基于核心素养的初中机器人教材设计思路解析

韩蕾 钟柏昌

机器人教学能够有效培养学生的动手实践能力、问题解决能力以及创意设计能力。一直以来，笔者致力于中小学机器人教育的普及工作，并于2015年初承担了河北省小学和初中机器人电子教材（以下简称“冀教版”）的开发任务。本文以冀教版八年级下册《机器人》为例，阐述初中机器人教材的设计思路及特点。本册教材采用Arduino开源硬件板和Ardublock图形化编程环境，共计20课时，其中第15～20课时为可选课时。

目标定位：核心素养

学科核心素养可分为三个层次：双基层，以基础知识和基本技能为核心；问题解决层，以解决问题过程中所获得的基本方法和基本态度为核心；学科思维层，指在系统的学科学习中通过体验、认识及内化等过程逐步形成相对稳定的思考问题、解决问题的思维方法和价值观。以核心素养的三层结构为指引，笔者试图将上述核心素养渗透于教材中，详情见下页表1。

内容选择：知行并举

机器人教育强调学生的自主实践，因此更适合以项目的形式来组织教学。与项目教学相对应，项目化的教材要求每节课以项目的形式组织，并整合完成项目所需的理论知识，因此其本质上体现了知行并举的内容选择和组织思路。在本册教材中，在两个层面上体现了知识与能力的整合。

一是知识的单列与项目的映射。在每个项目中，根据项目任务分析，形成一个专门的模块“基础知识与基本技能”。此模块并非孤立存在，在后继具体的实践中将直接运用该模块中的知识，因此与具体的项目实践有着紧密的联系（映射），只是为了方便描述和学习，将其“切片”出来作为一个重点内容，列出了一些较具代表性的课时（如下页表2）。

二是问题引入与知识内化。在“基础知识与基本技能”模块，知识的呈现不是直白的描述，而是基于问题和实践循循善诱，以序列小问题的分析和解决不断强化这些关键的知识和技能的掌握。

例1：第8课《声控风扇》中“基础知识和基本技能”节选。

【基础知识】PWM模式控制电机的针脚分配；设置电机模块和模拟声音传感器的功能及使用方法。

【基本技能】利用PWM模式和设置电机模块来控制电机的转动；利用模拟声音传感器收集声音信号。

【问题分析与知识引入】制作声控风扇的关键是风扇的驱动和声音的检测。扇叶安装在直流电机上，因此风扇的驱动需要由电机控制，声音的检测则可使用模拟声音传感器。继而在“基础知识与基本技能”中引出直流电机与模拟声音传感器的功能及使用方法。

【知识应用】在ArduBlock中利用“PWM模式”和“设置电机模块”控制电机的转动，参考程序如图1和图2所示。在ArduBlock中利用串口监视器监测模拟声音传感器的输入值，参考程序如图3所示。

【问题分析与知识内化】

（1）将图1程序中的去掉，会有什么现象？

（2）将图2程序中的电机速度200改为-100，观察风扇转动有何变化？

【案例解读】在第1个问题中，引导学生思考针脚4对测试结果的影响，以此强化学生对PWM模式下针脚4所对应功能的理解；在第2个问题中，提供了教材中原有程序的变式，若设置电机模块中的速度值为负，则电机转动方向为反转，从而使学生能够灵活设置电机模块中的值来控制风扇的转动。

内容组织：聚类思想

本册教材主要以聚类化的思想来组织教学内容，从而完成整体框架和章节结构的设计。聚类化课程设计思想，即依据某种线索组合一系列教学项目。根据已有研究，大致有三种聚类方式：以相似的功能聚类，以相似的目标聚类，以相似的技术思想聚类。

本册教材按输入与输出为线索进行单元主题的聚类，即数字输出与模拟输出（LED）—数字输入（电子骰子）—模拟输入（蜂鸣器）—单电机控制（风扇）—双电机控制（小车）—科学探究实验（科学探究专题）。

