促进学生深度学习将AI技术引入乐高机器人教学

◇覃玉梅（广东：深圳市福田区莲花小学）

乐高机器人对于培养学生的创新思维、动手能力有很大的帮助，目前国内外关于乐高机器人的研究很多，大部分是研究如何基于项目式、STEAM 模式开展教学活动，主要集中于教学模式、教学设计、教学策略的研究。笔者以机器人课程、深度学习为关键词在知网中搜索，发现其中大多数研究关注于教学模式、教学设计、教学策略等如何促进深度学习，较少涉及技术层面如何促进深度学习的发生。

在AI 人工智能进校园的背景下，如何更好地利用AI 工具帮助学生克服乐高机器人学习的难点，更好地掌握相关知识，目前还研究得较少。本文通过分析乐高机器人学习中存在的困难，提供有效的AI 工具，并探究在教学中运用AI 工具促进深度学习发生的教学策略。

一、发挥AI技术引入乐高机器人教学的优势

根据安德森（Anderson）等对布鲁姆教育目标分类的修订版，知识目标可以分为浅层学习和深度学习两部分：浅层学习注重于知识的记忆与理解，所涉及的是低阶思维活动；深度学习注重于知识的应用、分析、评价和创造，所涉及的主要是高阶思维活动。

笔者通过文献调研发现，当前对于机器人课程的深度学习模式研究，主要将重点放在课堂教学上，包括如何设计教学内容、如何分组、如何引导学生学习、如何设计项目、如何评价学生等，而忽略了课前及课后环节的重要性。同时也忽略了浅层学习阶段对深度学习发生所产生的影响。

杜娟（2013）认为浅层学习是深度学习开展的基础和前提，学生必须有从浅层学习得来的知识经验才能进行更有意义的深度学习，因此，忽视浅层学习的重要性将会降低乐高机器人课程的学习效果。笔者认为在乐高机器人教学中引入AI 技术，可以极大地提高学生的学习兴趣、节省学习时间，同时AI 工具具备的实时反馈功能，能够帮助学生快速纠错。

二、乐高机器人教学引入AI技术的选择及运用

（一）AI技术的选择

通常，在不使用AI 工具时，教师需要在课上花费较多时间讲解编程的相关概念，指导学生认识乐高部件及其相互关系。同时，因为学生的理解能力、动手能力等情况不一致，会在一定程度上影响教学进度。借助AI 工具，能够让学生自主学习，充分满足学生个性化学习要求，同时大大提高课堂效率。因此，AI 技术的运用最重要的就是可以解决学生学习过程中遇到的困难，让学生能够将更多的精力放在应用、分析、评价和创造的深度学习中。

基于上述分析，笔者在乐高机器人课程开展过程中进行了问卷调查，了解学生的乐高基础、学习困难等方面，通过调查了解到，目前学生学习乐高的困难之处在于搭建和编程。为了帮助学生更好地进行学习，目前我们选择了两个AI相关技术软件。

单位在用该方法来展开分析时，其需要把成本看成是产量的函数，然后再从此角度来展开研究，当得出结论之后，其需要与原始的成本与当前的结果进行成本区分，即主要分为两大类型。需要注意的是，联系成本与产品自身的动态分析，其是构成管理会计的重要部分。

1.编程AI网站Code.org

Code.org 采用互动有趣的方式开展学习，学习者通过游戏闯关来学习编程基础知识，在闯关过程中会有及时的反馈，帮助低年段的学习者初步理解编程思想。让学生利用此网站学习编程知识，掌握程序的顺序、条件判断、重复循环等结构，在有了相应知识储备的基础上，再学习乐高编程时就可以实现知识的迁移。

2.乐高搭建软件Lego Digital Designer

Lego Digital Designer 是一款由乐高公司研发推出的积木3D 模型制作软件，软件里内置了大量的乐高数字积木组，可以让学习者在电脑上进行乐高创作。通过该软件，可以帮助学生掌握乐高结构，如传动结构、齿轮结构等，同时让学生快速了解乐高零件间的组合。

（二）乐高机器人课程的知识目标层次及技术运用

笔者将AI 技术引入机器人深度学习模式中，按照目标层次的不同，归纳出了以下目标层次分类框架及相关技术运用（见下表）。

乐高机器人课程的知识目标层次及技术运用

信息技术作为学习工具主要表现为效能工具、信息获取工具、认知工具、情境工具、交流工具和评价工具等六大工具作用，每种工具作用都通过一些软件系统对深度学习给予支持，运用信息技术促进学习者深度学习则尤其重视充当认知工具的作用。基于此，本文在运用上述AI 工具解决学生学习困难的同时，还将使用其他信息技术工具促进深度学习的发生。

