基于FLL项目的机器人校本选修课的课程实践
时间：2020-04-27 05:24:20 来源：千叶帆 本文已影响人
摘 要：随着教育部新课程标准（2017年版）的颁布，高中通用技术课程被赋予新的时代要求，机器人选修课也在高中教学中得到了不断的推广和实施。将乐高机器人FLL项目引入高中通用技术校本选修课课程，能够从技术意识、工程思维、创新设计、物化能力等方面培养和构建高中学生的通用技术学科核心素养。本文通过具体案例阐述了基于STEAM的以FLL项目为载体的机器人校本选修的课程开发与实践。
关键词：FLL；机器人；通用技术；校本选修；STEAM
引言
2017年7月20日国务院印发了《新一代人工智能发展规划》，明确指出了我国新一代人工智能到2030年发展战略目标。规划中指出：“广泛开展人工智能科普活动，实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程。”[ 1 ]。我们这个时代最重要的通用技术就是人工智能，而机器人又是人工智能的重要组成部分。通用技术机器人选修课程如果能够认真把握，将对高中生的一生都产生重大影响。对于学校开展机器人校本选修课程，FLL项目是一个不错的选择。
1 什么是FLL
FLL是“FIRST LEGO League”的简称，它是美国FIRST机构与乐高集团联合组织的一个针对9-16岁孩子的国际比赛项目，每年FIRST LEGO League向全球公布年度挑战项目，孩子们使用乐高产品用科学的方式去调查研究并且自己动手设计机器人完成项目挑战。FLL作为一项全球性大赛已有将近20年的历史，在我国这项活动也开展的如火如荼。但笔者认为FLL不应仅仅停留于比赛，它可以作为高中通用技术机器人选修课程的载体，让它实现更大的价值。
2 基于FLL的机器人校本选修课的可行性
2.1 基于FLL项目的机器人选修课程实现了与通用技术必修课内容的对接
FLL作为一项国际性的机器人赛事，每年9月份， FIRST LEGO League会向全球参赛队伍公布年度挑战项目。参与者必须使用乐高组件、主机、伺服电机以及传感器自行设计机器人以完成项目规定的各项任务。选修课程中可以灵活选择场地图纸中的某个或者多个任务展开机器人设计活动，充分结合必修一《技术与设计一》中学习到的“设计的一般过程”的知识来对机器人进行整体设计，也可以结合必修二《技术与设计二》中的“结构、流程、系统、控制的设计”进行教学。如：流程的设计的实践活动载体选择在教学中是一个难点，但在FLL活动中我们可以轻松地通过改变机器人完成任务的顺序来实践任务流程的优化。由此可见该项目选修课的开设是通用技术必修课程的有效补充，对必修知识的巩固起到重大作用。
2.2 基于FLL项目的课程可充分利用乐高设备的高效性提高课堂效率
众所周知乐高设备作为教学载体的优势明显。首先在机器人设计制作过程中不必使用其他加工工具，安全可靠，学生可以用百分百精力投入项目设计。其次，快速的拆装可以让学生在很短的课堂时间内从设计到测试再到改进，学生可以很快看到自己的设计成果，让自己的设想得到反馈，有利于他们信心的树立。再次，在编程方面LEGO MINDSTORMS图形化的编程软件，学生短时间就可轻松上手，让他们快速进入程序设计状态。另外乐高的耐用是公认的，对于开设课程来说，这一点是非常关键的，减轻了授课老师很多负担。
2.3 FLL项目的机器人选修课程体现通用技术的核心素养
机器人的设计通常经历建构、编程、控制调试三个阶段，在FLL项目中为了完成其中任何一个规定的任务，设计者都必须先分析任务，再绘制设计图纸、制作合适的机械结构，这个过程不但培养了学生的创新设计能力、图样表达能力，也提高了他们的物化能力。机械结构设计完毕，学生又通过系统分析、比较权衡选择最优的设计方案，这可以让他们认识到系统与工程的多样性和复杂性，从而建立他们的工程思维。FLL项目的设计过程其实就是一个系统的工程，有效地增强了学生的技术意识。