在课时层面上，教材就不同知识点也进行了不同形式的聚类。

1.以相似的功能聚类

笔者通过设计某些问题解决活动，将技术工具所具有的相似功能集合在一起，达到功能操作和问题解决的融会贯通。

例2：第10课《遥控风扇》中的程序设计。

【教材呈现】假设风扇的速度分为三挡，则遥控换挡风扇的程序可参考图4。

做一做：使用“如果/否则”能够完成上述程序吗？试试看。

【案例解读】在教材呈现的参考程序中，利用了单分支模块来完成遥控器变换风扇转速挡位的程序编写，而“做一做”向学生提出是否能够利用“如果/否则”模块来完成相同的程序功能，可以引发学生向新知识的迁移。

2.以相似的目标聚类

使用不同的工具可以解决相同的问题，从而聚类不同的技术工具和使用方法。

例3：第11课《驱动小车》控制机器人小车的运动。

【教材呈现】针脚控制小车前进参考程序如图5所示，电机模块控制小车前进参考程序如图6所示。

做一做：①任选一种方法来控制小车，使其后退；②任选一种方法来控制小车，使其原地转圈。

【案例解读】两种方式均可控制小车的运动，第一种方法可以通过设置针脚的高低电平来控制车轮的运动方向；设置针脚的模拟值来控制小车的车速；第二种方法则是直接设置M1和M2的值控制小车的运动方向与车速。这种呈现方式便于学生理解这两种方法的异同并能在不同的任务中迁移应用。

3.以相似的技术思想聚类

技术工具虽有不同，但其背后的技术思想可能是一致的，将这些具有相同技术思想的技术工具挖掘出来，以丰富多样的技术活动表达出来，可以达到举一反三的功效。

例4：编程中的循环结构

【教材呈现】想一想：请同学们思考一下，与两者之间的异同。

【案例解读】主程序是一个自循环体，每当程序执行结束就重新开始执行程序。当循环中有条件语句与执行语句，只有条件语句满足时才会运行执行语句，而主程序是无条件循环。对比两种模块，可以帮助学生更好地理解当循环语句及其程序设计思想。

内容呈现：生活化与结构化

1.教材内容的生活化呈现

生活化即回到学生的生活世界，从学生经验出发逐渐引入新的概念，而不是生硬地呈现这些概念。

一方面，利用学生的生活经验，使用类比分析帮助学生理解新的知识。

例5：第1课《点亮星灯》的第一部分“机器人是什么”中讲解机器人的构造。

【教材呈现】类似人类的身体，机器人也是由几大“器官”组成：机器人的大脑——主控制器，机器人的眼睛、耳朵和触角——传感器，机器人的手、足——驱动器和执行器。

【案例解读】此处将机器人比作人类，经过这种生活化的类比，使学习者更好地理解机器人各部分的组成及功能。

另一方面，利用学生的学习经验，通过认知冲突帮助学生接受新的知识。这种呈现方式基于学生已有的学习经验，但又高于学生的已有认知，处于认知的“最近发展区”，故有利于学生对新知识的理解，建立新旧知识之间的联系。

例6：第3课《呼吸灯》PWM概念的提出。

【教材呈现】由于呼吸灯不只有亮和灭两种状态，还具有若干不同明暗度的变化，所以采用上节课中的数字输出控制LED将无法实现预期效果，此时需要采用一种新的输出方式——PWM。我们可以参考表1中的设计方案，来完成呼吸灯的制作。

【案例解读】教材中PWM的概念并不是直接呈现给学生，而是由相关的问题引入，引起他们的认知冲突，再适时引入PWM的概念。

2.教材内容的结构化呈现

结构化即按照一定的逻辑思路将教材内容依据某一特定框架进行呈现。结构化地呈现教材内容，目的是方便学生阅读，减少认知负担，并提供学习支持。本册教材的必修课由阐明学习目标、呈现内容结构、背景主题介绍、方案设计、基础知识与基本技能、实现过程和拓展提升七部分组成。

小结

本教材具有基础性、创造性、趣味性、主体性与整合性等特点。笔者希望通过本教材的学习，学生能够习得Arduino机器人的基础知识与基础技能，能够获得利用Arduino机器人解决实际问题的能力，从而进一步形成利用机器人分析问题、解决问题的思维方法和价值观，并初步得到利用智能装置改造生活的方法论，建立认识人工智能的世界观。