具身學習視域下的小學機器人學習思維的進階策略

摘要：《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》指出，目前的信息科技課程教學逐漸從知識素養(yǎng)向思維素養(yǎng)轉(zhuǎn)變，更加強調(diào)對思維能力的深入培養(yǎng)。當下小學機器人教學存在內(nèi)容知識化、技能訓練化等現(xiàn)象，學生重視競賽，處于淺表學習層面，缺乏思維深度和創(chuàng)新意識。以“機器人沿線行走”一課教學為例，教師通過創(chuàng)設具身情境、營造具身學習“場”、搭建具身學習支架、踐行具身實踐、采用具身評價等策略幫助學生實現(xiàn)具身學習，培養(yǎng)學生的計算思維、創(chuàng)新思維等能力，提升學生的核心素養(yǎng)。關(guān)鍵詞：具身學習；機器人教學；思維進階隨著科技和社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，機器人已經(jīng)走入了人們的日常生活，許多學校設置了機器人相關(guān)的課程內(nèi)容。筆者從創(chuàng)設具身情境、營造具身學習“場”、搭建具身學習支架、踐行具身實踐、采用具身評價等方面出發(fā)，嘗試探索小學機器人學習思維的進階策略。一、審視：小學階段的機器人教學現(xiàn)狀（一）重比賽，輕素養(yǎng)培養(yǎng)審視目前我國小學階段的機器人教學現(xiàn)狀，存在以下四種現(xiàn)象：一是從整體上看，機器人教育教學開展得如火如荼，特別是在經(jīng)濟相對發(fā)達地區(qū)，機器人課程受到了中小學生的熱烈歡迎。二是部分機器人實驗學校開展的課程只限于幾個班級，規(guī)模較小。常態(tài)化的校本選修課呈現(xiàn)零星狀態(tài)，覆蓋面較小。三是在已開展機器人教學的學校中，很多只是一味追求學生的比賽成績，功利性較強，導致學生對機器人學習的興趣不高，不利于培養(yǎng)學生的科技素養(yǎng)。四是在相對落后地區(qū)的小學教育中，仍缺乏機器人教育資金的投入、缺少專業(yè)機器人教學團隊，其機器人教學內(nèi)容與教法也并不規(guī)范，機器人普及教育教學亟待發(fā)展和提高。（二）重結(jié)果，輕思維培養(yǎng)機器人教學需要注重學生的思考與實踐，要讓學生思考、動手，不斷地嘗試、修改、實踐，堅持在“做中學”“用中學”“創(chuàng)中學”，要讓學生通過動手實踐把自己的想法呈現(xiàn)出來，以培養(yǎng)其分析和解決真實問題的能力，提升計算思維、合作創(chuàng)新等核心素養(yǎng)，更好地適應未來智能化社會的需要。在當下機器人課堂教學中，學生往往處于淺表學習狀態(tài)，缺乏深度思維，僅靠機械記憶、模仿操作，難以掌握機器人的核心原理，這樣的學習使學生處于被動的學習狀態(tài)，漸漸喪失學習興趣，導致教學思維趨于簡單、靜態(tài)、低階狀態(tài)，學生思維能力的培養(yǎng)難以實現(xiàn)，創(chuàng)新更無從談起。（三）重訓練，輕身心體驗機器人教學倡導以培養(yǎng)學生解決問題的能力為目標。而實際教學中，很多教師更關(guān)注引導學生操控機器人完成相應的任務，教學方式單一，主要以講練結(jié)合、模仿訓練為主。學生被動地接受機器人任務訓練，不能真正弄清楚其中的工作原理，也談不上發(fā)展思維能力。學生收獲的只是技能的一味模仿，缺乏真實的身體、心理、情感等多重體驗和深刻感悟，久而久之，也會使學生降低學習興趣。二、探尋：具身學習對小學機器人教學的意義黨的二十大報告中指出：“教育、科技、人才是全面建設社會主義現(xiàn)代化國家的基礎性、戰(zhàn)略性支撐。必須堅持科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動力”“深入實施科教興國戰(zhàn)略、人才強國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略”?？梢?，黨和國家高度重視科技創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，高品質(zhì)思維能力才是創(chuàng)新發(fā)展的決定性要素。