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利用虛擬技術(shù)開(kāi)展機(jī)器人課程教學(xué)的實(shí)踐與思考

2024-01-10 06:43:06何新華
關(guān)鍵詞:虛擬技術(shù)人工智能

何新華

【摘 要】機(jī)器人課程已逐步走進(jìn)中小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)中,大部分學(xué)校主要以社團(tuán)形式開(kāi)展機(jī)器人課程教學(xué),而信息科技教材中機(jī)器人相關(guān)的內(nèi)容很多都難以執(zhí)行。如何讓更多的學(xué)生在機(jī)器人教學(xué)中受益,是每位信息科技教師及機(jī)器人教師應(yīng)該探索的點(diǎn)。借助“虛擬機(jī)器人”平臺(tái)開(kāi)展日常教學(xué),執(zhí)行課程計(jì)劃,是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的有效嘗試。

【關(guān)鍵詞】虛擬技術(shù) 機(jī)器人課程 人工智能

一、問(wèn)題的由來(lái)

2000年,機(jī)器人課程進(jìn)入北京景山學(xué)校信息技術(shù)課程中,隨后,全國(guó)一些經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)也開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的機(jī)器人校本課程并進(jìn)行實(shí)踐與探索。雖然江蘇早已將機(jī)器人內(nèi)容編入信息科技教材,但在部分區(qū)域終因機(jī)器人設(shè)備無(wú)法落實(shí)等問(wèn)題難以真正實(shí)施。

《教育信息化“十三五”規(guī)劃》要求推進(jìn)人工智能在中小學(xué)的普及,通過(guò)作品創(chuàng)作、編程設(shè)計(jì)、動(dòng)手實(shí)施,提高學(xué)生的編程能力和計(jì)算思維能力,從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí),發(fā)展學(xué)生的實(shí)踐能力與可持續(xù)學(xué)習(xí)能力。很多學(xué)校相繼建立“創(chuàng)客空間” “人工智能教室”,并將創(chuàng)客課程、機(jī)器人課程及人工智能課程引入課表。黨的二十大報(bào)告強(qiáng)調(diào)“教育、科技、人才”對(duì)現(xiàn)代化國(guó)家的基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性支撐,這更為以機(jī)器人、編程等為代表的科技教育注入了強(qiáng)有力的動(dòng)力。這些都為學(xué)校機(jī)器人教學(xué)提供了新的思路,機(jī)器人教學(xué)也正朝著這個(gè)方向在不斷地進(jìn)步。但中小學(xué)機(jī)器人教育的普及率仍然很低,往往只局限于個(gè)別班的校本選修或課后服務(wù),因此機(jī)器人教學(xué)在整個(gè)學(xué)校課程體系中面臨著不可避免的窘境。

(一)經(jīng)費(fèi)預(yù)算不足,設(shè)備過(guò)于昂貴

目前中小學(xué)所選用的機(jī)器人器材,主要是樂(lè)高、中鳴等廠商出品,機(jī)器人設(shè)備成本高,使眾多學(xué)校望而卻步,即使開(kāi)設(shè)機(jī)器人課程,也只有少數(shù)學(xué)生能夠體驗(yàn),無(wú)法讓每一個(gè)感興趣的學(xué)生都能真正接觸。

(二)師資全面匱乏,教師有心無(wú)力

雖然有些學(xué)校有開(kāi)設(shè)機(jī)器人課程的意向,但苦于師資匱乏,只能選擇以課后服務(wù)或選修課的形式與校外培訓(xùn)機(jī)構(gòu)合作,而某些機(jī)構(gòu)為了引流,實(shí)現(xiàn)利益最大化,只選擇相對(duì)簡(jiǎn)單的、低成本的內(nèi)容進(jìn)行教學(xué),學(xué)校教師也接觸不到真正的機(jī)器人技術(shù)層面的知識(shí),致使學(xué)校的機(jī)器人教學(xué)水平整體不高。

(三)大班整班教學(xué),教學(xué)效率低下

由于機(jī)器人教學(xué)涉及搭建、編程等多個(gè)環(huán)節(jié),40分鐘根本無(wú)法保證每個(gè)(組)學(xué)生都能完成學(xué)習(xí)任務(wù),教學(xué)效率低下,且教具的整理、課間的銜接、作品的保留等問(wèn)題也一直困擾著中小學(xué)信息科技教師。

