文∣康斯雅 鐘柏昌
機(jī)器人教育以培養(yǎng)學(xué)生的分析能力、創(chuàng)造力和實(shí)踐能力為目標(biāo),具有重要的教育價值與潛能。[1]如何將其教育價值最大化,需要探索合適的教學(xué)模式。與傳統(tǒng)項(xiàng)目教學(xué)模式不同,逆向工程教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)從既有產(chǎn)品或作品開始進(jìn)行解構(gòu)、復(fù)原和重構(gòu),這種模式需要的時間周期較短,對師生能力條件的要求較低,易于設(shè)計(jì)和實(shí)施。[2]通過對逆向工程教學(xué)法的教學(xué)模式進(jìn)行研究并分類,確定結(jié)構(gòu)創(chuàng)新型教學(xué)模式以培養(yǎng)學(xué)生的知識應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力為主要目標(biāo),引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷一個對機(jī)器人產(chǎn)品進(jìn)行分解與結(jié)構(gòu)再造的探究過程。在此,我們嘗試將該模式應(yīng)用于小學(xué)機(jī)器人課堂,探索其具體的實(shí)施方法和應(yīng)用價值,為逆向工程教學(xué)模式提供更為豐富的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
結(jié)構(gòu)創(chuàng)新型教學(xué)模式的教育目標(biāo)重在基礎(chǔ)知識和基本技能(簡稱“雙基”)的應(yīng)用與創(chuàng)新實(shí)踐,更適用于機(jī)器人教學(xué)的教學(xué)中后期。此模式以學(xué)生為主體,教師為主導(dǎo),基本流程如圖1所示。學(xué)生首先需要通過試用與感知、分解與觀察等過程掌握現(xiàn)有機(jī)器人產(chǎn)品的造型搭建要領(lǐng)和相關(guān)程序指令,結(jié)合過往經(jīng)驗(yàn),從結(jié)構(gòu)或功能等方面分析其存在的不足和改進(jìn)的方向,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的改進(jìn)。為了完善機(jī)器人產(chǎn)品,學(xué)生需要將理論知識與實(shí)際問題相結(jié)合,協(xié)作制定解決問題的新方案。
圖1 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新型教學(xué)模式的基本流程
結(jié)構(gòu)再造與測試是教學(xué)實(shí)施的關(guān)鍵環(huán)節(jié),此環(huán)節(jié)注重機(jī)器人產(chǎn)品的“再設(shè)計(jì)”,機(jī)器人產(chǎn)品的“再設(shè)計(jì)”是指在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上,根據(jù)重新設(shè)計(jì)的方案實(shí)現(xiàn)機(jī)器人產(chǎn)品或作品的優(yōu)化。[3]有研究表明,再創(chuàng)作編程制品具有較高的復(fù)雜度和難度,學(xué)生不僅需要理解已有功能,還需在此基礎(chǔ)上考慮如何修改所選的代碼段,保留什么、增加或刪除程序中的哪些過程、變量。[4]因此,這一過程并非一蹴而就,需要通過迭代測試來完成最終目標(biāo),有助于培養(yǎng)學(xué)生持續(xù)發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。
1. 為機(jī)器人教育的開展提供更多選擇
就目前中小學(xué)階段機(jī)器人教育的開展情況而言,大多數(shù)學(xué)校上課使用的教材為自編教材,使用的教學(xué)方法為項(xiàng)目教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動法和講授演示法,以選修課或者社團(tuán)的形式展開。[5]然而,在極具靈活性和實(shí)操性的機(jī)器人課堂當(dāng)中,傳統(tǒng)的教學(xué)方法在學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面力有不逮或耗費(fèi)時間較長,我們需要探尋新的教學(xué)模式。將結(jié)構(gòu)創(chuàng)新型教學(xué)模式應(yīng)用于機(jī)器人教育,一方面可以充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性,在教師的引領(lǐng)下實(shí)現(xiàn)探究性學(xué)習(xí);另一方面可以滿足學(xué)生的好奇心,在拆裝和再設(shè)計(jì)的過程中激發(fā)其學(xué)習(xí)機(jī)器人的興趣。
2. 著力培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力
