基于机器人辅助学习的中学信息技术教学设计

（1.河北师范大学 教育学院，河北 石家庄 050000；2.唐山市海港经济开发区第一小学，河北 唐山 063600）

一、引言

2019年1月，英国开放大学发布《2019年创新教学报告》，探讨了世界教学和评价的其中提出10种教学法,分别是趣味性学习、机器人辅助学习、去殖民化学习、基于无人机的学习、惊奇式学习、行动学习、虚拟工作室、基于地点的学习、思维可视化、同理心之根[1]。随着“互联网+”时代的到来，随之应运而生的智能机器人作为一种新型信息技术媒介正在冲击着工业、农业、教育等多个行业。在教育领域，智能机器人教育进入中小学校已经成为可能和必然的趋势，利用机器人进行辅助学生学习能够为教育教学注入新的活力。

二、机器人辅助教学与机器人辅助学习

机器人辅助学习与机器人辅助教学都属于机器人在教育领域的重要应用，虽所属相同，概念相近，但侧重主体不同，机器人辅助教学是指师生以机器人为主要教学媒体和工具所进行的教与学活动[2]，主要侧重在教学过程中，机器人如何辅助甚至替代教师，完成某些教学活动，从而解放教师，深入观察学生其他学习行为等；而机器人辅助学习则强调机器人辅助“学”的方面，甚于“教”的方面，强调以学习者为中心，主动帮助学习者建立良好的学习环境，提供优化的学习策略，与学习者开展活动，强调个别化的学习指导与帮助，最终目的是为实现学生的发展与成长。

三、基于机器人辅助学习的《信息的智能化加工》教学设计

本章结合具体的学习内容，在前期教学分析的基础上，进行了基于机器人辅助学习的中学信息技术内容的教学设计，在进行教学设计之前，应首先对选取的教学内容进行分析，掌握学生目前的知识结构，根据普通高中信息技术课程标准，从学生的学科核心素养培养层面，确定教学的具体目标、重难点以及对整个教学活动进行设计，进行资源的整合与利用。

（一）教学分析

1.教学内容分析

本节课内容选自教育科学出版社信息技术基础第三章第三节《信息的智能化加工》的教学内容，是本章内容中的重点。信息的智能化加工即人类利用人工智能技术加工信息，学生在日常生活中或多或少都接触过本部分内容，基于此，根据课程标准要求，对教学内容进行了调整、增删、重组，重点希望学生能够了解人工智能的新进展、新应用，并能适当地运用在学习和生活中，了解人工智能的发展历程，能客观认识智能技术对社会生活的影响。

2.教学目标分析

教学目标是对学习者通过教学后应该表现出来的可见行为的具体的、明确的表述。2017版普通高中信息技术课程标准发布，教学目标的设计表述应体现学生学科核心素养的培养，针对本次内容，教学目标设计如下：知道人工智能技术的实质；了解当前人工智能主要应用领域、新进展及新应用；在与机器人的接触过程中，领略人工智能的神奇魅力；在应用智能信息处理工具的过程中体验人工智能这一前沿技术的实际应用价值；辩证认识人工智能对人类社会未来发展的巨大价值和潜在威胁，自觉维护和遵守人工智能社会化应用的规范与法规[3]。

3.学习者特征分析

学习者特征分析的目的是了解学习者的学习准备情况，学习能力及其学习风格，为教学内容的选择和组织、学习目标的编写、教学活动的设计、教学方法与媒体的选择和运用等提供依据[4]。本次教学内容面向高一年级学生，高一年级学生好奇心强，求知欲旺盛，且作为互联网那个时代成长起来的数字原住民，对智能工具均有所了解，且通过前面阶段的信息技术课程学习，已经初步掌握了一定的操作技能，具备根据任务需求，操作工具软件来处理信息的能力。但由于时间和知识层面的约束，缺乏知识深度与广度，对人工智能的知识重视程度及学科发展前景认识均存在不足，所以还需要教师及时、合理、周详地引导，学生在自主学习方面不够主动，合作与探究的意识和技能等方面还比较欠缺。因此，在进行本节课的教学设计时，将依托教材内容，将机器人模块加入教学设计，模拟真实的场景，提高学生学习兴趣，提高对于人工智能的认知层面，加深对于人工智能的理解。