3 FLL机器人校本选修课与基于项目的STEAM学习
基于项目的教学最早可以追溯到20世纪早期杜威的“建构主义学习论”，它更加强调学习的主观性和情景性，提倡以学生为中心的学习。高中学生的心理特点决定他们更喜欢独立学习，他们的这种特点使他们能更积极地投入到问题的解决方案中。而作为教师则应顺应高中生的这种特点，以协助者和指导者的身份在学生需要帮助时发挥作用。机器人教育通过基于FLL机器人设计项目的STEAM学习，可充分将科学、技术、工程、数学以及艺术融合于一个完整的探究式学习过程。在接受项目任务之后，学生在兴趣的驱动下自主地完成机器人的设计，通过各个学科的知识整合，有效地提升了学生解决问题的能力，提升学生的STEAM素养。
图1所示是FLL2017—2018赛季的一个场地任务，设计一个机器人将左边乐高积木模拟的窨井盖翻转180度后如右图样子。为了完成这样一个看似简单的动作，对于高中生来说是要做很多功课的：如何利用传感器让机器人精准地接近井盖，如何利用数学上的算法让机器人寻线的效率更高，如何设计翻转的机械装置，如何保证动作的成功率……这整个过程其实就是一个跨学科知识的综合运用、自主建构的学习过程。
法国教育家卢梭说过：“最好的教育就是无所作为的教育：学生看不到教育的发生，却实实在在地影响着他们的心灵，帮助他们发挥了潜能，这才是天底下最好的教育。”[ 2 ]。基于FLL项目STEAM教学为学生提供了更多探索他們自己兴趣的机会，也是培养学生个性发展和潜能开发的有效工具。
4 基于FLL机器人校本课程的实施
FLL作为一项机器人活动项目，在大多数学校都是以兴趣小组或学科竞赛的方式存在的，如何将它开发成校本课程引入通用技术选修课？FLL项目选修课不仅仅要具备机器人教学的特点，培养学生的动手能力和创新意识，更重要的是要让他们在实践中建立系统的观点和意识，促进学生综合素质的提高。因此，课程的设计必须针对高中生的特点，以生活经验作为基础，本着提高分析问题、解决问题的能力，从FLL活动中挖掘切合学生实际的内容进行教学。
4.1 教学准备
4.1.1 FLL 机器人比赛场地
每年9月，FLL年度挑战内容全球同步公布后，教师应首先熟悉挑战内容，对整体项目做合理的取舍，制定适合选修课使用的课程内容，因为FLL的年度挑战通常由15个左右的单独任务组成，内容过于繁琐复杂，并不适合整体照搬至选修课。通过教师有选择性的重新组合，让学生以教师引导和自主学习相结合，尽享机器人搭建、编程、调试和人工智能带来的喜悦。这不仅有利于学生兴趣的培养，同时也符合学生循序渐进的认知规律。
4.1.2 乐高软硬件设备
目前，乐高机器人流行的是第三代LEGO主控器—EV3，它具有四个输入端口和四个输出端口，支持USB2.0，蓝牙和Wi-Fi与电脑通讯。同时，还必需配置足量的大型、中型伺服电机、各种传感器、乐高结构组件以便进行各种的设计。在软件方面鉴于高中生对于计算机语言的掌握情况，建议使用上手容易的LEGO MINDSTORMS图形化的编程软件。另外最好配备笔记本电脑，可以通过蓝牙连接机器人直接下载程序调试，从而提高学习效率。
4.1.3 学生人数与课时安排
作为校本选修课建议安排在高一学期，开设36学时，两周一次课，每次两节连上。学生不宜过多，一班以15至20人为宜，3-4人一组。根据学校设备数量决定开设班级数，机器人设计不是一节或者几节课可以完成的，必须保证每个小组对各组机器人设备的独占，直至课程结束。
4.2 课程内容设置
鉴于FLL项目的选修课本身作为项目学习，学生在探究中应该具有更多的独立性。同时，还应鼓励学生小组之间的积极沟通和合作。因此在课程设置中如何能更好地体现学生的主体地位，让学生通过实践建构知识，就成为这项校本选修课成功与否的关键。在课程实践中笔者将本课程分为四个阶段：