機(jī)器人課堂不同于其他學(xué)科,更注重手腦并用;教師一味地灌輸知識,學(xué)生只能停留在感知層面,只有通過動手操作,學(xué)生才能發(fā)現(xiàn)并解決問題。在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新型教學(xué)模式中,學(xué)生大部分時間在動手操作,在已有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行程序和硬件的拆分學(xué)習(xí)。教師引導(dǎo)學(xué)生“再設(shè)計(jì)”機(jī)器人產(chǎn)品,不僅有利于培養(yǎng)學(xué)生的動手實(shí)踐能力,更能流暢地導(dǎo)向?qū)W生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。然而對于小學(xué)生而言,考慮到學(xué)習(xí)時間、知識儲備等因素,不宜將其學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)置為重構(gòu)出高質(zhì)量、高創(chuàng)新性的機(jī)器人產(chǎn)品,更非設(shè)計(jì)出原創(chuàng)性或顛覆性的成果,而應(yīng)鼓勵學(xué)生對已有知識進(jìn)行適當(dāng)整合,對現(xiàn)有產(chǎn)品或作品進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改造或改良,達(dá)到微創(chuàng)新水平即可。結(jié)構(gòu)創(chuàng)新型教學(xué)模式就是這樣一種著眼于培養(yǎng)學(xué)生微創(chuàng)新能力的逆向工程教學(xué)模式。
對南京市某小學(xué)六年級的機(jī)器人課程進(jìn)行一個學(xué)期的教學(xué)實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)5個教學(xué)項(xiàng)目,分別選擇不同的逆向工程教學(xué)模式。其中,“多功能小車”項(xiàng)目采用了結(jié)構(gòu)創(chuàng)新型教學(xué)模式,以該項(xiàng)目為例,介紹如何開展結(jié)構(gòu)創(chuàng)新型教學(xué)。
在設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動之前,首先需要分析教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生學(xué)習(xí)情況?!岸喙δ苄≤嚒表?xiàng)目使用的器材是藍(lán)貓智能小車,如圖2所示,編程軟件為AS-Block,軟件首頁如圖3所示。教學(xué)重點(diǎn)是在理解“第一代多功能小車”造型搭建要領(lǐng)和相關(guān)程序指令的基礎(chǔ)上,讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)出個性化的“多功能小車”。教學(xué)對象是小學(xué)六年級的學(xué)生,在之前的項(xiàng)目中,學(xué)生已經(jīng)掌握藍(lán)貓智能小車軟件與硬件的基本操作,了解了機(jī)器人電機(jī)、聲音檢測、溫度檢測及超聲波等元件的使用方法,正處于本學(xué)期機(jī)器人學(xué)習(xí)的后期,適合使用結(jié)構(gòu)創(chuàng)新型教學(xué)模式。
圖2 藍(lán)貓智能小車
圖3 AS-Block軟件首頁
由于本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容涉及舊知識的回顧和新項(xiàng)目的設(shè)計(jì),考慮實(shí)際教學(xué)時間和六年級學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,我們計(jì)劃使用兩個課時完成教學(xué)。第一課時的主要任務(wù)是學(xué)生自主解構(gòu)和復(fù)原“第一代多功能小車”,并結(jié)合已有知識對其進(jìn)行“再設(shè)計(jì)”;第二課時根據(jù)“再設(shè)計(jì)”方案展開實(shí)踐,主要包括多功能小車的硬件搭建和程序編寫,經(jīng)過迭代測試后進(jìn)行重構(gòu)產(chǎn)品的評價與總結(jié)。結(jié)合兩課時的教學(xué)需要,在圖1的基礎(chǔ)上,將整個教學(xué)過程分為試用與感知、分解與觀察、復(fù)原與再設(shè)計(jì)、制作與測試、評價與總結(jié)等五個環(huán)節(jié)。
試用與感知環(huán)節(jié)指通過試用一個或多個熟悉的產(chǎn)品或作品,吸引學(xué)生注意,激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,形成用戶體驗(yàn)并對目標(biāo)產(chǎn)品的功能、材質(zhì)和基本構(gòu)成等形成初步認(rèn)識,可以分別從造型搭建和程序設(shè)計(jì)兩個方面進(jìn)行教學(xué)。在機(jī)器人的造型搭建方面,重點(diǎn)在于通過親身接觸產(chǎn)品,整體把控機(jī)器人的造型特征;在機(jī)器人的程序設(shè)計(jì)方面,重點(diǎn)在于通過實(shí)際操作測試產(chǎn)品的性能,了解產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖,猜想實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能可能需要的程序指令和算法,如以下教學(xué)片段所示。
【教學(xué)片段】
師 :在前幾節(jié)課中,我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了很多有趣的元件,在這節(jié)課中,我們要使用這些元件制作一輛多功能小車。請同學(xué)們先觀看一個視頻,觀察視頻中的小車實(shí)現(xiàn)了什么功能。
教師播放視頻。
生 :小車主要實(shí)現(xiàn)了車燈交替閃爍的功能。
師 :你們面前有一輛小車,在此之前老師已經(jīng)上傳了程序,請兩人一組,試用這輛小車,并用語言來描述它的功能和特征。
生 :打開小車開關(guān),試用功能,并填寫圖4中的“產(chǎn)品的主要功能與特征”。
圖4 產(chǎn)品體驗(yàn)與拆分復(fù)原記錄表
師 :剛才老師觀察了一下同學(xué)們填寫的表格,大部分同學(xué)分析得非常仔細(xì),接下來讓我們想一想,這些功能究竟是如何實(shí)現(xiàn)的呢?
