韓蕾 鐘柏昌

機器人教學能夠有效培養(yǎng)學生的動手實踐能力、問題解決能力以及創(chuàng)意設計能力。一直以來，筆者致力于中小學機器人教育的普及工作，并于2015年初承擔了河北省小學和初中機器人電子教材（以下簡稱“冀教版”）的開發(fā)任務。本文以冀教版八年級下冊《機器人》為例，闡述初中機器人教材的設計思路及特點。本冊教材采用Arduino開源硬件板和Ardublock圖形化編程環(huán)境，共計20課時，其中第15～20課時為可選課時。

目標定位：核心素養(yǎng)

學科核心素養(yǎng)可分為三個層次：雙基層，以基礎知識和基本技能為核心；問題解決層，以解決問題過程中所獲得的基本方法和基本態(tài)度為核心；學科思維層，指在系統(tǒng)的學科學習中通過體驗、認識及內(nèi)化等過程逐步形成相對穩(wěn)定的思考問題、解決問題的思維方法和價值觀。以核心素養(yǎng)的三層結構為指引，筆者試圖將上述核心素養(yǎng)滲透于教材中，詳情見下頁表1。

內(nèi)容選擇：知行并舉

機器人教育強調(diào)學生的自主實踐，因此更適合以項目的形式來組織教學。與項目教學相對應，項目化的教材要求每節(jié)課以項目的形式組織，并整合完成項目所需的理論知識，因此其本質(zhì)上體現(xiàn)了知行并舉的內(nèi)容選擇和組織思路。在本冊教材中，在兩個層面上體現(xiàn)了知識與能力的整合。

一是知識的單列與項目的映射。在每個項目中，根據(jù)項目任務分析，形成一個專門的模塊“基礎知識與基本技能”。此模塊并非孤立存在，在后繼具體的實踐中將直接運用該模塊中的知識，因此與具體的項目實踐有著緊密的聯(lián)系（映射），只是為了方便描述和學習，將其“切片”出來作為一個重點內(nèi)容，列出了一些較具代表性的課時（如下頁表2）。

二是問題引入與知識內(nèi)化。在“基礎知識與基本技能”模塊，知識的呈現(xiàn)不是直白的描述，而是基于問題和實踐循循善誘，以序列小問題的分析和解決不斷強化這些關鍵的知識和技能的掌握。

例1：第8課《聲控風扇》中“基礎知識和基本技能”節(jié)選。

【基礎知識】PWM模式控制電機的針腳分配；設置電機模塊和模擬聲音傳感器的功能及使用方法。

【基本技能】利用PWM模式和設置電機模塊來控制電機的轉(zhuǎn)動；利用模擬聲音傳感器收集聲音信號。

【問題分析與知識引入】制作聲控風扇的關鍵是風扇的驅(qū)動和聲音的檢測。扇葉安裝在直流電機上，因此風扇的驅(qū)動需要由電機控制，聲音的檢測則可使用模擬聲音傳感器。繼而在“基礎知識與基本技能”中引出直流電機與模擬聲音傳感器的功能及使用方法。

【知識應用】在ArduBlock中利用“PWM模式”和“設置電機模塊”控制電機的轉(zhuǎn)動，參考程序如圖1和圖2所示。在ArduBlock中利用串口監(jiān)視器監(jiān)測模擬聲音傳感器的輸入值，參考程序如圖3所示。

【問題分析與知識內(nèi)化】

（1）將圖1程序中的去掉，會有什么現(xiàn)象？

（2）將圖2程序中的電機速度200改為-100，觀察風扇轉(zhuǎn)動有何變化？

【案例解讀】在第1個問題中，引導學生思考針腳4對測試結果的影響，以此強化學生對PWM模式下針腳4所對應功能的理解；在第2個問題中，提供了教材中原有程序的變式，若設置電機模塊中的速度值為負，則電機轉(zhuǎn)動方向為反轉(zhuǎn)，從而使學生能夠靈活設置電機模塊中的值來控制風扇的轉(zhuǎn)動。

內(nèi)容組織：聚類思想

本冊教材主要以聚類化的思想來組織教學內(nèi)容，從而完成整體框架和章節(jié)結構的設計。聚類化課程設計思想，即依據(jù)某種線索組合一系列教學項目。根據(jù)已有研究，大致有三種聚類方式：以相似的功能聚類，以相似的目標聚類，以相似的技術思想聚類。

本冊教材按輸入與輸出為線索進行單元主題的聚類，即數(shù)字輸出與模擬輸出（LED）—數(shù)字輸入（電子骰子）—模擬輸入（蜂鳴器）—單電機控制（風扇）—雙電機控制（小車）—科學探究實驗（科學探究專題）。

