秦曉蘭

隨著人工智能的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已廣泛應(yīng)用于人們的日常生活與學(xué)習(xí)，成為人類(lèi)的助手。機(jī)器人技術(shù)是集機(jī)械、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、材料、控制等多學(xué)科交叉融合的前沿高新技術(shù)，而“機(jī)器人技術(shù)”又是蘇科版《初中信息技術(shù)》的五大模塊之一。因此，以項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的方式開(kāi)展“機(jī)器人技術(shù)”模塊的教學(xué)，能有效地將科學(xué)、工程、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等學(xué)科知識(shí)結(jié)合起來(lái)，讓學(xué)生經(jīng)歷對(duì)真實(shí)項(xiàng)目的需求分析、算法設(shè)計(jì)、功能實(shí)現(xiàn)、改進(jìn)優(yōu)化、項(xiàng)目創(chuàng)新等一系列“項(xiàng)目生長(zhǎng)”的過(guò)程，能有效地將知識(shí)結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化，提升其信息技術(shù)的核心素養(yǎng)，并將素養(yǎng)應(yīng)用于真實(shí)的社會(huì)實(shí)踐。下面，筆者以蘇科版《初中信息技術(shù)》“機(jī)器人技術(shù)”模塊中“‘機(jī)器人掃地”項(xiàng)目的教學(xué)實(shí)踐為例，從信息技術(shù)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)需用真實(shí)問(wèn)題引發(fā)項(xiàng)目需求、用驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題助力算法設(shè)計(jì)、用工程學(xué)思想提升項(xiàng)目質(zhì)量、用遷移性思維引領(lǐng)項(xiàng)目創(chuàng)新等方面展開(kāi)論述。

● 用真實(shí)問(wèn)題引發(fā)項(xiàng)目需求

真實(shí)性是項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的一個(gè)重要特征。“真實(shí)性”首先是指學(xué)生習(xí)得的知識(shí)和能力在現(xiàn)實(shí)生活中是可以遷移使用的，而不是只有在特定課堂中才會(huì)使用的虛假知識(shí)和技能;其次是指問(wèn)題解決的思路在現(xiàn)實(shí)生活中是可以遷移應(yīng)用的。“真實(shí)性”并不要求學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)中的每個(gè)要素都必須是生活中現(xiàn)實(shí)發(fā)生的，而是要看到所學(xué)知識(shí)與真實(shí)世界的某種聯(lián)系。這就要求信息技術(shù)的課堂教學(xué)要從生活中現(xiàn)實(shí)存在的問(wèn)題出發(fā)，以生活中的“真實(shí)問(wèn)題”引發(fā)項(xiàng)目需求。

例如，在“‘機(jī)器人掃地”項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中，面向真實(shí)生活，出示情境：環(huán)衛(wèi)工人凌晨3點(diǎn)就開(kāi)始工作，天天辛勞只為城市清潔;校園保潔阿姨每逢雙休日都要做一次徹底清掃，為我們帶來(lái)整潔的學(xué)習(xí)環(huán)境;小紅帽志愿者們犧牲中午休息時(shí)間打掃機(jī)房，讓計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)離灰塵，讓機(jī)房干凈、整潔;父母長(zhǎng)輩們?nèi)找共賱冢瑹┈嵉募覄?wù)讓他們累彎了腰……以這些真實(shí)世界中的真實(shí)場(chǎng)景引發(fā)學(xué)生對(duì)平凡崗位上默默無(wú)聞辛勤勞動(dòng)的人們的尊敬與感恩，在引起共情的同時(shí)，自然而然地引出項(xiàng)目需求——設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人，讓“機(jī)器人”掃地，解放重復(fù)的人類(lèi)勞動(dòng)，提高人們的生活品質(zhì)。

道路環(huán)衛(wèi)工人、校園保潔阿姨、學(xué)生志愿者、父母長(zhǎng)輩忙碌的身影等畫(huà)面都是現(xiàn)實(shí)生活中真實(shí)存在的，每個(gè)學(xué)生都是見(jiàn)證者，個(gè)別學(xué)生甚至還是參與者，一些學(xué)生也許自己就是校園清衛(wèi)保潔志愿者中的一員。學(xué)生平時(shí)也許并沒(méi)有注意，但是，當(dāng)課堂梳理出這些情境中共同的關(guān)鍵要素——“辛苦勞累”之后，諸如“我們能不能想辦法來(lái)幫幫他們呢？”“我們能不能讓機(jī)器來(lái)代替重復(fù)的人類(lèi)勞動(dòng)呢？”等問(wèn)題隨之提出，這樣，項(xiàng)目需求就水到渠成，同時(shí)也激發(fā)了學(xué)生迫切想要解決問(wèn)題的內(nèi)驅(qū)力。真實(shí)問(wèn)題就如同開(kāi)啟學(xué)生心靈的鑰匙，可以激起學(xué)生思維的火花，打開(kāi)學(xué)生思維的大門(mén)，引領(lǐng)學(xué)生通往知識(shí)的殿堂。

