1、信息技术工程化学习教学实践与思考秦晓兰随着人工智能的开展，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，以工程化学习的方式开展“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，让学生经历对真实工程的需求分析、算法设计、功能实现、改进优化、工程创新等一系列“工程生长的过程，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
2、器人扫地工程的教学实践为例，从信息技术工程化学习需用真实问题引发工程需求、用驱动性问题助力算法设计、用工程学思想提升工程质量、用迁移性思维引领工程创新等方面展开论述。 用真实问题引发工程需求真实性是工程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“真实问题引发工程需求。例如，在“机器
3、人扫地工程化学习中，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清扫机房，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，自然而然地引出工程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
4、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“我们能不能想方法来帮帮他们呢？“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，工程需求就水到渠成，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，翻开学生思维的大门，引领学生通往知识的殿堂。 用驱动性问题助力算法设计工程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。工程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
5、，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
6、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。如果这个工程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、
7、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。 用工程学思想提升工程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根本步骤（如下页图2）。工程设计过程的本质是迭代性的，即工程师根本上不会在根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，信息技术工程化学习也需要不断地反思、优化、迭代，用工程学思想来提升工
8、程质量。教师要非常清晰且有意识地强化一个概念，即工程化学习过程是迭代式的，并不是一条由根本步骤组成的笔直路线。在工程化学习中，教师要不断鼓励学生重新审视前面的步骤，鼓励学生对自己工程设计的长处和缺陷进行批判性思考。例如，在“机器人扫地工程中，鼓励学生对初步完成的扫地工程提出质疑它不“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工程，提升工程的质量。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
9、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，要实现这一工程功能，需要参加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“最近开展区的可操作的工程功能进一步优化工程，如避障、循线等。在工程的迭代优化与完善中，学生逐步收获成功，在“工程生长的过程中不断获得成就感与自信心。 用迁移性思维引领工程创新完成工程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工程、学以致用才是创造力的表达，也是学习的真正意义所在
10、。这也与工程化学习倡导的“终身学习原那么不谋而合。终身学习原那么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）。考虑学生在整个工程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，他们就可以在现有工程功能的根底上迁移、创新设计更优的工程方案，为智能生活效劳。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“工程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平安问题;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，否那么启动扫把模式，让机器人扫地更干净在“机器人扫地的工程化学习中，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，就如一那么公益广告中所说，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。“机器人扫地工程的最终目标是倡导学生发挥聪明才智，让机器效劳于人类，而不是过度依赖机器。