《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下通稱“新課標”）指出，遴選科學原理和實踐應用并重的課程理念，提升學生知識遷移能力和學科思維水平，體現(xiàn)“科”與“技”并重。如何在實踐性和操作性較強的小學機器人教學中開展思維教育，是當下信息科技教師面臨的一個挑戰(zhàn)。具身學習強調(diào)身心合一，讓學生在身體與環(huán)境的有效互動中獲得認知體驗，注重多感官參與、多途徑體驗、多渠道經(jīng)歷，進而促進主體思維與情感發(fā)生變化，這種學習具有涉身性、情境性和體驗性等特征，為當下小學機器人教學提供了新的視角。筆者以“機器人沿線行走”一課教學為例，將學生身心融為一體開展機器人學習，使學生的身體、思維與環(huán)境相互融合，在親身感知、體驗中實現(xiàn)思維過程的具體化、可視化，有利于學生建構(gòu)思維邏輯框架，實現(xiàn)深度學習，提升思維品質(zhì)。三、嘗試：小學機器人具身學習促進思維進階的具體策略（一）確立適宜目標——創(chuàng)設具身情境，喚醒思維“動機”華東師范大學鐘啟泉教授說過：“真實性是核心素養(yǎng)的精髓。”教師教學要圍繞解決現(xiàn)實世界的真實問題，創(chuàng)設一個真實的具身情境，讓學生的身心融入環(huán)境，產(chǎn)生共鳴，以激發(fā)學生的好奇心、求知欲，喚醒學生的思維動機，使之在與情境的交互體驗中獲得認知經(jīng)驗。教學“機器人沿線行走”一課時，筆者先通過一段校園人工消毒視頻創(chuàng)設情境，引發(fā)學生積極思考、發(fā)現(xiàn)問題。然后讓學生主動發(fā)現(xiàn)“高效安全地解決校園內(nèi)的消毒問題”這一真實需要，營造啟發(fā)學生深入思考的具身學習“場”，喚醒學生在教學情境中積極的思維動機，讓學生形成強烈的探究欲。最后，自然地引入該課主題：校園智能消毒機器人小車沿線行走。（二）提出真實問題——聚焦問題引領，激活思維“動力”一個富有挑戰(zhàn)性的問題能夠?qū)⒑诵膬?nèi)容貫穿整個學習過程，盤活學生的思維動力，促使學生全力以赴地思考探索，提升其學習的主動性，進而主動建構(gòu)知識圖譜，讓學習富有意義、真實發(fā)生。傳感器巡線原理是本課的教學難點。為了更好地突破這一難點，筆者基于真實問題的解決，先出示校園平面圖，緊緊圍繞“機器人小車從校門口到教學樓的消毒路線行走”這根問題主線，讓學生產(chǎn)生認知沖突，促使學生的學習熱情逐漸高漲，使其思維活動處于最佳狀態(tài)，體驗以問題為載體的思維過程，實現(xiàn)師生、生生間的思維碰撞，為后續(xù)實現(xiàn)機器人小車的沿線行走奠定基礎。（三）板貼思路演繹——搭建具身支架，促進思維“可視”北京師范大學顧明遠教授提出，教學的本質(zhì)是培養(yǎng)學生的思維，學生只有經(jīng)過深刻的思考，才能將所學內(nèi)容內(nèi)化為自己的知識，建構(gòu)屬于自己的知識圖譜。六年級的學生正處于從形象思維向抽象思維過渡的關(guān)鍵時期，本節(jié)課涉及的機器人巡線原理對學生來說有一定難度。如果學生對于原理理解得不到位，就會影響后續(xù)的編程學習。具身認知理論強調(diào)學生的學習要通過親身體驗、經(jīng)歷、思考，豐富其體驗和認知。教師應為學生的具身學習和自主建構(gòu)知識圖譜搭建支架，將抽象化的內(nèi)容用具有可見性、條理性和組織性的簡單圖示表現(xiàn)出來，以促進學生思維的“可視化”。筆者為學生搭建具身學習支架，讓學生三人一小組，以小組合作的形式親身試驗，運用樂高卡片充當機器人小車，體驗機器人小車行走過程中顏色傳感器與軌跡線的位置關(guān)系。每個小組中選出一名學生代表，運用語言描述，借助生動形象的板貼演繹表述樂高小車的行進路徑和設計思路，把顏色傳感器與軌跡線三種位置關(guān)系呈現(xiàn)出來：左白、右白，小車直行；左黑、右白，小車左轉(zhuǎn)；左白、右黑，小車右轉(zhuǎn)（如圖1）。巡線原理思維過程直觀可視，能促使學生厘清思路，快速建立起抽象的思維框架。這樣不僅實現(xiàn)了學生從形象思維到抽象思維的轉(zhuǎn)化，形成了抽象的學科知識，還能在合作探究中增強學生的學習自信，提高主體的自我效能感，最終指向“知識+思維+能力”的綜合素養(yǎng)提升。