柠条文化背景下的机器人课堂仿真教学策略研究

魏邦军

随着人工智能作为一门新兴的技术课程进入校园,很多地区的学生已经接触到了前沿的知识和技能。但是部分偏远地区的农村学生却可望而不可即。如何能让他们也体会一下先进的课程,缩小教育的差距,部分农村小学将“仿真机器人”单独列入了课表,作为课程在四、五、六年级开设起来。“机器人”就是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器叫机器人。既有机器人的功能,又针对教学目的专门设计了相关功能的机器人叫教学用机器人。仿真机器人也称为虚拟机器人,就是用计算机中的相关软件来模拟真实机器人和环境而进行的操作和练习,从而对学生进行技能训练的一种教学方法,也是一种将理论与实践结合的新教学手段,如何更好地开设这门课程,在很多农村小学是一个空白。这里我们以榆中县吕家岘小学的探索过程为例阐述所获得的经验和做法。

一、 机器人仿真教学的价值所在

机器人仿真教学是在缺少资金的情况下利用电脑软件进行模拟机器人的一种教学形式,这样可以让信息科学的课程标准能够在农村执行下去。让这些大山中的学生和城市的学生一样可以接触到机器人、人工智能等先进的东西,从而进一步弥补童年时代的空缺。

机器人仿真教学的实施能进一步完善农村小学综合实践课程的教学,更好地实施国家的三级课程体系。在没有机器人仿真教学的时候,农村小学的综合实践课除了种植养殖和手工制作外,再也没有一方的天地。机器人仿真教学的引入不仅让农村的学校的课程体系内容丰富,而且还有了先进科技的味道,也有助于农村学校品牌化、特色化的发展。

机器人仿真教学其本质就是编程思维培养。能够培养学生对机器人的浓厚兴趣,从而提升学生的信息化素养,提升他们解决问题的能力。在农村小学的儿童当中其实编程思维还是很少被发掘和培养的。我们可以通过本课程的教学让农村学生的编程思维得以开发,甚至成为发现农村编程方面的特殊人才的有效途径。

二、 机器人仿真教学的策略探究

(一)利用榆中县吕家岘小学柠条校园文化课堂理念来武装仿真机器人课堂

第一,柠条校园文化课堂理念精髓深刻,值得探索贯穿机器人仿真教学自始至终,其中可指导课堂理念形成的重要思想如下:

校训:向下扎根 向上攀登

校风:人人努力 合作共赢

阐释:

校训:柠条正因为能在艰苦的环境中生根发芽,能够展现生命力的旺盛,与它向下扎根,向上攀登有着密切的联系。向下扎根就是脚踏实地、不断学习、提高自己;向上攀登不仅仅是学习文化知识,更重要的是学会做人的道理。

校风:柠条所体现出来的根连根、枝连枝的团结精神,才能抵御风寒。全校师生要具有柠条精神,团结一致,不管做什么事情都能有合作精神,团队意识。

第二,在校园文化理念的引导下形成了柠条课堂文化的轴心理念,将成为学校仿真机器人课堂设计和教学的思想依据。其具体内容为:柠条面对恶劣的环境和有限的成长资源,有一种丛生的理念。在丛生中便于协作成长,实现自我成长的超越和对外环境竞争的超越,从而实现自己生命成长的价值。这种发展思路也适合我们的课堂,从而造就了我们柠条课堂的轴心理念:丛生(小组)——协作(合作)——超越(竞争)——价值。其中,丛生是基础,协作和超越是必要环节,价值是导向。价值是这组轴心理念中的重要内在因素,把握好这一理念,才能在其他理念的应用中有所收获。

丛生理念应用在教学课堂上,就是小组教学。这样小组就是学校或班级实现教育教学以及评价的机构和功能的基本单位。从学生层面上讲,小组是为了共同的发展目标,由学生组成的、有组织、有文化、有特色的有机教育教学实体,像柠条一样共同丛生,便于集中大家的力量来解决相对困难的问题和任务。同时,小组成员之间也可以相互关照,实现多对一的帮扶工作。我们的柠条娃就是丛生中的一株株柠条,只有在一丛柠条中,得到小集体的关照,共同协作。在资源匮乏的条件下,像其他个头较大,生长环境较好的植物一样成长起来。因此我们的课堂必须注重对柠条娃的栽培工作,其方法也类同于柠条的栽培。

价值是主体(小组)有意义的行为心理过程。我们的柠条的发展是有其实实在在的价值的。它不像盆栽花一样,仅仅为了长得好看;也不像参天大树一样那样壮观而显得高傲。这是因为它们生长在资源匮乏的环境中,它们的生命所需要的“水分”来之不易。所以,它们生命的每一步都必须有价值实现,它们活动的每一点都要在有限的资源空间中展现价值。我们的柠条娃在学校成长的过程中,由于成长的环境和柠条是一样的。面对贫困的家庭条件,面对学校有限的教育教学资源,我们在学校的每一节课,每一个活动都要有追求的价值。所以我们的柠条课堂要有明确的价值导向和指标。从而教会柠条娃学会追求价值,学会利用有限的资源追求更大的学习或成长的价值,不要浪费我们生命和生活中的有效资源。为了操作方便,我们在柠条课堂的管理中采用教学币制度,建立柠条币系统,实现价值的定性和定量管理。