利用產(chǎn)品分析與復(fù)原表來讓學(xué)生明確本節(jié)課的內(nèi)容。
分解與觀察環(huán)節(jié)是指學(xué)生結(jié)合逆向思維推測產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法和過程。在機(jī)器人的造型搭建方面,學(xué)生可以選擇自主或在教師的引導(dǎo)下對機(jī)器人進(jìn)行分解,為了方便教師觀察、加深記憶,填寫機(jī)器人產(chǎn)品的拆分記錄表。在機(jī)器人的程序設(shè)計(jì)方面,如果教師選擇提供已有程序,則重在理解程序的指令、算法及功能;如果教師沒有提供已知程序,則重在使學(xué)生根據(jù)功能倒推程序。
【教學(xué)片段】
師 :請同學(xué)們觀察一下車燈交替閃爍的小車,小組討論并填寫元件的連接方法。
生 :有兩個LED燈,分別接在數(shù)字3號接0和數(shù)字4號接0。
學(xué)生填寫圖4中的“描述硬件拆分的過程”。
師 :知道了硬件如何連接,那么程序如何編寫呢?同學(xué)們之前有了一些基礎(chǔ),希望你們發(fā)揮自己的想象力,思考一下,將如何編寫實(shí)現(xiàn)車燈交替閃爍的程序呢?通過小組討論繪制出流程圖。
學(xué)生之間討論,推測LED燈交替閃爍的流程圖,填寫圖4的“程序流程圖”。
師 :要實(shí)現(xiàn)這個程序其實(shí)并不復(fù)雜,用到的都是一些基本的程序指令,老師給大家提示一下,主要有重復(fù)執(zhí)行語句、等待語句和設(shè)置LED燈亮滅的語句,推測錯誤的同學(xué)可以再進(jìn)行思考。
學(xué)生繼續(xù)檢查和完善程序流程圖。
在結(jié)構(gòu)再造之前加入產(chǎn)品復(fù)原環(huán)節(jié),一方面培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力,另一方面可以在學(xué)習(xí)過程中提高學(xué)生的自我效能感。結(jié)構(gòu)再造環(huán)節(jié)是對現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)或功能的改造和優(yōu)化。這一環(huán)節(jié)通常需要在教師的指導(dǎo)下,先明確現(xiàn)有產(chǎn)品存在的不足或改正之處,哪些要素對機(jī)器人產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能起關(guān)鍵作用,從而針對相關(guān)元素提出修改的方法和原因,形成“再設(shè)計(jì)”方案。需要注意的是,為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,教師在整個教學(xué)過程中只能起輔助、激發(fā)和引導(dǎo)作用,不可包辦學(xué)生的設(shè)計(jì)方案。
【教學(xué)片段】
師 :請同學(xué)們打開AS-Block軟件,結(jié)合你們的程序流程圖,編寫程序,將它上傳至機(jī)器人小車,并填寫“比較與總結(jié)”一欄。
學(xué)生編寫程序并上傳,測試并填寫圖4中的“比較與總結(jié)”。