● 用驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題助力算法設(shè)計(jì)

項(xiàng)目化學(xué)習(xí)是通過(guò)驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題引發(fā)學(xué)生對(duì)學(xué)科核心知識(shí)的思考和探索的。項(xiàng)目化學(xué)習(xí)關(guān)注核心知識(shí)，這意味著設(shè)計(jì)者要提出本質(zhì)問(wèn)題，而本質(zhì)問(wèn)題往往比較抽象、龐大，初中學(xué)段的學(xué)生難以接受，所以，將本質(zhì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為有趣、友好的驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題，能更好地激發(fā)學(xué)生投入探究學(xué)習(xí)的情感。

我們知道，算法即解決問(wèn)題的步驟和方法，設(shè)計(jì)算法是編寫(xiě)程序的第一步?！叭绾卧O(shè)計(jì)算法讓機(jī)器人掃地”這個(gè)本質(zhì)問(wèn)題太龐大、太抽象，對(duì)于機(jī)器人模塊的初學(xué)者來(lái)說(shuō)，無(wú)異容易讓其直接蒙圈。因此，教師需要為學(xué)生搭建腳手架，將這個(gè)抽象、龐大的本質(zhì)問(wèn)題分解為更加友好、形象的驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題——“機(jī)器人掃地過(guò)程中是哪些部件在運(yùn)動(dòng)？”“這些部件的運(yùn)動(dòng)方式怎樣？”筆者發(fā)現(xiàn)，類(lèi)似這樣的驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題更容易操作，能引發(fā)學(xué)生主動(dòng)觀察機(jī)器人掃地時(shí)各部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將無(wú)意注意轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸庾⒁猓芸?，學(xué)生便得出了是輪子和掃把在運(yùn)動(dòng)的結(jié)論。從分析現(xiàn)象入手，學(xué)生很快又發(fā)現(xiàn)輪子被固定在電機(jī)上，在機(jī)器人通電以后電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而促使機(jī)器人向前行走;而掃把被固定在舵機(jī)上，在機(jī)器人通電以后舵機(jī)的角度變化而導(dǎo)致了掃把的左右旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而促使機(jī)器人完成掃地的動(dòng)作。如此一來(lái)，算法流程圖（如圖1）也就明確了。

驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題引發(fā)了學(xué)生的高階思維，除了上述主動(dòng)去分析算法流程之外，它還引發(fā)了學(xué)生主動(dòng)的評(píng)價(jià)——課堂中用來(lái)模擬機(jī)器人掃地的“OSTD開(kāi)源機(jī)器人”套件并不是真正清理了垃圾，而只是通過(guò)機(jī)器人前進(jìn)同時(shí)掃把旋轉(zhuǎn)將垃圾移出了主干道，垃圾只是被移到了邊上角落里，而并沒(méi)有被真正清理干凈。如果這個(gè)項(xiàng)目要應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中，還需要增加簸箕功能，通過(guò)吸附等操作將垃圾投入簸箕。學(xué)生提出觀點(diǎn)、分析推理、給出證據(jù)……驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題本身推動(dòng)了解決問(wèn)題和推理技能的應(yīng)用，同時(shí)也激發(fā)了學(xué)生自己查找信息、學(xué)習(xí)關(guān)于此問(wèn)題的知識(shí)結(jié)構(gòu)以及解決問(wèn)題的方法。驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題就像在學(xué)生心中拋下了一顆小石子，激起了層層漣漪，開(kāi)啟了學(xué)生的心智自由，擴(kuò)大了思考的范圍，讓學(xué)生的心智在各個(gè)方向上自由涌動(dòng)。

● 用工程學(xué)思想提升項(xiàng)目質(zhì)量

工程學(xué)思想就是應(yīng)用數(shù)學(xué)、科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的概念來(lái)系統(tǒng)解決復(fù)雜問(wèn)題。工程設(shè)計(jì)過(guò)程大多包括同樣的基本步驟（如下頁(yè)圖2）。工程設(shè)計(jì)過(guò)程的本質(zhì)是迭代性的，即工程師基本上不會(huì)在基本步驟中線性地工作，相反，在明確最后設(shè)計(jì)方案之前，他們?cè)诓煌襟E之間轉(zhuǎn)換。同理，信息技術(shù)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)也需要不斷地反思、優(yōu)化、迭代，用工程學(xué)思想來(lái)提升項(xiàng)目質(zhì)量。