三、AI 支持下的乐高机器人深度学习模式及策略

根据上述分析，笔者归纳了AI 支持下的乐高机器人深度学习模式，并对课前、课中、课后的应用策略进行阐述（见图1）。

图1 AI支持下的乐高机器人深度学习模式

（一）课前（实现理解、记忆目标）

课前，教师根据本节课内容，利用编程AI 网站和乐高搭建软件，选择与本节课内容相关的编程知识、乐高结构、乐高零件，为学生设计课前学习单。学生使用上述AI 工具进行自主学习，储备一定的浅层知识，便于开展课中的深度学习。

（二）课中（实现应用、分析目标）

课中，教师采用项目式学习开展乐高机器人教学。教师根据教学内容设计不同的主题活动，引导学生通过需求分析、功能设计、机械搭建、程序编写、优化改进、分享交流的流程，设计个性化机器人，帮助学生实现深度学习目标（应用、分析、评价和创造）。在学习的过程中，教师指导学生综合运用信息获取工具、交流协作工具、编程工具等技术完成学习。

在设计机器人项目时，方其桂认为机器人项目的选择、设计要能与学生已有的生活、学习经验建立联系，同时活动的设计要能突出多学科融合的特点。而韩蕾认为学生在课堂上的参与度是衡量深度学习是否发生的重要指标，在教学设计过程中，要加强学生探究、合作的环节设计。因此，教师在设计教学内容时，应该着重加强对主题活动的设计，才能达到更好的深度学习效果。

1.需求分析及功能设计

在需求分析及功能设计阶段，教师需为学生创设合适的情境，提供一定的学习资源。学生以小组为单位，围绕项目任务尽可能提出问题，再利用信息获取工具，通过网络搜索、小组讨论等，确定本小组的功能需求，通过比较、归纳，找出适合自己的、科学的项目实施方案。

2.机械搭建及程序编写

在机械搭建和程序编写阶段，学生主要进行跨学科的知识整合，利用数学、物理、艺术等学科知识完成机器人搭建。对于复杂的机械结构，必要时教师可以提前利用乐高搭建软件搭建结构模型，再指导学生将模型分解成多个部分，对重点、难点部分重点分析讲解，逐个突破分解。最后，学生利用乐高EV3 编程软件，根据功能，在探究、分析中完成程序编写，并进行调试。为实现学生的深度学习，教师应该把基础知识的讲授作为辅助，穿插在学生学习、探究的过程中，给学生留够学习的时间，实现更大的创新。

3.分享交流及优化改进

深度学习目标的实现并不是依靠学生记忆，而是在理解的基础上，通过对知识的提取、认知、反思、归纳的过程实现的，因此在完成了基于问题的探究任务后，教师应指导学生开展评价与分享。通过对作品的汇报分享，实现知识深加工，实现知识归纳、迁移的目标。

在本环节，除了课堂上的分享交流，教师还可以引导学生将所思所想通过信息交流工具进行网络分享，作为过程性记录。

（三）课后（实现评价、创造目标）

课后，利用智能评测系统对学生的学习情况进行评价。最后，学生通过解决现实中的实际问题实现创造的目标，实现高阶思维教学目标，实现深度学习。

1.智能评价系统

深度学习要求教师一定要重视形成性评价在学习中的价值，关注学生的学习进展并及时给予反馈，进而引导学生根据自己的学习状况调整学习策略。教师可以利用电子档案袋、网络学习空间等帮助学生记录学习过程和学习评价，引导学生分析在学习中存在的最大问题并帮助他们改进。

2.综合运用

深度学习重视学习的迁移运用和问题解决。机器人课程能够培养学生的发散性思维，教师可以引导学生运用在机器人课程中学习到的知识、技能和思维方法，解决生活中遇到的实际问题，或者重新构建、编写主题活动中的机器人功能，最终实现高阶创造目标。

传统的机器人深度学习模式过多注重教学设计、教学策略的研究，而缺少对具体技术应用策略的实践研究。相较于传统的深度学习模式，将AI 技术融入教学过程中，能够充分满足学生个性化学习要求，提高课堂效率，帮助学生解决学习上的困难，促进深度学习的发生。在AI 赋能的推动下，如何使用AI 技术促进学生深度学习的发生，如何评价AI 技术对学生深度学习效果的影响，需要开展进一步的研究。