師 :同學(xué)們都已經(jīng)復(fù)原成功了,下面將進(jìn)入本節(jié)課的重點(diǎn)環(huán)節(jié)——重新設(shè)計(jì)“多功能小車”。我們已經(jīng)學(xué)過了機(jī)器人電機(jī)、聲音檢測、溫度檢測、風(fēng)扇直流電機(jī)和超聲波等元件,結(jié)合這些機(jī)器人元件和目前復(fù)原好的小車,你想要小車實(shí)現(xiàn)什么新的功能呢?需要使用哪些元件以及如何連接呢?請以小組為單位展開設(shè)計(jì),填寫“產(chǎn)品改造記錄表”。需要注意,在考慮可行性的同時盡可能讓小車具有多功能性。
學(xué)生進(jìn)行小組討論,填寫表格。(如圖5)
教師需要隨時檢查學(xué)生設(shè)計(jì)的方案是否可行,并提出建設(shè)性意見。
圖5 產(chǎn)品改造記錄表
師 :剛才老師瀏覽了各小組的設(shè)計(jì)記錄,大部分小組使用的是已經(jīng)學(xué)過的元件,但是對它們進(jìn)行了不同的組合,已經(jīng)完成的小組可以檢查并進(jìn)一步完善,嘗試使用一些新的元件;沒有做完的小組抓緊時間,下節(jié)課我們將參考記錄表,完成“多功能小車”的制作。
在制作與測試時,學(xué)生需要結(jié)合各自“產(chǎn)品改造記錄表”的設(shè)計(jì)方案展開制作活動。在制作過程中會遇到各種各樣的問題,學(xué)生需要發(fā)現(xiàn)問題所在,通過自主思考或詢問教師尋求解決辦法,以便對產(chǎn)品進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)與測試。為了充分利用課堂有效時間,維護(hù)課堂紀(jì)律,教師需要根據(jù)上一課時每一小組的方案設(shè)計(jì)表,在課前準(zhǔn)備并下發(fā)藍(lán)貓智能小車和各組需要的元件。
【教學(xué)片段】
師 :同學(xué)們,上周我們對“多功能小車”進(jìn)行了改造設(shè)計(jì),也許你們已經(jīng)忘記了自己的設(shè)計(jì)思路,請同學(xué)們拿起面前的“產(chǎn)品改造記錄表”,回憶想要實(shí)現(xiàn)的功能。
學(xué)生瀏覽表格,回憶設(shè)計(jì)思路。
師 :為了節(jié)約課堂時間,老師已經(jīng)下發(fā)了你們需要的元件,現(xiàn)在給大家25分鐘時間,請同學(xué)們以小組為單位,自由安排分工,正式開始制作“多功能小車”。
學(xué)生按照設(shè)計(jì)方案制作和測試“多功能小車”。
教師全程輔助學(xué)生,在學(xué)生需要時進(jìn)行答疑解惑。例如,遇到了串口連接問題,三色連接線順序接反了。遇到了程序編寫問題,條件語句的嵌套沒有正確使用。
本環(huán)節(jié)可以從師生兩個方面開展評價。一方面,學(xué)生需要對重構(gòu)產(chǎn)品進(jìn)行自評,如果時間允許,還可以通過產(chǎn)品展示的方式比較重構(gòu)產(chǎn)品與原始產(chǎn)品的優(yōu)缺點(diǎn)。另一方面,教師則需要通過課堂觀察對學(xué)生的表現(xiàn)及小組協(xié)作情況進(jìn)行評價,并結(jié)合課堂拆分記錄和“再設(shè)計(jì)”方案等分析重構(gòu)產(chǎn)品的功能與性能、技術(shù)與實(shí)現(xiàn)、創(chuàng)意與個性。
【教學(xué)片段】
師 :同學(xué)們,在剛才的測試環(huán)節(jié),大多數(shù)學(xué)生完成了硬件搭建和程序設(shè)計(jì)操作。你們覺得自己設(shè)計(jì)的作品與原先我們體驗(yàn)過的機(jī)器人作品相比有什么優(yōu)勢嗎?