二、擺脫機(jī)器人教學(xué)窘境的途徑

機(jī)器人教學(xué)重在培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力,提高學(xué)生的計(jì)算思維能力、工程操作能力及合作探究能力,從而幫助學(xué)生塑造健全人格。如何擺脫上述窘境,有效實(shí)施機(jī)器人教學(xué),讓每個(gè)學(xué)生都能參與機(jī)器人學(xué)習(xí),成了我們共同追求的目標(biāo)。

(一)采用以Arduino為代表的開(kāi)源機(jī)器人

以Arduino為代表的開(kāi)源機(jī)器人逐漸成為很多學(xué)校機(jī)器人裝備的主流,蘇科版信息科技教材中“xDing”機(jī)器人就是最具代表性的例子,除此以外,用掌控板、行空板、樹(shù)莓派對(duì)等主控板配上拓展板、傳感器、結(jié)構(gòu)件等,就是一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)器人,由于是一個(gè)封裝好的機(jī)器人,平時(shí)上課只需要添加合適的傳感器即可。如此,機(jī)器人的投入就小了好多,有時(shí)候甚至只要一套器材(一支隊(duì)伍)的費(fèi)用就可以裝備一個(gè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室。

(二)采用虛擬平臺(tái)的機(jī)器人技術(shù)

開(kāi)源機(jī)器人雖然價(jià)格便宜,但根據(jù)筆者所在學(xué)校使用的開(kāi)源器材來(lái)講,經(jīng)過(guò)一學(xué)期的使用,主控板和傳感器的故障率還是相當(dāng)高的,特別是一些焊接接口很容易松動(dòng),造成有時(shí)不能正常使用,因此筆者也一直在尋找可以進(jìn)行機(jī)器人整班教學(xué)的途徑,直到2020年11月中國(guó)科協(xié)推出虛擬機(jī)器人在線體驗(yàn)活動(dòng)。帶領(lǐng)學(xué)生參加這次比賽后,筆者找到了一種在信息科技課程中實(shí)施機(jī)器人教學(xué)的全新思路。

在中國(guó)科協(xié)的推動(dòng)下,現(xiàn)在國(guó)內(nèi)各大主流廠商都有不同的虛擬機(jī)器人平臺(tái),如中鳴RoboSim虛擬機(jī)器人、鯨魚(yú)虛擬機(jī)器人、TGE虛擬機(jī)器人等,這些平臺(tái)的發(fā)展可圈可點(diǎn),虛擬機(jī)器人的比賽和課程都已趨于成熟。

三、虛擬機(jī)器人課程實(shí)施的實(shí)踐與思考

(一)關(guān)注學(xué)生差異,從普及到創(chuàng)新

學(xué)生的發(fā)展存在著巨大的差異,根據(jù)學(xué)生的接受能力和現(xiàn)有水平,可以將虛擬機(jī)器人教學(xué)劃分為以下三個(gè)層次并進(jìn)行相應(yīng)的課程實(shí)施(如圖1)。

1.普及

利用五、六年級(jí)信息科技課程進(jìn)行整班教學(xué)。家長(zhǎng)只需通過(guò)手機(jī)注冊(cè)免費(fèi)的賬號(hào),學(xué)生即可在普通機(jī)房學(xué)習(xí)虛擬機(jī)器人課程,通過(guò)所見(jiàn)即所得的搭建界面、基于Scratch圖形化的編程、流暢且多角度的模擬運(yùn)行,學(xué)生對(duì)虛擬機(jī)器人及虛擬機(jī)器人編程產(chǎn)生濃厚的興趣,從而學(xué)習(xí)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、傳感器檢測(cè)、機(jī)器人巡線等基礎(chǔ)機(jī)器人知識(shí),進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)虛擬機(jī)器人相關(guān)知識(shí)的興趣,開(kāi)拓學(xué)生的眼界。

2.提升

利用學(xué)校課后服務(wù)或自由課程時(shí)間,將對(duì)虛擬機(jī)器人感興趣的學(xué)生集中組織起來(lái),對(duì)這一內(nèi)容進(jìn)行深入研究和學(xué)習(xí),筆者在2021年就曾利用虛擬機(jī)器人平臺(tái)上了一節(jié)溧陽(yáng)市市級(jí)公開(kāi)課“機(jī)器人走迷宮”,學(xué)生搭建了形態(tài)各異的機(jī)器人,編寫(xiě)了不同思路的程序,能力得到有效提升。