4.学习环境分析

学习环境是教与学活动赖以存在的场所，也是支持教学活动有效平稳进行的不可缺少的要素。本次教学选择的学习环境为智慧教室，智慧教室是随着智慧地球、智慧城市等概念的提出应运而生的，作为一种新型的教育教学环境，以其智能化、现代化的特点切入整个教学过程，使教学简单、高效、智能。在本节课的教学设计中，需要网络和移动书桌等设备的支持，所以选择智慧教室这一学习环境更有利于学生学习的顺利进行。

（二）教学资源设计

本教学设计用到的教学资源主要有具备视觉、听说、行走、感知、互动等多种功能的机器人以及多媒体教学课件。

（三）学习活动设计

根据前期的教学分析，基于此教学内容进行了具体的学习活动设计，流程如图1所示。在此过程中，教学设计将利用教学机器人构建七个教学场景并设计相应的教学活动，七个教学场景分别是机器人故事场景、机器人对弈场景、机器人识别场景、机器人对话场景、机器人辅助场景、机器人辩论场景和机器人布置场景，下面对每个教学流程及每部分场景内容进行介绍。

图1 学习活动设计

1.情景导入

在情景导入这一教学环节中，构建了机器人讲故事场景，主要内容为机器人为学生讲解AlphaGo战胜围棋高手的故事。机器人扮演新鲜角色，引出本课题目，其自我介绍语音功能能够极大地调动学生学习热情，引起学生的关注，并且使学生注意力高度集中，能够快速抓住语音重点，明确本堂课的主题及目标。然后，从机器人的角度出发，讲解AlphaGo战胜围棋高手的故事，以讲解朋友的故事为出发点，不仅能够拉进与学生之间的距离，同时通过故事背后蕴含的思想，揭开学生心中人工智能的面纱。

2.新知探索

在新知探索这一教学环节中，构建了三个机器人场景，分别为机器人对弈场景、机器人识别场景、机器人对话场景，分别对应本节课的三部分主要教学内容。

（1）机器人对弈场景

在此场景中，教师组织机器人与学生进行五子棋“人机大战”，机器人按照提前录入的信息，发送指令，随机挑选学生选或者根据学生的自愿情况与学生进行五子棋对弈（因时间有限，可限制棋盘大小，进行简易版五子棋比赛），对胜出的学生进行鼓励。在此过程中，教师可对机器人的思考等进行浅层讲解，充当讲解员的角色。在比赛结束后，教师可初步总结，机器的智能是人类赋予的，机器的智能是通过程序设计实现的，指出人工智能的本质。学生通过积极与教师、机器人互动，与机器人近距离接触，能够真实感受人工智能的魅力所在。这是在以往传统教学中，观看视频、动画、与计算机互动等所不能带来的教学体验。

（2）机器人识别场景

在此场景中，旨在让学生亲身体验机器翻译这一典型人工智能技术的应用。教师向学生介绍接下来的游戏环节，与机器人进行猜一猜游戏。上课前将全体学习者的信息提前录入到机器人系统中，机器人随机挑选学生，请学生将指纹放置到机器人的指纹识别部位，机器人可核验出此名学生的基本情况、班级、兴趣爱好等基本信息，并且通过对话的形式与学生进行交流。游戏结束，教师可进行梳理总结，机器人的此种功能用到了人工智能技术的应用的一个重要方面模式识别，例如：刚刚体验的指纹识别就是模式识别技术中的一个重要应用，除此之外，举例说明模式识别技术中的语音识别、光学字符识别、手写识别等应用也非常广泛。学生通过近距离了解模式识别中的指纹识别，理解指纹识别在个人身份认证方面的应用就是模式识别技术的应用之一，单纯凭借以往教学设计举例，如手机指纹输入等，学生可能并不能联想到指纹识别的重要意义。通过与机器人的互动，体验交流，学生能够更深层次地思考指纹识别给我们的生活带来的影响，进而深入思考机器人的工作原理，激发内心的求知欲望。

