和总结的过程中，同化与顺应的认知过程也在不断发生；3)反思阶段，即对建构作品的反思，通过讨论、交流发现其中的问题并形成调整方案，也是深化学习的重要阶段；4)延续阶段，通过上一步的反思激发了新的创意的产生，应用新想法又可以改进或创作一个全新的作品，寻找联系点，进入下一个联系阶段[3]。四个环节并非一个简单的线性结构，各环紧紧相扣形成一个动态的循环过程。

3.2 PBL教学理念

PBL 是Porblem-Based Learning 的简称,即基于问题的学习。PBL最早起源于美国，Barrows教授认为PBL既可以作为一门课程又可以作为一种过程。作为一门课程，它是由精心设计的问题构成，为了解决这些问题，要求学习者具备自主学习、合作学习、解决问题的能力；作为一种过程，学习者要求学会使用系统全面的方法解决实际问题[4]。PBL教学法起初在医学教育中应用，逐渐进入到中小学教学中[5]。该教学模式为学生创造真实且有意义的教学环境，学生以小组的方式合作解决实际问题，在解决问题的过程中习得知识和技能，培养科学探究思维、实际问题解决能力。传统课堂环境下，PBL活动获取的资源有限，情境创设多是依赖于教师的语言描述，导致学生理解存在困难。

3.3 问题情境教学模式

乐高的4C 教育理念虽然符合学习的认知过程，能够调动学生的积极性参与到学习中来。但是对于中小学机器人新手教师来讲，该模式过于简练，一时之间不知道如何下手。PBL教学在传统课堂中存在问题情境创设不足、资源获取不足的问题，在机器人课堂中可以通过乐高教具来解决。乐高4C 理念其实与PBL教学模式也有内在的联系。乐高4C理念是一个循环，“延续”之后又是“联系”，实际上也是通过一个又一个的问题所连接起来的，从“联系”到“延续”也是问题的解决过程。因此将乐高4C 理念与PBL 教学模式结合起来，提出了问题情境教学模式。将乐高4C 理念细化分为：1)情景引入，激发兴趣；2)主动思考，发现问题；3)知识讲授，明确原理；4)动手实践，小组探究；5)结果展示，交流表达；6)答疑解惑，评价总结；7)改进与拓展；8) 迁移与应用。同时将PBL 的理念融合于教学过程中。基于乐高4C理念的问题情境教学模式图如图1。

图1 问题情境教学模式

4 基于问题情境教学模式的教学设计实践——以风扇为例

4.1 教学目标

本课例以“炎炎夏日，如何舒适度过”这一情境为依托，学生通过学习理论知识和实践操作，达到以下目标：

知识与技能：齿轮的扭矩、角速度、传动比等概念；风扇的组成部分与原理；计算齿轮的传动比，了解扭矩与角速度的关系。

过程与方法：通过“输入—处理—输出”的基本模式体会工程思想；通过小组合作学习、解决问题的过程培养问题解决能力和团队合作精神。

情感态度与价值观：通过解决实际问题激发学习兴趣、建立自信心，提升科学素养，培养勇于质疑、勇于探索的科学态度。

4.2 教学对象及特征分析

本课程以社团课的形式开展，面向的学习者为初中一年级、二年级的学生。他们日常生活中也有丰富的经验，学习了基础的物理知识，掌握了一些概念，因此可以从已掌握的概念出发，结合观察实验了解相关的知识。学生总体处于较低层次，知识传授方面倾向于定性地学习。学生每周都有信息技术课程，对计算机有一定的操作能力。通过前期的调查问卷发现学生对乐高机器人都很感兴趣，但是接触得不多，因此风扇的设计上给出简单的模型。

4.3 教学环境

课程在创客教室开展，配备有5台装有乐高EV3mindstorms教师版的电脑，一共5套乐高45544和5套9898套装，教室内有6张桌子。每张可容纳4人，共分为5组。

4.4 教学内容和主题分析

前期已经开展了4 课时的课程，学生对零件有一定的认识，本课例让学生设计制作一个风扇来降低温度，是对前面学习的基础搭建知识总结，也是带领学生开始学习编程知识的第一步。

4.5 学习工具

LEGO 9898套装，LEGO 45544套装。

4.6 教学方法

以乐高4C教学法为基础，结合问题情境教学模式，以小组协作的方式开展。组内分为搭建手、编程手、答辩手、小助手4名不同角色，组内分工明确。图2为学生作品

图2 学生作品

4.7 教学过程

本课例一共分为4个课时，2次课，第一次讲授齿轮的相关知识，让学生搭建出小风扇，并学会计算传动比。第二次认识触碰传感器、LEGO EV3主控和中型马达，学习使用软件进行简单的编程。