教師要非常清晰且有意識(shí)地強(qiáng)化一個(gè)概念，即項(xiàng)目化學(xué)習(xí)過(guò)程是迭代式的，并不是一條由基本步驟組成的筆直路線。在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中，教師要不斷鼓勵(lì)學(xué)生重新審視前面的步驟，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)自己項(xiàng)目設(shè)計(jì)的長(zhǎng)處和缺陷進(jìn)行批判性思考。例如，在“‘機(jī)器人掃地”項(xiàng)目中，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)初步完成的掃地項(xiàng)目提出質(zhì)疑——它不“聰明”，如何改進(jìn)可以讓“機(jī)器人”更聰明呢？學(xué)生提出質(zhì)疑后，教師要鼓勵(lì)開(kāi)放式的討論以拓展學(xué)生的思維，組織小組甚至全班的頭腦風(fēng)暴式的討論與交流，汲取“金點(diǎn)子”，使學(xué)生能按照同學(xué)們討論后達(dá)成的一致方案去優(yōu)化項(xiàng)目，提升項(xiàng)目的質(zhì)量。

例如，有的學(xué)生提出“讓機(jī)器人沿著規(guī)定的路線掃地，讓清掃更有目的性”，這涉及循線問(wèn)題，需要用到循跡（或稱(chēng)灰度）傳感器;有的學(xué)生提出“讓機(jī)器人掃地時(shí)自動(dòng)避開(kāi)障礙物，讓清掃更加智能”，這就涉及避障問(wèn)題，需要用到超聲波傳感器;有的學(xué)生提出“讓機(jī)器人分辨污漬、灰塵、紙屑等，讓清掃更有針對(duì)性、更干凈”，要實(shí)現(xiàn)這一項(xiàng)目功能，需要加入其他更為專(zhuān)業(yè)的傳感器……綜合學(xué)生討論的成果和學(xué)生現(xiàn)有的學(xué)習(xí)水平，選擇適合學(xué)生“最近發(fā)展區(qū)”的可操作的項(xiàng)目功能進(jìn)一步優(yōu)化項(xiàng)目，如避障、循線等。在項(xiàng)目的迭代優(yōu)化與完善中，學(xué)生逐步收獲成功，在“項(xiàng)目生長(zhǎng)”的過(guò)程中不斷獲得成就感與自信心。

● 用遷移性思維引領(lǐng)項(xiàng)目創(chuàng)新

完成項(xiàng)目功能并不是最終目的，學(xué)生能夠進(jìn)行思維遷移，運(yùn)用所學(xué)的核心概念和思想方法去創(chuàng)新項(xiàng)目、學(xué)以致用才是創(chuàng)造力的體現(xiàn)，也是學(xué)習(xí)的真正意義所在。這也與項(xiàng)目化學(xué)習(xí)倡導(dǎo)的“終身學(xué)習(xí)”原則不謀而合。

終身學(xué)習(xí)原則根植于元認(rèn)知與探究。元認(rèn)知即一個(gè)人意識(shí)到自己的思維并對(duì)之進(jìn)行反思的知識(shí)和技巧（Brown，1978;Flavell，1979）。考慮學(xué)生在整個(gè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中真正內(nèi)化學(xué)到的東西，當(dāng)學(xué)生清晰地識(shí)別出自己理解了“機(jī)器人”掃地的過(guò)程方法與原理時(shí)，他們就可以在現(xiàn)有項(xiàng)目功能的基礎(chǔ)上遷移、創(chuàng)新設(shè)計(jì)更優(yōu)的項(xiàng)目方案，為智能生活服務(wù)。例如，發(fā)現(xiàn)羽毛球訓(xùn)練場(chǎng)散落的羽毛球，我們可以設(shè)計(jì)讓機(jī)器人來(lái)?yè)烨?，解放人?lèi)勞動(dòng)（如圖3）。以下為學(xué)生在“項(xiàng)目創(chuàng)新”設(shè)計(jì)中提出的創(chuàng)新點(diǎn)：一是“給機(jī)器人追加光線傳感器，如果光線過(guò)暗，開(kāi)啟照明，使機(jī)器人能夠在黑暗的管道內(nèi)掃地，解決人類(lèi)清掃黑暗管道時(shí)的安全問(wèn)題”;二是“給機(jī)器人追加水箱和抹布，如果檢測(cè)到頑固污漬，就噴水并啟動(dòng)‘拖把模式，否則啟動(dòng)‘掃把模式，讓機(jī)器人掃地更干凈”……

在“‘機(jī)器人掃地”的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中，除了讓學(xué)生深切體會(huì)當(dāng)今科技的強(qiáng)大以及科技對(duì)生活的改變，樹(shù)立起崇尚科學(xué)、熱愛(ài)科學(xué)的思想感情，還應(yīng)當(dāng)使其辯證地看待“機(jī)器人技術(shù)”帶來(lái)的生產(chǎn)和生活的變革，就如一則公益廣告中所說(shuō)，雖然“空巢老人”有機(jī)器人陪伴，但機(jī)器永遠(yuǎn)無(wú)法取代親情，機(jī)器人不能完全代替人?！啊畽C(jī)器人掃地”項(xiàng)目的最終目標(biāo)是倡導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮聰明才智，讓機(jī)器服務(wù)于人類(lèi)，而不是過(guò)度依賴(lài)機(jī)器。