（3）机器人对话场景

在此场景中，旨在让学生亲身体验机器翻译这一典型人工智能技术的应用。机器人挑选学生与其进行对话互动，按照学生指示将某句话翻译为指定语言。互动结束，教师总结此过程体现了机器翻译这一功能，这是利用计算机把一种自然语言转变成另外一种自然语言的过程，用以完成这一过程的软件叫做机器翻译系统，常见的谷歌翻译、有道翻译，这些都可以提供免费的在线翻译服务，可以请学生自行体验。

3.拓展延伸

在拓展延伸这一教学环节中，构建了机器人辅助场景。学习者分组探讨人工智能技术在生活中的应用主要表现在哪些方面，并举例说明，讨论结束后，与班内同学交流分享，探讨人工智能应用个数最多的小组为优胜组。小组合作学习是以学生为中心，以任务为导向的学习模式，学生通过与其他小组竞争的方式来增进对人工智能技术应用的理解，将所学知识与生活实践紧密联系起来。在讨论过程中，机器人可代替教师工作巡视各小组完成情况，也可随时参与到讨论当中，并起到一定的引导作用。在分享过程中，机器人充当裁判的角色，对于各小组提出的答案进行判断，对获胜小组进行赞美，对稍弱小组进行激励；教师充当辅导角色，引导学生充分参与到讨论当中，深入观察学生的学习行为，对学生学习行为进行分析。

4.总结提升

在拓展延伸这一教学环节中，构建了机器人辩论场景。学习者根据自身意愿分为正反方，围绕“人工智能技术到底是利大于弊还是弊大于利”这一主题进行辩论，由机器人按照辩论规则，指导学生进行有效辩论，同时根据学生辩论情况，进行裁决，观点论证充分的一方获胜。辩论形式有利于培养学生的批判思维。在此教学环节中，由机器人充当裁判角色，组织学生进行高效的辩论，教师作为观察者，观察学生课堂行为表现。最后对辩论主题进行总结升华，引导学生辩证地看待问题，辩证看待人工智能技术的利与弊。

5.布置作业

在布置作业这一教学环节中，构建了机器人布置场景。机器人布置本节课的课后作业。写一篇主题为“我眼中的人工智能”的小短文，来检验学生通过本节课的体验式学习之后，都有哪些想法与感受。布置作业环节采用开放式的形式，旨在了解学生通过本节课的学习后对于人工智能技术的感想。整个教学设计都以学生为主体，重在体验式学习，机器人充当沟通和辅导的角色，发送指令进行问答互动，教师则起着协调的作用，合理引导课堂有序进行，大大增加了学生学习的自主性，提高学生学习效率。

（四）教学评价

本次教学设计采用过程性评价与总结性评价相结合的方法，教师通过课堂观察学生行为，动态掌握学生在教学活动过程中的表现，通过评价打分，形成直观数据，见证学生成长过程，关注学生发展。此外，对学生完成的最终作业进行总结性评价，了解学生整体学习效果。

四、教学设计反思

机器人以其智能化的特点加入学习过程，学生可以在跟机器人的对话中对人工智能有着更为贴近更为深刻的理解，这种体验式的学习方式，极大激发了学生的学习兴趣，同时通过解放教师，教师作为观察者，观察学生课堂行为表现，为之后的教学设计提供依据。

当然，整个教学设计同样存在不足的地方，机器人价格昂贵，要求所有中小学学校全部引进机器人显然是缺乏一定的合理性，但是随着科技的不断发展，机器人走进中小学课堂将会成为必然趋势。此外，在使用机器人辅助学生课堂学习的同时，学生的注意力很有可能被新鲜事物所吸引，忽略在课堂学习中对于真正课本本体知识的掌握，这就需要教师的正确引导。

五、总结

本研究以教科版高中信息技术《信息的智能化加工》一课为例，对基于机器人辅助学习的教学设计进行了探究，根据机器人的特点，结合信息的智能化加工教学中的存在问题，通过教学分析，进行教学设计，并在仔细分析教学设计的科学性和合理性的基础上，对教学设计进行了反思。虽然，目前机器人辅助学习还在尝试阶段，但是我们相信，随着科技的不断发展，机器人辅助学习终将在教育领域发挥重要作用。