表1 第一次课教学过程

改进与拓展迁移与应用依据教师的总结和其他小组的作品对自身进行改进。尝试使用多个齿轮组加速并计算其传动比，这里可以用实验来验证转动后面的把手风扇开始转动，假设传动比为1:10，也就是说后面的把手转动1 圈，风扇应该转动10圈，反过来让风扇转动1圈，把手就应该转动0.1 圈，一圈为360 度，因此可以推算出把手转动了36 度。可以目测把手转动的角度估算传动比是否正确迁移到小车爬坡的情境中，有一个小车动力不足，爬不上山坡，你能利用今天学到的齿轮知识来帮助小车爬上山坡吗迭代设计，实践验证将知识迁移到不同的情境中去。从一个问题到另一个问题，从另一个角度深化知识的学习

表2 第二次课教学过程

4.8 教学评价

采用学生自评、小组评价和教师评价结合。在每节课的最后都会给出本节课的自我评价等级表，该表参考了乐高官方网站上的格式，分为铜、银、金、铂金四个等级，分别对应本节课知识的掌握情况；小组评价是以汇报的形式展开，每个小组都要展示自己设计的风扇，并对老师和同学们的问题进行回答，依据作品设计完成度和答辩表现来评价；教师评价在小组汇报之后，对各个小组的作品进行点评，总结优点与缺点，指出下一步改进的方向。

4.9 教学反思

在课程的开展过程中，发现这种贴近日常生活的案例学生很感兴趣，学生的生活经验在风扇的设计方面会有很大的帮助。由于小组刚开始组建，部分学生的团队意识比较淡薄，还没有意识到他们要通力配合才能更好地完成任务。相信随着课程的开展这一问题会逐步解决。

5 机器人教学建议

5.1 在课程内容上的建议

在课程案例的选择上，尽可能地从学生日常生活出发。选取这样的案例：一是能够激发学生的兴趣；二是也能利用学生的已有经验，从旧的知识上增长出新的知识；三是符合PBL 教学中的解决真实情境下的问题。需要注意的是所提出的问题应当尽量做到前后之间有联系，保证学习的连贯性。问题情景教学的关键是提出问题，问题一定在情景中提出，在情境中解决，在情境中迁移。

5.2 在教学过程中的建议

与传统的课堂不同，在机器人的教学中应当摆正教师位置，坚持学生为主体、教师主导的教学，充分发挥教师的引导作用。要营造一种良好的学习氛围，允许错误的环境，鼓励学生大胆发言，克服学生的胆怯的心理障碍，充分体现出学生的价值。培养勇于探索、勇于质疑、勇于创新的精神。

5.3 在课程形式上的建议

目前大多数学校以社团课的方式开展机器人教学，社团的优点是学生都比较感兴趣，课程比较轻松。缺点是覆盖面不够、学生少，也没有涉及学科知识，导致对机器人课程的重视程度不够。在实际的教学过程中，发现机器人课程还可以从以下两种形式开展：

1)配合编程教育，作为载体学习编程知识。现如今，国家要求人工智能以及编程教育要逐步普及到中小学，在未来，编程会像英语一样是每个人都必须具备的技能。①机器人本身就需要我们对其进行编程来完成各种各样的任务；②同时将自己编写的程序使用机器人在现实世界中表现出来，这能给编程教育极强的反馈，会进一步地深化编程教育；③目前市面上比较流行的图形化编程软件大都已经适配了LEGO EV3；基于以上原因笔者认为如果开设编程课，可以采用LEGO机器人开展教学。

2)融入学科知识，与学科教师合作完成课堂。机器人并非只能出现在专门的信息技术课堂或者社团课中，像本课例中就涉及了很多的物理学科知识，可以作为物理课的教具来使用。在学生学习抽象知识的时候，实际动手来搭建物理模型，也是一种强化理解的方式。乐高有各式各样的零件，像齿轮、带轮、凸轮、滑轮等，完全可以配合物理课来开展教学。

5.4 强化教师培训

随着机器人教育的不断发展，许多学校都开展了机器人教育，但是苦于师资力量不足，开展过程中遇到许多的困难。应该加强机器人教育、编程教育、人工智能教育的培训。1)这种培训不能只停留在“我们为什么开展科创教育”的层面，而是要提供给广大教师可开展的课程，达到“我们应该怎么做”的层面；2)培训不能是次数少、前后无关联的，而应该达到前后关联、多次的培训。只有这样培训才能够真正地落到实处，起到作用，不至于学校还要从外界聘请机器人教师来开展教学。