信息技术项目化学习教学实践与思考

秦晓兰

随着人工智能的发展，机器人技术已广泛应用于人们的日常生活与学习，成为人类的助手。机器人技术是集机械、电子、传感器、计算机、网络、材料、控制等多学科交叉融合的前沿高新技术，而“机器人技术”又是苏科版《初中信息技术》的五大模块之一。因此，以项目化学习的方式开展“机器人技术”模块的教学，能有效地将科学、工程、数学、计算机等学科知识结合起来，让学生经历对真实项目的需求分析、算法设计、功能实现、改进优化、项目创新等一系列“项目生长”的过程，能有效地将知识结构化、系统化，提升其信息技术的核心素养，并将素养应用于真实的社会实践。下面，笔者以苏科版《初中信息技术》“机器人技术”模块中“‘机器人扫地”项目的教学实践为例，从信息技术项目化学习需用真实问题引发项目需求、用驱动性问题助力算法设计、用工程学思想提升项目质量、用迁移性思维引领项目创新等方面展开论述。

● 用真实问题引发项目需求

真实性是项目化学习的一个重要特征。“真实性”首先是指学生习得的知识和能力在现实生活中是可以迁移使用的，而不是只有在特定课堂中才会使用的虚假知识和技能;其次是指问题解决的思路在现实生活中是可以迁移应用的。“真实性”并不要求学生学习活动中的每个要素都必须是生活中现实发生的，而是要看到所学知识与真实世界的某种联系。这就要求信息技术的课堂教学要从生活中现实存在的问题出发，以生活中的“真实问题”引发项目需求。

例如，在“‘机器人扫地”项目化学习中，面向真实生活，出示情境：环卫工人凌晨3点就开始工作，天天辛劳只为城市清洁;校园保洁阿姨每逢双休日都要做一次彻底清扫，为我们带来整洁的学习环境;小红帽志愿者们牺牲中午休息时间打扫机房，让计算机远离灰尘，让机房干净、整洁;父母长辈们日夜操劳，烦琐的家务让他们累弯了腰……以这些真实世界中的真实场景引发学生对平凡岗位上默默无闻辛勤劳动的人们的尊敬与感恩，在引起共情的同时，自然而然地引出项目需求——设计一个机器人，让“机器人”扫地，解放重复的人类劳动，提高人们的生活品质。

道路环卫工人、校园保洁阿姨、学生志愿者、父母长辈忙碌的身影等画面都是现实生活中真实存在的，每个学生都是见证者，个别学生甚至还是参与者，一些学生也许自己就是校园清卫保洁志愿者中的一员。学生平时也许并没有注意，但是，当课堂梳理出这些情境中共同的关键要素——“辛苦劳累”之后，诸如“我们能不能想办法来帮帮他们呢？”“我们能不能让机器来代替重复的人类劳动呢？”等问题随之提出，这样，项目需求就水到渠成，同时也激发了学生迫切想要解决问题的内驱力。真实问题就如同开启学生心灵的钥匙，可以激起学生思维的火花，打开学生思维的大门，引领学生通往知识的殿堂。

● 用驱动性问题助力算法设计

项目化学习是通过驱动性问题引发学生对学科核心知识的思考和探索的。项目化学习关注核心知识，这意味着设计者要提出本质问题，而本质问题往往比较抽象、庞大，初中学段的学生难以接受，所以，将本质问题转化为有趣、友好的驱动性问题，能更好地激发学生投入探究学习的情感。

我们知道，算法即解决问题的步骤和方法，设计算法是编写程序的第一步。“如何设计算法让机器人扫地”这个本质问题太庞大、太抽象，对于机器人模块的初学者来说，无异容易让其直接蒙圈。因此，教师需要为学生搭建脚手架，将这个抽象、庞大的本质问题分解为更加友好、形象的驱动性问题——“机器人扫地过程中是哪些部件在运动？”“这些部件的运动方式怎样？”笔者发现，类似这样的驱动性问题更容易操作，能引发学生主动观察机器人扫地时各部件的运动状态，将无意注意转变为有意注意，很快，学生便得出了是轮子和扫把在运动的结论。从分析现象入手，学生很快又发现轮子被固定在电机上，在机器人通电以后电机的转动导致轮子的转动，进而促使机器人向前行走;而扫把被固定在舵机上，在机器人通电以后舵机的角度变化而导致了扫把的左右旋转，进而促使机器人完成扫地的动作。如此一来，算法流程图（如图1）也就明确了。

