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)，成為人類的助手。機(jī)器人技術(shù)是集機(jī)械、電子、傳感器、計算機(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，以項目化學(xué)習(xí)的方式開展“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)、計算機(jī)等學(xué)科知識結(jié)合起來，讓學(xué)生經(jīng)歷對真實項目的需求分析、算法設(shè)計、功能實現(xiàn)、改進(jìn)優(yōu)化、項目創(chuàng)新等一系列“項目生長”的過程，能有效地將知識結(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)用于真實的社會實踐。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”項目的教學(xué)實踐為例，從信息技術(shù)項目化學(xué)習(xí)需用真實問題引發(fā)項目需求、用驅(qū)動性問題助力算法設(shè)計、用工程學(xué)思想提升項目質(zhì)量、用遷移性思維引領(lǐng)項目創(chuàng)新等方面展開論述。

● 用真實問題引發(fā)項目需求

真實性是項目化學(xué)習(xí)的一個重要特征?！罢鎸嵭浴笔紫仁侵笇W(xué)生習(xí)得的知識和能力在現(xiàn)實生活中是可以遷移使用的，而不是只有在特定課堂中才會使用的虛假知識和技能;其次是指問題解決的思路在現(xiàn)實生活中是可以遷移應(yīng)用的?！罢鎸嵭浴辈⒉灰髮W(xué)生學(xué)習(xí)活動中的每個要素都必須是生活中現(xiàn)實發(fā)生的，而是要看到所學(xué)知識與真實世界的某種聯(lián)系。這就要求信息技術(shù)的課堂教學(xué)要從生活中現(xiàn)實存在的問題出發(fā)，以生活中的“真實問題”引發(fā)項目需求。

例如，在“‘機(jī)器人掃地”項目化學(xué)習(xí)中，面向真實生活，出示情境：環(huán)衛(wèi)工人凌晨3點就開始工作，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，為我們帶來整潔的學(xué)習(xí)環(huán)境;小紅帽志愿者們犧牲中午休息時間打掃機(jī)房，讓計算機(jī)遠(yuǎn)離灰塵，讓機(jī)房干凈、整潔;父母長輩們?nèi)找共賱?，煩瑣的家?wù)讓他們累彎了腰……以這些真實世界中的真實場景引發(fā)學(xué)生對平凡崗位上默默無聞辛勤勞動的人們的尊敬與感恩，在引起共情的同時，自然而然地引出項目需求——設(shè)計一個機(jī)器人，讓“機(jī)器人”掃地，解放重復(fù)的人類勞動，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、父母長輩忙碌的身影等畫面都是現(xiàn)實生活中真實存在的，每個學(xué)生都是見證者，個別學(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)生平時也許并沒有注意，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幫幫他們呢？”“我們能不能讓機(jī)器來代替重復(fù)的人類勞動呢？”等問題隨之提出，這樣，項目需求就水到渠成，同時也激發(fā)了學(xué)生迫切想要解決問題的內(nèi)驅(qū)力。真實問題就如同開啟學(xué)生心靈的鑰匙，可以激起學(xué)生思維的火花，打開學(xué)生思維的大門，引領(lǐng)學(xué)生通往知識的殿堂。

● 用驅(qū)動性問題助力算法設(shè)計

項目化學(xué)習(xí)是通過驅(qū)動性問題引發(fā)學(xué)生對學(xué)科核心知識的思考和探索的。項目化學(xué)習(xí)關(guān)注核心知識，這意味著設(shè)計者要提出本質(zhì)問題，而本質(zhì)問題往往比較抽象、龐大，初中學(xué)段的學(xué)生難以接受，所以，將本質(zhì)問題轉(zhuǎn)化為有趣、友好的驅(qū)動性問題，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，算法即解決問題的步驟和方法，設(shè)計算法是編寫程序的第一步。“如何設(shè)計算法讓機(jī)器人掃地”這個本質(zhì)問題太龐大、太抽象，對于機(jī)器人模塊的初學(xué)者來說，無異容易讓其直接蒙圈。因此，教師需要為學(xué)生搭建腳手架，將這個抽象、龐大的本質(zhì)問題分解為更加友好、形象的驅(qū)動性問題——“機(jī)器人掃地過程中是哪些部件在運(yùn)動？”“這些部件的運(yùn)動方式怎樣？”筆者發(fā)現(xiàn)，類似這樣的驅(qū)動性問題更容易操作，能引發(fā)學(xué)生主動觀察機(jī)器人掃地時各部件的運(yùn)動狀態(tài)，將無意注意轉(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)動導(dǎo)致輪子的轉(zhuǎn)動，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)器人完成掃地的動作。如此一來，算法流程圖（如圖1）也就明確了。