表1機(jī)器人作品評分表
一級指標(biāo)二級指標(biāo)評分得分功能與性能(5分)1.作品能夠基本實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。(3分)32.作品性能穩(wěn)定,多次測試使用后仍能穩(wěn)定運(yùn)行(2分)25技術(shù)與方法(5分)1.能夠綜合運(yùn)用所學(xué)機(jī)器人及其他學(xué)科知識制作作品(3分)2.52.能夠清晰、準(zhǔn)確地描述作品設(shè)計(jì)方案(2分)24.5創(chuàng)意與個性(10分)1.設(shè)計(jì)方案在外形、功能或技術(shù)方面有新意或有個性(5分)42.作品在外形、功能或技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面有新意或有個性(5分)48
生1 :我們的作品使用了超聲波和風(fēng)扇直流電機(jī)等傳感器,更多樣、更實(shí)用。
生2 :我們的作品不僅使用了之前學(xué)過的幾種傳感器,還使用了沒有學(xué)過的蜂鳴器,在檢測到距離小于某一值的時候就會播放聲音。
師 :好的,同學(xué)們做得都不錯,沒有完成的同學(xué)也請反思一下遇到的問題和解決辦法。
學(xué)生進(jìn)行自評,填寫圖5中的“比較與總結(jié)”。
師 :老師根據(jù)大家的設(shè)計(jì)表和最終呈現(xiàn)的作品,從功能與性能、技術(shù)與方法、創(chuàng)意與個性三個維度做了評價(如表1所示),希望同學(xué)們能夠繼續(xù)努力,爭取做出更多樣有趣的作品。
在第一節(jié)課中,學(xué)生首先經(jīng)歷了小車的拆分復(fù)原過程,大部分學(xué)生通過自主探究完成了任務(wù),課堂后半部分主要進(jìn)行了“多功能小車”的再設(shè)計(jì),從課堂觀察和產(chǎn)品改造記錄表來看,學(xué)生能夠結(jié)合自身需要綜合運(yùn)用以往所學(xué)知識。在第二節(jié)課中,學(xué)生根據(jù)之前設(shè)計(jì)思路展開實(shí)踐,在沒有教師提示的情況下,自主分工,團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力增強(qiáng)??傮w而言,最終呈現(xiàn)的作品顯示大部分學(xué)生能夠完成項(xiàng)目。不同于傳統(tǒng)的教學(xué)方式,結(jié)構(gòu)復(fù)原型教學(xué)模式為學(xué)生的創(chuàng)造力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、自主探究能力的培養(yǎng)提供了更多可能。
新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程并非一氣呵成,而是在不斷的詢問、修改和測試中完成,迭代的測試過程有助于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力,同時鍛煉學(xué)生的邏輯思維能力,使學(xué)生能有效地將“雙基”與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來。事實(shí)正是如此,在制作“多功能小車”的過程中,操作過程沒有想象中的順利,學(xué)生遇到了串口連接不好、程序上傳不成功、程序編寫細(xì)節(jié)故障等問題,學(xué)生需要通過推測問題根源、不斷地調(diào)整和測試才能完成任務(wù),這個過程有效地培養(yǎng)了學(xué)生的迭代意識、動手操作能力和問題解決能力。教師在此過程中主要起引導(dǎo)輔助作用,有針對性地為學(xué)生答疑解惑,允許學(xué)生結(jié)合自身實(shí)際情況調(diào)整方案,逐步完善設(shè)計(jì),從而在增強(qiáng)學(xué)生自我效能感的同時也為學(xué)生的個性化發(fā)展提供了可能。
本次實(shí)驗(yàn)利用了機(jī)器人拆分與改造記錄表來輔助教學(xué),有助于教師課后分析學(xué)生學(xué)習(xí)情況,但是在實(shí)際教學(xué)過程中,會有學(xué)生跳過表格填寫環(huán)節(jié)直接進(jìn)行軟硬件操作,雖然完成效果也不錯,但無法鞏固學(xué)習(xí)過程,印象不夠深刻。通過課后訪談了解到,此類學(xué)生認(rèn)為不需要進(jìn)行設(shè)計(jì),覺得寫很多字非常麻煩。針對此類學(xué)生,在以后的教學(xué)活動中教師需要多加關(guān)注,一方面可以提出更高的任務(wù)難度要求,另一方面需要進(jìn)一步提高學(xué)生對規(guī)范設(shè)計(jì)意義的認(rèn)識。
就小學(xué)生而言,要求他們直接從零起步創(chuàng)造出全新產(chǎn)品,不僅耗費(fèi)課時長,可行性也較低,這也是傳統(tǒng)項(xiàng)目式教學(xué)難以真正落地的原因之一。相反,鼓勵學(xué)生對已有知識進(jìn)行適當(dāng)整合,在充分理解和掌握實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有產(chǎn)品方法的基礎(chǔ)上,進(jìn)行結(jié)構(gòu)上改造和改良,耗時短,還可精準(zhǔn)培養(yǎng)學(xué)生的操作技能與實(shí)踐能力,為微創(chuàng)新提供了各種可能,有利于腳踏實(shí)地的培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力,同時也讓學(xué)生理解工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的逆向工程方法以及迭代改進(jìn)的思維模式。從這個意義上說,結(jié)構(gòu)創(chuàng)新型教學(xué)模式不僅重要,而且大有可為。既然這是一種比較新的教學(xué)模式,我們希望通過本案例的探索,激發(fā)更多教師開展包括結(jié)構(gòu)創(chuàng)新型教學(xué)在內(nèi)的各種逆向工程教學(xué)模式的嘗試,為機(jī)器人教育乃至創(chuàng)客教育、STEM教育提供新的思路和資源。