（四）實行知行合一——踐行具身實踐，助推思維“進階”1.并列結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)算法具身認知理念認為，大部分抽象概念是具有隱喻性的，抽象概念的形成和高階思維過程都發(fā)生在身體感知經(jīng)驗的基礎之上，強調(diào)認知對身體的依賴，離開身體經(jīng)驗，認知就難以發(fā)生，更談不上思維的發(fā)展。在機器人小車沿線行走的操作過程中，教師采用具身體驗和游戲式學習相結(jié)合的方式，讓學生展開一系列活動：一是學生眼、耳、手、腦等多種感官共同參與認知，注重身體的體驗、感受和經(jīng)歷。二是身體力行、知行合一，構(gòu)建人、車、認知在內(nèi)的學習共同體。三是形成全員具身學習參與，促進基于體驗的認知建構(gòu)。這樣，學生在一遍遍的程序搭建、調(diào)試機器人小車巡線過程中，將感性經(jīng)驗上升為理性思維，形成較好的解決方案。四是學生利用EV3Classroom軟件編寫三種并列的“如果…那么…”語句，實現(xiàn)小車的沿線行走，提升學生運用算法來解決問題的能力。五是師生、生生在溝通合作、程序編寫、調(diào)試運行中不斷分析、比較、歸納問題，促進學生抽象思維和計算思維的融合發(fā)展。2.嵌套結(jié)構(gòu)，優(yōu)化算法算法指的是解決問題的方法和步驟，同一個問題有不同的解決方法。在機器人教學中，教師要鼓勵學生多思考、多交流，不斷優(yōu)化升級問題解決的方法。本項目中，并列語句是學生都能想到的方法，但是在機器人小車調(diào)試運行實驗過程中，學生觀察發(fā)現(xiàn)機器人小車巡線不穩(wěn)定，出現(xiàn)搖晃現(xiàn)象，這引發(fā)了學生的質(zhì)疑。通過深入地分析與觀察，學生的決策思維和批判性思維得到提升。學生小組共同協(xié)作實踐，尋找核心證據(jù)，發(fā)現(xiàn)程序中三種并列語句出現(xiàn)重復執(zhí)行現(xiàn)象，于是調(diào)整方法，將算法升級優(yōu)化為“如果—那么—否則”的嵌套語句。通過程序建模升級，學生再次親身實驗，調(diào)試后的機器人小車巡線平穩(wěn)而流暢，實現(xiàn)了優(yōu)化。嚴謹?shù)乃季S和算法設計，是程序編寫的前提。學生通過不斷試錯、調(diào)試，優(yōu)化算法，從并列結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成嵌套結(jié)構(gòu)，減少循環(huán)運行次數(shù)，提高算法執(zhí)行效率。學生在探究、優(yōu)化算法中不斷內(nèi)化經(jīng)驗，使思維由淺入深、由表及里，助推計算思維拾級而上，不斷進階，促進了問題解決等高階思維的形成，提升了思維品質(zhì)，實現(xiàn)了深度學習。（五）拓展應用遷移——采用具身評價，思維實現(xiàn)“發(fā)散”應用遷移是指學生將學習過程中獲得的知識、方法等用于解決真實問題。實現(xiàn)應用遷移是學生核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標落實的判斷標準。在任務拓展環(huán)節(jié)，不少小組都已經(jīng)實現(xiàn)了機器人小車沿線行走這一學習目標。但是仔細觀察發(fā)現(xiàn)，即使到達終點，機器人小車還是一直向前行走。如何才能讓機器人小車到達終點就立刻停下來呢？這一問題引發(fā)全班學生共同探究、演繹推理。最終，學生集思廣益，想出采用“重復執(zhí)行直到”控件來解決這一問題。整個實踐過程中，同伴互助、師生互動，思維不斷碰撞、磨合，逐步向?qū)挾?、深度、高度拓展。學生借助攝影設備拍攝機器人小車的巡線過程并投屏展示，生生間互相分享，團隊解決新問題，體驗實踐樂趣。教師結(jié)合“小組合作具身學習”評價量表（見表1），從親自調(diào)試、團隊協(xié)作、分享表達、展示成果四個維度，開展多元具身評價，以評價助推學生知識遷移應用能力的發(fā)展，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維、發(fā)散思