3.創(chuàng)新

在2022世界機(jī)器人大賽錦標(biāo)賽(北京)中,筆者所在學(xué)校共有三名學(xué)生參加虛擬機(jī)器人賽項(xiàng),并全都取得了佳績(jī),究其原因還是與選拔機(jī)制有關(guān)。筆者挑選出的這些學(xué)生不但興趣濃厚,極具研究特長(zhǎng),而且樂(lè)于探究并富有團(tuán)隊(duì)意識(shí),通過(guò)對(duì)比例巡線、AI巡線、任務(wù)完成等進(jìn)行有效探究,比如對(duì)“時(shí)空橋傳輸”任務(wù)進(jìn)行了大量探究,最后利用多手臂聯(lián)動(dòng)來(lái)完成任務(wù),創(chuàng)造力和創(chuàng)新性得到進(jìn)一步提高,對(duì)機(jī)器人的工作原理及編程思想有了更深刻的認(rèn)識(shí)。

(二)進(jìn)行項(xiàng)目學(xué)習(xí),啟迪多重思維

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》將“跨學(xué)科主題”作為信息科技課程內(nèi)容的重要組成部分,倡導(dǎo)真實(shí)性學(xué)習(xí)。機(jī)器人課程是集“科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)”于一體的STEAM課程,不光用于比賽,更多地可以用于跨學(xué)科學(xué)習(xí)。以項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的方式組織教學(xué),對(duì)于開(kāi)拓學(xué)生的思維品質(zhì)、改變學(xué)生的思維方式具有積極的意義。下面筆者以全國(guó)青少年虛擬機(jī)器人在線體驗(yàn)活動(dòng)為例,談一談怎么在虛擬機(jī)器人教學(xué)中組織項(xiàng)目化學(xué)習(xí)以及跨學(xué)科學(xué)習(xí)。

1.確定項(xiàng)目主題

虛擬機(jī)器人體驗(yàn)活動(dòng)由自主設(shè)計(jì)的機(jī)器人、各種形態(tài)的道路(草地、小溪、土路)、各種突發(fā)事件(大灰狼、隧道、蟒蛇、碎石)等各種虛擬元素組成。教師可以把它當(dāng)作一個(gè)大項(xiàng)目分解成多個(gè)小項(xiàng)目再設(shè)計(jì)成課程加以實(shí)施,學(xué)生的首要任務(wù)就是自主設(shè)計(jì)機(jī)器人小車,安裝各種傳感器用于道路行走、路口識(shí)別、任務(wù)識(shí)別,并編寫(xiě)執(zhí)行程序,模擬機(jī)器人行走、避障等任務(wù)。這些任務(wù)就是教師需要帶領(lǐng)學(xué)生研究的主題,學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣自選主題,也可以全部參與。

2.小組合作共建

選擇了自己想研究的主題,學(xué)生還需要掌握搭建虛擬機(jī)器人的技巧,如積木與積木、積木與傳感器之間如何連接,如何將積木和傳感器轉(zhuǎn)到合適的角度,如何選擇合適的傳感器,程序該如何編寫(xiě)等。有的只需教師將合適的資源分發(fā)給學(xué)生,通過(guò)小組合作學(xué)習(xí),引導(dǎo)學(xué)生自主探究。在這個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中,學(xué)生首先要去發(fā)現(xiàn)相關(guān)問(wèn)題,然后通過(guò)學(xué)習(xí)教師分發(fā)的資源、小組合作、尋求幫助等多種方式去解決遇到的問(wèn)題。在整個(gè)探究過(guò)程中,學(xué)生都是在主動(dòng)地學(xué)習(xí),而不是被動(dòng)地接受,學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中,不但學(xué)會(huì)了如何去搭建機(jī)器人、用程序控制機(jī)器人,更多地學(xué)會(huì)了如何去和學(xué)習(xí)伙伴溝通合作、共同進(jìn)步。這就是項(xiàng)目化學(xué)習(xí)最大的收獲。