驱动性问题引发了学生的高阶思维，除了上述主动去分析算法流程之外，它還引发了学生主动的评价——课堂中用来模拟机器人扫地的“OSTD开源机器人”套件并不是真正清理了垃圾，而只是通过机器人前进同时扫把旋转将垃圾移出了主干道，垃圾只是被移到了边上角落里，而并没有被真正清理干净。如果这个项目要应用到现实生活中，还需要增加簸箕功能，通过吸附等操作将垃圾投入簸箕。学生提出观点、分析推理、给出证据……驱动性问题本身推动了解决问题和推理技能的应用，同时也激发了学生自己查找信息、学习关于此问题的知识结构以及解决问题的方法。驱动性问题就像在学生心中抛下了一颗小石子，激起了层层涟漪，开启了学生的心智自由，扩大了思考的范围，让学生的心智在各个方向上自由涌动。

● 用工程学思想提升项目质量

工程学思想就是应用数学、科学和技术领域的概念来系统解决复杂问题。工程设计过程大多包括同样的基本步骤（如下页图2）。工程设计过程的本质是迭代性的，即工程师基本上不会在基本步骤中线性地工作，相反，在明确最后设计方案之前，他们在不同步骤之间转换。同理，信息技术项目化学习也需要不断地反思、优化、迭代，用工程学思想来提升项目质量。

教师要非常清晰且有意识地强化一个概念，即项目化学习过程是迭代式的，并不是一条由基本步骤组成的笔直路线。在项目化学习中，教师要不断鼓励学生重新审视前面的步骤，鼓励学生对自己项目设计的长处和缺陷进行批判性思考。例如，在“‘机器人扫地”项目中，鼓励学生对初步完成的扫地项目提出质疑——它不“聪明”，如何改进可以让“机器人”更聪明呢？学生提出质疑后，教师要鼓励开放式的讨论以拓展学生的思维，组织小组甚至全班的头脑风暴式的讨论与交流，汲取“金点子”，使学生能按照同学们讨论后达成的一致方案去优化项目，提升项目的质量。

例如，有的学生提出“让机器人沿着规定的路线扫地，让清扫更有目的性”，这涉及循线问题，需要用到循迹（或称灰度）传感器;有的学生提出“让机器人扫地时自动避开障碍物，让清扫更加智能”，这就涉及避障问题，需要用到超声波传感器;有的学生提出“让机器人分辨污渍、灰尘、纸屑等，让清扫更有针对性、更干净”，要实现这一项目功能，需要加入其他更为专业的传感器……综合学生讨论的成果和学生现有的学习水平，选择适合学生“最近发展区”的可操作的项目功能进一步优化项目，如避障、循线等。在项目的迭代优化与完善中，学生逐步收获成功，在“项目生长”的过程中不断获得成就感与自信心。

● 用迁移性思维引领项目创新

完成项目功能并不是最终目的，学生能够进行思维迁移，运用所学的核心概念和思想方法去创新项目、学以致用才是创造力的体现，也是学习的真正意义所在。这也与项目化学习倡导的“终身学习”原则不谋而合。

终身学习原则根植于元认知与探究。元认知即一个人意识到自己的思维并对之进行反思的知识和技巧（Brown，1978;Flavell，1979）。考虑学生在整个项目开发过程中真正内化学到的东西，当学生清晰地识别出自己理解了“机器人”扫地的过程方法与原理时，他们就可以在现有项目功能的基础上迁移、创新设计更优的项目方案，为智能生活服务。例如，发现羽毛球训练场散落的羽毛球，我们可以设计让机器人来捡球，解放人类劳动（如图3）。以下为学生在“项目创新”设计中提出的创新点：一是“给机器人追加光线传感器，如果光线过暗，开启照明，使机器人能够在黑暗的管道内扫地，解决人类清扫黑暗管道时的安全问题”;二是“给机器人追加水箱和抹布，如果检测到顽固污渍，就喷水并启动‘拖把模式，否则启动‘扫把模式，让机器人扫地更干净”……

在“‘机器人扫地”的项目化学习中，除了让学生深切体会当今科技的强大以及科技对生活的改变，树立起崇尚科学、热爱科学的思想感情，还应当使其辩证地看待“机器人技术”带来的生产和生活的变革，就如一则公益广告中所说，虽然“空巢老人”有机器人陪伴，但机器永远无法取代亲情，机器人不能完全代替人。“‘机器人扫地”项目的最终目标是倡导学生发挥聪明才智，让机器服务于人类，而不是过度依赖机器。