协作(合作)是主体(小组)对内部的可控资源实现有效整合、共享、利用、加工,使得主体及主体内部协调发展,从而追求价值增量的行为。柠条的成长,正是在丛生的基础上,实现合理的枝根分布。有的根从远处汲取水分,有的分布在近处。有的枝分布在边缘阻挡风沙和阻挡牲口的嚼食,有的分布在中间接受阳光得到保护和成长。我们的柠条娃小组也是一样的,在小组内部要有合理的分工,要有合理的关照,小组内发挥各成员的有利条件和长处,为小组谋资源、谋发展,实现小组的共同发展。比如在作业方面,我们分为三种作业类型,即目标作业、过程作业、贡献作业。目标作业表现为学生完成了什么目标,如学会了什么,背会了什么,获得了什么技能;过程作业,即学生完成了什么过程,如读了一遍书,完成了什么具体任务等;贡献作业,即在学习过程中为小组做了什么样的贡献,比如完成了对某个成员的帮扶工作,又如完成了对小组作业的共同检查校对任务等。

超越(竞争)是主体(小组)在活动过程中与参照标准相比较,从而实现达成价值增量而进行的有目的、有组织的行为。这里的参照标准可以是自我,也可以是其他主体,同样也可以是一个具体的任务管卡。生长在山坡或沙丘上的柠条这儿一丛,那儿一丛。它们并不是所谓的年年岁岁如此,而是在不断地遥相呼应,竞争发展。它们自我与过去比较,也与其他比较,它们总是在给人们展示最强的生命力。所以比赛和超越也是柠条娃教育教学课堂管理的一种有效形式。在教育教学管理中,我们要进行各小组的比赛。有了竞争,就给小组注入了活力,从而进一步促成了小组自我超越促成和发展。这种超越机制不仅有利于实施教育教学管理,更为重要的是给柠条娃注入了超越的意识,有利于他们快速地成长,也能使得他们将来能够更快地融入这个竞争型的社会打好基础。

柠条娃的成长充满了感人的故事,我们这里的柠条娃不仅在学习过程中展现柠条娃课堂的理念,而且在学习中也以柠条相关游戏为情景进行活动,从中获得游戏的乐趣。他们寄乐于学,争取柠条币,组建最美柠条小组,成了他们课余的话题。这样,形成了一个大的情景教育的理念,这又是情景教学法浓浓的一笔色彩。

第三,在柠条课堂理念指引下,我们设计了机器人仿真课堂

在柠条课堂理念下,我们的机器人仿真课堂就是几个学生共同合作,利用一台计算机共同探究仿真机器人。他们利用小组合作的方式完成相关编程任务后,在小组之间实施比赛,比赛之后再进行总结经验,然后再向更高的目标出发。

(二)精心设计学教素材,控制有效的学习难度

最近发展区理论给我们的启发是:为确定的目标而选取的学与教的材料与学生的认知发展水平成合理的距离时,让学生跳一跳摘到桃子,效果是最好的。为此,农村学校作为一门校本实践课程开设机器人仿真教学,就要根据学校实际情况制订课程纲要和选择学与教的素材。因此设计学与教的素材是十分必要的,关乎仿真机器人课堂教学的成败。所以素材的选择应遵循以下原则。

第一,因为仿真教学是一种特殊的软件教学,所编写教材中应详细介绍软件的操作。比如,图形化编程界面和仿真运行环境界面的每一步操作都要详细地列举。

第二,素材中选择简单的案例要便于学生模仿,甚至学生稍做改变参数修改就可以形成一个新的案例。在运行和修改的过程中,再改变一下又成了新的作品。这样便于学生有成功的体验,在这个过程中自然而然地就学会了内容。

第三,练习素材及任务应该从简,去掉多余的内容。比如,在教学机器人唱歌环节中,仅让学生做一个唱do、re、mi的练习,不要增加其他的练习内容,以便让本次训练达到零基础的要求。进一步练习时,可做成向前走100,唱do、re、mi。或做成向右转唱do、re、mi。这样使得学习的内容比较简单,从而就会学得比较轻松,从而实现相关的目标。

第四,对于较难的练习内容应选择填空式的练习。这里仍然以机器人唱歌的练习来说明,比如,在完成一个向前走唱歌,转向唱歌的程序时,应该先下发程序中的部分内容,然后由学生补充填空,这样就能够降低学生学习的难度。