在通過(guò)編寫(xiě)程序控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)有學(xué)生發(fā)現(xiàn),如果選用前驅(qū)車,機(jī)器人停止時(shí)總是會(huì)出現(xiàn)“磕頭”現(xiàn)象,而選用后驅(qū)車后,啟動(dòng)時(shí)又會(huì)出現(xiàn)“翹頭”現(xiàn)象,學(xué)生對(duì)這種情況產(chǎn)生了濃厚的興趣,提出了很多問(wèn)題:機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中為什么會(huì)“磕頭”或“翹頭”?重量對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)有沒(méi)有影響?如何擺脫慣性的影響?前驅(qū)和后驅(qū)機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)各是什么?通過(guò)對(duì)這些問(wèn)題的分析和對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)、程序的不斷調(diào)整,學(xué)生不但理解了程序,更通過(guò)虛擬化的實(shí)驗(yàn)完成了科學(xué)課中關(guān)于慣性、前后驅(qū)知識(shí)的探究,真正實(shí)現(xiàn)了跨學(xué)科學(xué)習(xí)。

3.實(shí)踐探究明理

上述學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中關(guān)于慣性和前后驅(qū)等問(wèn)題的探究只是本次項(xiàng)目化學(xué)習(xí)過(guò)程中的一小塊,只停留在虛擬機(jī)器人課程的初始階段,尚未指向虛擬機(jī)器人探究的核心。除此之外,學(xué)生還會(huì)產(chǎn)生一系列的問(wèn)題,通過(guò)深度融合前一階段的知識(shí)和問(wèn)題,經(jīng)歷“聚焦問(wèn)題—尋求方案—實(shí)施方案”三個(gè)過(guò)程,學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力得到充分鍛煉。

學(xué)生通過(guò)討論,最終將所有問(wèn)題聚焦如下:(1)什么樣的結(jié)構(gòu)更適合機(jī)器人完成任務(wù)?(2)如何通過(guò)AI視覺(jué)模塊控制機(jī)器人不脫離道路?(3)如何控制機(jī)器人快速轉(zhuǎn)過(guò)路口?(4)如何讓機(jī)器人穿過(guò)隧道、繞過(guò)石頭、識(shí)別大灰狼、蟒蛇等?(5)怎樣才能尋找到最優(yōu)的解決方案?學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中不斷提升數(shù)學(xué)、工程、技術(shù)能力等,自主探究、合作學(xué)習(xí)、交流互動(dòng)自然而然就展開(kāi)了。

4.成果共享延伸

成果共享環(huán)節(jié)是為學(xué)生展示成果搭建支架,幫助學(xué)生交流創(chuàng)作思路,匯報(bào)學(xué)習(xí)成果。還是以“機(jī)器人走迷宮”這節(jié)課為例,學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中設(shè)計(jì)了很多方案,有的通過(guò)超聲波傳感器檢測(cè)判斷前方與墻壁的相應(yīng)距離后轉(zhuǎn)彎、有的用觸碰傳感器碰墻后后退轉(zhuǎn)彎……學(xué)生的每一種方案都值得肯定和鼓勵(lì),教師只有關(guān)注學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的算法,才能更好地關(guān)注計(jì)算思維的培養(yǎng)。通過(guò)在分享、交流、互動(dòng)中學(xué)習(xí)別人方案中的長(zhǎng)處,不斷地改進(jìn)自己的方案,并在“發(fā)現(xiàn)—優(yōu)化”的過(guò)程中尋求完成虛擬機(jī)器人任務(wù)的“最優(yōu)方案”,學(xué)生在不知不覺(jué)中提高了分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

四、結(jié)語(yǔ)

以虛擬機(jī)器人為核心的機(jī)器人教學(xué)解決了中小學(xué)機(jī)器人教育器材短缺的問(wèn)題,在學(xué)習(xí)內(nèi)容上融合了技術(shù)、科學(xué)、物理等各學(xué)科知識(shí),符合《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》倡導(dǎo)的“跨學(xué)科學(xué)習(xí)”,以項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的方式培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維,以信息化的方式去解決問(wèn)題,從而培養(yǎng)學(xué)生的信息科技核心素養(yǎng),為國(guó)家培養(yǎng)數(shù)字人才。

【參考文獻(xiàn)】

鐘柏昌.中小學(xué)機(jī)器人教育的困境與突圍[J].人民教育,2016(12).

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