第一阶段（8课时）
机器人的基本知识学习，包括：乐高EV3机器人的认识，乐高组件及传感器的使用，简单机械知识的掌握，编程环境的熟悉。学生通过几个实例的搭建对乐高机器人有一个整体的认识。
第二阶段（10课时）
针对FLL场地中的单个任务设计机器人，完成单个任务。在这个阶段学生小组经历了对机器人硬件及软件的设计，为第三阶段打下良好基础。在设计中学生可以运用通用技术必修课上学到的知识尝试设计的一般过程，从构思到一个机器人的完成，每个人都有自己个性化的想法，呈现出多个方案。最终经过筛选选出最优方案作为小组方案进行制作。
第三阶段（14课时）
教师根据实际情况，选取场地图纸中若干个任务，并制定比赛规则让学生重新对机器人进行设计。在这个阶段各个小组所要重点考虑的是系统的设计、流程的设计，如何让机器人在最短的时间内完成更多的任务，得到更多的分数。
第四阶段（4课时）
成果展示，根据教师制定的比赛规则，进行比赛，成绩作为教学评价的评分组成部分。
4.3 恰当的运用教学方法
教学方法的运用直接关系到学生的学习效果。工程思维是以系统分析和比较权衡为核心的一种筹划性思维[ 3 ]。工程思维的培养应该作为机器人选修课的首要教学目标。学生通过选修课的学习，要学会如何运用系统分析的方法，针对机器人技术领域的问题进行要素分析、方案构思及比较权衡，以及最后能够进行简单的决策分析和性能评估。因此，在教学过程中应该以学生为主体，采取自评与互评相结合，自主探究、合作交流的基于建构主义理论的学习方法，学生在学习中应以小组为单位针对机器人的机械设计、程序设计、策略与创新等方面做好项目设计的工程笔记。而教师的教法也应以任务驱动法为主，设计一系列教学测试模式，鼓励学生分组进行团队竞赛，调动学生学习和创作的积极性，为学生创造能够充分施展能力的空间。
4.4 教学评价方式
课程的教学评价方式采取过程性与终结性评价相结合，主要包括以下三个方面。
4.4.1对工程笔记的评价
所谓的工程笔记是学生在机器人设计过程中对软硬件设计的成功、失败及经验总结的记录。工程笔记记录的过程就是学生自主学习以及核心素养物化能力的培养过程，工程笔记将作为学生参加课程学习的过程性评价的重要依据。
4.4.2 對于项目研究（包括论文）评价
每年的FLL都是基于一个富有意义的主题，以主题作为载体开展机器人设计活动。如2016-2017的主题为动物之友、2017-2018的主题为饮水思源。课题的研究以及论文的撰写对于通用技术核心素养中学生技术意识与创新设计的培养极具意义。对课题研究及撰写论文的评价，可作为终结性评价中的重要指标。
4.1.3 测试
让学生展示自己设计作为课程的结束。根据FLL竞赛规则，举行一场比赛，将比赛成绩作为终结性评价中的另一项指标。
5 结束语
机器人是当今发展迅速、应用广泛且技术高度综合的现代技术产品[ 3 ]。基于FLL项目的机器人校本选修课充分激发了学生主动学习的欲望。它不仅培养了学生发现问题、解决问题的能力，而且在技术意识、工程思维、创新设计、物化能力等核心素养的培养方面也具有重大的意义。目前，人工智能技术渗透教育领域的发展趋势迅猛，机器人教育正面临快速发展的大好机遇。基于FLL项目的机器人设计作为人工智能教育领域的一份子在高中通用技术校本选修课中必然能够发挥其巨大的作用。
参考文献：
[1]包桂霞.“人工智能”启蒙教育离课堂有多远[J].中国信息技术教育，2017（22） ：70.
[2] 汤勇.好的教育就是适合孩子的教育[J].未来教育家，2014（11）：1-3 .
[3] 中华人民共和国教育部.普通高中技术课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2017.
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