基于A-STEM的机器人课程教学研究

    叶小辉 方金翠 杨帆

    

    【摘 要】人工智能时代已经来临，在学校开展机器人教学的研究已经越来越普遍。本文基于A-STEM的机器人课程教学研究，以“Botball城市救援”机器人工程挑战项目课程为例，对课程实施的五个关键问题做了详细的论述，提出在人文引领的基础上，培养学生跨学科综合解决问题的能力;突出人文的跨学科大概念在塑造健全人格上的统领作用，强调A-STEM为人类福祉服务的宗旨，进而培养出德行高尚、心智健全、能力突出的健康型人才。

    【关键词】A-STEM;Botball城市救援;机器人工程挑战;项目实践;计算思维

    【中图分类号】G434? 【文献标识码】A

    【论文编号】1671-7384（2020）02、03-098-04

    2017年9月25日，教育部发布了《中小学综合实践活动课程指导纲要》，此后机器人教育被当成很多地方实践活动课程的重要内容。我校对机器人创客教育做了多年的研究，希望选择的项目能有助于塑造学生健全的人格，有助于培养学生动手实践能力、计算思维能力、工程操作能力及培养机器人探究的综合能力，通过参考众多因素，最终选取了“Botball城市救援”机器人项目作为教学研究的内容。根据2018年7月龙岗区教育局印发的《深圳市龙岗区A-STEM课程建设的指导意见》（以下简称《意见》）的指引，我们围绕机器人项目的教学，将其编写成了本校的A-STEM课程。

    顺应学生兴趣，抛出研究问题

    “Botball城市救援”项目故事背景讲述的是巨大的风暴袭击了 Botguy 的家乡。建筑火灾、洪水、停电和天然气泄漏伴随而来。Botguy 需要与城市应急中心的负责人一起担负协调指挥工作，确保救援车辆和救援人员能够及时前往灾区救灾、解救被困市民，将受伤的市民送往医院，将未受伤的市民送往避难所。Botguy 指挥的救援机器人需要运载消防队员前往失火的建筑物前，熄灭火灾。还需要协助其他救援人员关闭天然气阀，恢复市区的电力供应。同时，还需要利用救援机器人收集尽可能多的水、食物和医疗用品送往避难所。

    这是典型的机器人工程挑战项目，故事背景吸引学生有兴趣去研究探索，解决的方案具有一定的学科跨度，涉及A-STEM的多维度教学：人文方面，有仁爱之心，拯救市民生命，消除安全隐患，灭火救灾，为生存环境和人类健康服务;化学方面，有天然气泄漏，威胁生命安全，需紧急关闭;物理方面，有高楼大厦倾斜，电力中断，需抢修恢复;医学方面，有救灾物资，医疗物资，需送往避难所;工程方面，项目中涉及机器人的结构设计，救援方案的优化、救援路线的设计等;信息技术方面，编程让机器人自主执行救援任务;数学方面，对机器人传感器数据的分析处理，优化算法等等。

    這样的课程设计正符合《意见》提倡的立足国家课程的重构，对国家规划的信息技术、物理、化学、生物学、数学等课程进行整合提升，把按顺序线性学习的教程，改造为非线性学习的生长性课程;将单科知识教学变为长周期的人文引领的多学科融合的探究项目，帮助学生更深入全面地理解各学科核心概念，促进知识的迁移和应用;将体验性的活动变为发现问题和解决问题的过程。[1]

    根据情景任务，引导学生建构模型

    在上述情景任务的背景下，青少年国际竞赛与交流中心将情景任务抽象为道具模型，制作了全球统一模拟任务的机器人竞赛的平台模型，如图。赛台区域大小为2.4米×2.4米，分为双方两个场地，两边场地呈中心对称，中间洪灾区和天然气阀区域为双方共同争夺救援的区域。

    赛台是以零散件的形式提供给学校的，学生需要根据场地搭建手册，利用工具器材，自行动手，一步步完成场地的搭建。在这个过程中，学生需要学会简单工具的安全使用，如铁锤、剪刀、裁刀、手锯、电烙铁等。学生也需要学会分类法，对各种管材及道具进行分类，然后仔细按照说明书，一步步组装管材。学生还需要学会对资源的规划使用，如搭建高楼大厦模型和医疗中心模型，根据大厦的长宽高，利用给定的KT板，先在板上进行模型描绘，从大到小进行规划设计，将资源合理分配好了之后，再进行剪切，最后将剪裁好的KT板拼接成高楼大厦模型。还有场地各种颜色线的粘贴，主要考验他们运用两点成直线的方法，先定好两端点的位置，再进行整体的粘贴，既要贴平、贴直，还要保证各个区域间的尺寸准确。最后则是各个场地道具的摆放，要准确按照模型标准摆放各个道具。