驅(qū)動性問題引發(fā)了學(xué)生的高階思維，除了上述主動去分析算法流程之外，它還引發(fā)了學(xué)生主動的評價——課堂中用來模擬機(jī)器人掃地的“OSTD開源機(jī)器人”套件并不是真正清理了垃圾，而只是通過機(jī)器人前進(jìn)同時掃把旋轉(zhuǎn)將垃圾移出了主干道，垃圾只是被移到了邊上角落里，而并沒有被真正清理干凈。如果這個項目要應(yīng)用到現(xiàn)實生活中，還需要增加簸箕功能，通過吸附等操作將垃圾投入簸箕。學(xué)生提出觀點、分析推理、給出證據(jù)……驅(qū)動性問題本身推動了解決問題和推理技能的應(yīng)用，同時也激發(fā)了學(xué)生自己查找信息、學(xué)習(xí)關(guān)于此問題的知識結(jié)構(gòu)以及解決問題的方法。驅(qū)動性問題就像在學(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)生的心智在各個方向上自由涌動。

● 用工程學(xué)思想提升項目質(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)域的概念來系統(tǒng)解決復(fù)雜問題。工程設(shè)計過程大多包括同樣的基本步驟（如下頁圖2）。工程設(shè)計過程的本質(zhì)是迭代性的，即工程師基本上不會在基本步驟中線性地工作，相反，在明確最后設(shè)計方案之前，他們在不同步驟之間轉(zhuǎn)換。同理，信息技術(shù)項目化學(xué)習(xí)也需要不斷地反思、優(yōu)化、迭代，用工程學(xué)思想來提升項目質(zhì)量。

教師要非常清晰且有意識地強(qiáng)化一個概念，即項目化學(xué)習(xí)過程是迭代式的，并不是一條由基本步驟組成的筆直路線。在項目化學(xué)習(xí)中，教師要不斷鼓勵學(xué)生重新審視前面的步驟，鼓勵學(xué)生對自己項目設(shè)計的長處和缺陷進(jìn)行批判性思考。例如，在“‘機(jī)器人掃地”項目中，鼓勵學(xué)生對初步完成的掃地項目提出質(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，教師要鼓勵開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)化項目，提升項目的質(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”，這涉及循線問題，需要用到循跡（或稱灰度）傳感器;有的學(xué)生提出“讓機(jī)器人掃地時自動避開障礙物，讓清掃更加智能”，這就涉及避障問題，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，讓清掃更有針對性、更干凈”，要實現(xiàn)這一項目功能，需要加入其他更為專業(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)”的可操作的項目功能進(jìn)一步優(yōu)化項目，如避障、循線等。在項目的迭代優(yōu)化與完善中，學(xué)生逐步收獲成功，在“項目生長”的過程中不斷獲得成就感與自信心。

● 用遷移性思維引領(lǐng)項目創(chuàng)新

完成項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)知即一個人意識到自己的思維并對之進(jìn)行反思的知識和技巧（Brown，1978;Flavell，1979）?？紤]學(xué)生在整個項目開發(fā)過程中真正內(nèi)化學(xué)到的東西，當(dāng)學(xué)生清晰地識別出自己理解了“機(jī)器人”掃地的過程方法與原理時，他們就可以在現(xiàn)有項目功能的基礎(chǔ)上遷移、創(chuàng)新設(shè)計更優(yōu)的項目方案，為智能生活服務(wù)。例如，發(fā)現(xiàn)羽毛球訓(xùn)練場散落的羽毛球，我們可以設(shè)計讓機(jī)器人來撿球，解放人類勞動（如圖3）。以下為學(xué)生在“項目創(chuàng)新”設(shè)計中提出的創(chuàng)新點：一是“給機(jī)器人追加光線傳感器，如果光線過暗，開啟照明，使機(jī)器人能夠在黑暗的管道內(nèi)掃地，解決人類清掃黑暗管道時的安全問題”;二是“給機(jī)器人追加水箱和抹布，如果檢測到頑固污漬，就噴水并啟動‘拖把模式，否則啟動‘掃把模式，讓機(jī)器人掃地更干凈”……

在“‘機(jī)器人掃地”的項目化學(xué)習(xí)中，除了讓學(xué)生深切體會當(dāng)今科技的強(qiáng)大以及科技對生活的改變，樹立起崇尚科學(xué)、熱愛科學(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)”帶來的生產(chǎn)和生活的變革，就如一則公益廣告中所說，雖然“空巢老人”有機(jī)器人陪伴，但機(jī)器永遠(yuǎn)無法取代親情，機(jī)器人不能完全代替人。“‘機(jī)器人掃地”項目的最終目標(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，而不是過度依賴機(jī)器。