在課時層面上，教材就不同知識點也進行了不同形式的聚類。

1.以相似的功能聚類

筆者通過設計某些問題解決活動，將技術工具所具有的相似功能集合在一起，達到功能操作和問題解決的融會貫通。

例2：第10課《遙控風扇》中的程序設計。

【教材呈現(xiàn)】假設風扇的速度分為三擋，則遙控換擋風扇的程序可參考圖4。

做一做：使用“如果/否則”能夠完成上述程序嗎？試試看。

【案例解讀】在教材呈現(xiàn)的參考程序中，利用了單分支模塊來完成遙控器變換風扇轉(zhuǎn)速擋位的程序編寫，而“做一做”向?qū)W生提出是否能夠利用“如果/否則”模塊來完成相同的程序功能，可以引發(fā)學生向新知識的遷移。

2.以相似的目標聚類

使用不同的工具可以解決相同的問題，從而聚類不同的技術工具和使用方法。

例3：第11課《驅(qū)動小車》控制機器人小車的運動。

【教材呈現(xiàn)】針腳控制小車前進參考程序如圖5所示，電機模塊控制小車前進參考程序如圖6所示。

做一做：①任選一種方法來控制小車，使其后退；②任選一種方法來控制小車，使其原地轉(zhuǎn)圈。

【案例解讀】兩種方式均可控制小車的運動，第一種方法可以通過設置針腳的高低電平來控制車輪的運動方向；設置針腳的模擬值來控制小車的車速；第二種方法則是直接設置M1和M2的值控制小車的運動方向與車速。這種呈現(xiàn)方式便于學生理解這兩種方法的異同并能在不同的任務中遷移應用。

3.以相似的技術思想聚類

技術工具雖有不同，但其背后的技術思想可能是一致的，將這些具有相同技術思想的技術工具挖掘出來，以豐富多樣的技術活動表達出來，可以達到舉一反三的功效。

例4：編程中的循環(huán)結構

【教材呈現(xiàn)】想一想：請同學們思考一下，與兩者之間的異同。

【案例解讀】主程序是一個自循環(huán)體，每當程序執(zhí)行結束就重新開始執(zhí)行程序。當循環(huán)中有條件語句與執(zhí)行語句，只有條件語句滿足時才會運行執(zhí)行語句，而主程序是無條件循環(huán)。對比兩種模塊，可以幫助學生更好地理解當循環(huán)語句及其程序設計思想。

內(nèi)容呈現(xiàn)：生活化與結構化

1.教材內(nèi)容的生活化呈現(xiàn)

生活化即回到學生的生活世界，從學生經(jīng)驗出發(fā)逐漸引入新的概念，而不是生硬地呈現(xiàn)這些概念。

一方面，利用學生的生活經(jīng)驗，使用類比分析幫助學生理解新的知識。

例5：第1課《點亮星燈》的第一部分“機器人是什么”中講解機器人的構造。

【教材呈現(xiàn)】類似人類的身體，機器人也是由幾大“器官”組成：機器人的大腦——主控制器，機器人的眼睛、耳朵和觸角——傳感器，機器人的手、足——驅(qū)動器和執(zhí)行器。

【案例解讀】此處將機器人比作人類，經(jīng)過這種生活化的類比，使學習者更好地理解機器人各部分的組成及功能。

另一方面，利用學生的學習經(jīng)驗，通過認知沖突幫助學生接受新的知識。這種呈現(xiàn)方式基于學生已有的學習經(jīng)驗，但又高于學生的已有認知，處于認知的“最近發(fā)展區(qū)”，故有利于學生對新知識的理解，建立新舊知識之間的聯(lián)系。

例6：第3課《呼吸燈》PWM概念的提出。

【教材呈現(xiàn)】由于呼吸燈不只有亮和滅兩種狀態(tài)，還具有若干不同明暗度的變化，所以采用上節(jié)課中的數(shù)字輸出控制LED將無法實現(xiàn)預期效果，此時需要采用一種新的輸出方式——PWM。我們可以參考表1中的設計方案，來完成呼吸燈的制作。

【案例解讀】教材中PWM的概念并不是直接呈現(xiàn)給學生，而是由相關的問題引入，引起他們的認知沖突，再適時引入PWM的概念。

2.教材內(nèi)容的結構化呈現(xiàn)

結構化即按照一定的邏輯思路將教材內(nèi)容依據(jù)某一特定框架進行呈現(xiàn)。結構化地呈現(xiàn)教材內(nèi)容，目的是方便學生閱讀，減少認知負擔，并提供學習支持。本冊教材的必修課由闡明學習目標、呈現(xiàn)內(nèi)容結構、背景主題介紹、方案設計、基礎知識與基本技能、實現(xiàn)過程和拓展提升七部分組成。

小結

本教材具有基礎性、創(chuàng)造性、趣味性、主體性與整合性等特點。筆者希望通過本教材的學習，學生能夠習得Arduino機器人的基礎知識與基礎技能，能夠獲得利用Arduino機器人解決實際問題的能力，從而進一步形成利用機器人分析問題、解決問題的思維方法和價值觀，并初步得到利用智能裝置改造生活的方法論，建立認識人工智能的世界觀。