    立足现实条件，引导学生合理取舍任务

    “Botball城市救援”项目的任务比较多样，完成不同的任务可以获取不同的分数。

    这项机器人工程挑战赛为学生创造了在有限时间（两分钟）内解决贴近实际的工程问题的机会。比赛分为积分赛和淘汰赛，时间都是两分钟，两分钟时间是不足以完成所有任务的，学生必须对赛场的任务进行必要的取舍，因此任务的选择非常关键。积分赛没有对手，只有自己一方的两个机器人同时运行。教师需要引导学生结合实际情况，规划机器人的行进路线，避免重叠或者被干扰到;任务要结合机器人的结构来选择，尽量选用动作简单，得分还不错的任务。淘汰赛更要考虑到对手的运行路径，既要争夺中间的得分物体，又要避免自己方机器人的相互干扰。在任务取舍环节，突显人文思想在塑造健全人格上的统领作用。

    讨论确立方案，引导学生结合实践不断优化

    A-STEM的项目实践是模仿科学家和工程师的工作，即科学家和工程师是怎样去发现和解决问题的，我们就让学生去真实地经历这样的探究过程。所以，项目实践是直面真实情境的，而不是剥离了真实情境的知识学习和解题训练。

    “Botball城市救援”项目还为学生创造了在资源有限的前提下解决贴近实际的工程问题的机会。现实中的工程项目都会有预算控制，Botball提供的资源是统一的并且是有限的，参赛队伍需要以团队的方式亲自动手用控制器、驱动器、传感器和结构套件搭建自主机器人，设计机器人的各种结构。结构方案需要结合选做的任务进行设计，这也是最能重点考查学生能力的一项指标。良好的结构能让机器人简单有效地完成相关任务。学生们先自主研究，然后拿出自己的方案集体论证，最终选取某个结构方案进行实验，根据项目实践的效果，再进一步优化改进方案。这是一个不断试错、不断改进的过程。这些亲自实践的试错过程极其可贵，它教会学生对元认知反思，教会学生使用批判性思维的技巧。基于实践的效果，对项目的全过程和涉及的所有方面做合乎逻辑的改进，促进学生自学自研，学会学习。

    在机器人搭建的过程中，学生运用有限的资源、自主探索研究，组建机器人表达着自己独特的创意。这也体现出参赛学生更注重程序本身和比赛中使用的策略。

    优化程序设计，培养学生计算思维能力

    Botball程序编写用的是C语言。虽然目前中学生的机器人比赛用图形化编程比重较大，代码编程比重小。然而图形化编程对AI学习的层次太低，C语言代码的学习虽然有一定的难度，但是更能够帮助学生建立程序学习的完整知识体系，对一些基本概念（比如算法、变量、函数等）有更直接的理解，有利于学生学习和理解机器语言，增强逻辑思维能力和编程的创造力、想象力等，同时也有利于學生快速转入其他语言的学习。[2]从真正培养未来的信息化人才出发，推行规范的计算机语言编程是必要的一步，而C语言就是其中的一种。

    要完成整个任务程序的编写，学生需要逐步掌握循环结构、条件判断、子函数运用、变量运用等基础知识，每一条语句的学习，都是要运用在项目中的，并且能通过运行机器人来检验程序的效果，这些都极大促使学生不再害怕、不再厌烦这些代码语言。从这个角度来看，Botball中C语言的学习过程就是一个非常现实的问题解决过程。在这个项目当中，学生的学习目标非常清晰，他们对机器人运行的结果有一个预期，这能够非常有效地激发学生学习的动力。Botball的工程任务可以划分成多个子任务，而每个子任务都具有明确的目标，我们教师则可以根据子任务的目标设置机器人课程内容。学生从机器人基础知识学起，当他学习完所有的课程之后，不仅在知识技能上有所收获，还能够对他所要挑战的比赛任务有更全面的认识和理解，产生出新的想法，比如，如何通过程序实现让机器人自动纠正位置？如何让机器人准确转弯？如何让机器人准确行驶某段路程？如何让机器人识别着火建筑物？如何判断是否抓取到物体？

    不仅如此，他们还需要完成一系列的工程研究报告。工程报告不仅是他们最终方案的呈现，也是对学习过程的记录。学生能够通过这种形式对自己的学习进行监督和评估，同时也能够建立真实有效的团队协作机制。Botball机器人课堂提供的基于项目的学习、团队成员间齐心协力的探索、充满创新的研究将对学生的未来产生深远影响。通过一年的课程学习和实践研究，我校学生在多项比赛上荣获了冠军。

    我们的教育，到底要教给学生什么，到底要培养什么样的人，这将是教育面临的最核心的问题。未来，人工智能和机器人将会取代人类的许多工作。如果依然按原有的方式对学生进行填鸭式知识教学，不鼓励他们去探索、去体验、去自信地解决遇到的问题，那么他们30年后可能找不到工作。我们要着重培养学生综合解决问题的能力。教育的真谛，就是当人忘记一切所学之后剩下的东西。知识、理论可能会忘记，但浸入心脑的科学方法、科学思维、科学精神却能长久留存，只有人类经由实践升华而得来的智慧与创新才是不可被替代的。[3]