设计好了素材我们就成功了一半。一堂课中素材的精选与设计,不仅关乎一节课的时间控制,学生练习的完成情况,还关乎一节课目标的达成。

(三)搭建良好三系统,创建有效学与教环境

仿真机器人教学,就是利用信息技术环境,模拟智能机器人的课程,其实质就是一个特定内容的信息课。为了能够有效实施仿真机器人的课堂教学活动,我们经过多次实验,创造了相关课堂模型。因为其具体的流程分为准备环节、练习环节、评价环节,习惯上称之为三系统课堂。

第一,练习系统。现代农村学校一般都配有微机室,并且将教师机与学生机连成局域网,在此基础上安装上电子教室软件。这样就集成了学生练习演示,教师演示指导和督促的一个平台。上课时再下发给学生的练习文件夹,学生就可以做大量的练习与实践了。这就具备了一个练习系统,通俗的讲就是我们一般意义上的微机室系统,现在的学校都能够满足这个硬件要求。

第二,准备系统。教师在教学之前要充分地做好相关的准备,其相关的软硬件综合,我们称之为准备系统。准备系统包括软件和硬件两个方面。软件方面包括小组建设和前期的知识准备。硬件方法包括机房系统和投影ppt等。当然也可以是教师用于给学生展示知识和练习提示的ppt等。这样,教师可以展示相关教学内容和学生特别出色的作品。让练习和评价有基础,其效果才能够充分地体现出来。

第三,评价系统。能够让学习达到最大的效益,我们构建了及时评价学练的效果的评价系统。评价系统包括评价的制度、评价的方式方法、评价的策略和评价结果的记录。这里狭义上的评价系统是指记录评价和展示结果的载体系统。对于其具体的实施我们可采用小组课堂计分表、小组积分软件、优秀作品展览墙等方式来进行。

(四)采用冰糖葫芦式的环节使得课堂生态化

仿真机器人的学习过程实质就是图形化编程,对于学生来说,是一种陌生的东西。因此,农村小学开展仿真机器人教学在知识接受上存在一定的困难。但是,农村学生对机器人这个新事物充满着好奇和那股强有力的模仿力。在这种学情下,让学生放小步子一个独立环节接着一个独立环节的方式进行学习,能够降低学习难度,从而实现其向前发展。

首先,作为机器人仿真教学,编程和模拟实验都要在电脑环境下进行,每节课40分钟都要眼睛和显示器交互,这样特别不利于眼睛的健康。所以分成几个段,每个段中都有不同的形式活动,有利于眼睛等器官的调节。其次,学生的注意力一般在10到20分钟左右,分段做不同的活动,可以有效地将注意力集中到每段中,提高学习效率。再次,由于仿真编程较难,所以学生学习起来容易忘记教师的讲解和演示。采用该种结构缩短了讲和练之间的时间达到及时练习的目的,解决了以往课堂结构中由于讲练时间过于集中而学生忘记老师讲的内容。运用练习系统和准备系统可以实现同步模仿练习的效果。最后,机器人解决问题的过程实质就是一种挑战过程,如果运用冰糖葫芦式的结构,显然给学生一种关卡式的感觉,这一节课就有了闯关的趣味性。

(五)以赛促学既对学生课堂学习进行评价反馈,也可以丰富校园科技生活内容

为了激发学生对仿真机器人的学习兴趣,丰富学生综合实践活动内容,提高学生的信息化素养,展示综合实践活动成果,要定期举行学校级别的仿真机器人大赛。

大赛可分为兴趣组和大众组进行分别比赛和颁奖。参加仿真机器人社团的学生必须报兴趣组参赛,不得参加大众组的比赛,但非社团的成员可以报兴趣小组参赛。各个组别的难度要有所调整。例如,大众组比赛任务可为:走正多边形(比赛现场从正三边形到正九边形中抽取一个题目),其具体打分标准为:轨迹封闭(2分),边数符合要求(2分),角度规范成多边形(3分),交卷序号(计分方式(31-序号)/10。兴趣组比赛内容可为:走出房间,其具体打分标准为:是否有碰撞检测和循环过程(2分),出发点是否到位(2分),走出时间(20-时间分钟)/5。

我们可以把比赛活动作为教学活动的一个整体来进行,也可以作为学校科技节的一部分来执行。这样,不仅展示了教学的成果,给学生一段时间学习结果的反馈,还可以给在校的学生提供一次科技的盛宴,让农村学生的童年和城市学生的童年一样高大上而精彩。

三、 机器人仿真教学的反思

毕竟仿真机器人不如实物机器人那么用起来有真实感,所以我们在教学实施的过程中一定要注意创设情境的重要性。长期使用电脑对学生的视力也有一定的伤害,所以在教学过程中要注意劳逸结合。农村仿真机器人教学刚刚起步,尚属星火之举,今后的道路艰难,要尽最大的努力,寻求更多的参与者和爱好者,为农村学校机器人仿真教学的探索尽绵薄之力。

随着近年大量仿真机器人软件的大量开发,如腾讯扣叮虚拟机器人、鲸鱼虚拟机器人的出现,仿真机器人的步伐越来越大,为今后的农村仿真机器人教学开拓更为广阔的天地。