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“人工智能+教育”背景下机器人支持数学学习的国际案例研究

时间:2020-12-30  来源:电化教育研究 2020年12期   作者:   点击:

钟柏昌 华南师范大学教育信息技术学院

夏莉颖 华中师范大学珠海附属中学

一、 

人工智能正以超乎人们预想的速度发展且迅速进入教育领域,既成为教育改革的新工具,亦成为课程教学的新内容 作为人工智能在教育中应用的典型,机器人教育在中小学表现出了重要的教育价值和发展前景,尤其有利于学生实践创新能力的培养。

二、 教育机器人为数学教育提供新的契机

数学是研究数量关系与空间形式的科学,它具有高度的抽象性、逻辑的严性和应用的广泛性 《义务教育数学课程标准 2011 年版)》(以下简称 《标准》)指出,作为促进学生全面发展的重要组成部分,数学教育既要使学生掌握现代生活和学习中所需要的数学知识和技能,更要发挥数学在培养人的思维能力和创新能力方面的不可替代的作用。然而,传统的数学教育通常采用教师凭借“一支粉笔、一张嘴、一块黑板”讲到底的模式,不仅阻碍了学生数学思维的发展,更不利于激发学生学习数学的兴趣。

我们认为,就中小学阶段的数学课程而言,数与代数、图形与几何的内容和机器人的可触摸、可操控、成果物化等特点最为契合, 借助机器人的传感器、制动器、齿轮等装置,学生能够在体验机器人作品的创意、设计、制作、测试、运行的完整过程中实现对抽象数学概念的理解和对复杂数学问题的求解。

综上,结合中小学阶段数学课程的内容以及机器人的功能特点,一方面作为数学学习的工具,机器人主要适用于支持中小学数学课程中的数与代数、图形与几何的学习; 另一方面作为学生数学学习的同伴,机器人可以广泛应用于各类数学知识的学习。 当然,上述讨论只是呈现了理论上的可行性,究竟如何利用机器人支持数学课程的学习,尚需结合实际案例加以分析,才能获得更直观的认识。

三、机器人支持数学学习的典型案例

(一)做中学:通过机器人编程理解数与代数的概念

(二)做中学:通过搭建机器人理解图形与几何的概念

(三)做中学:通过搭建机器人并编写程序综合理解数学概念

(四)交互机器人/对话机器人:通过与机器人交互学习数学知识

四、案例反思与启示

上述典型案例为我们呈现了如何利用机器人支持数学学习的不同方式和方法,以此为基础,以下三个方面的经验值得我国机器人教育者和数学教育者思考:

(一)机器人的交互性可以帮助学生获得参与式的数学学习体验

(二)机器人的物化特征可以帮助学生建立抽象数学与实际生活的联系

(三)机器人与数学学科整合需要数学教师与技术教师的有效沟通和相互支持

首先,教师要充分认识到机器人在数学教育中的价值,并在整个学习过程中为学生提供持续性的鼓励和指导

其次,在数学活动的开展过程中,机器人的加入可能会分散学生的注意力并增加学生的认知负荷,为此,教师在教学设计中要注意避免机器人在数学学习中可能产生的消极影响。

最后,在基于机器人的合作学习中,教师应控制小组规模以保证每位学生都能参与机器人的搭建、编程、测试的过程,每个小组的人数最好控制在 2~3 人左右。

五、总

人工智能正以超乎人们预想的速度发展且迅速进入教育领域, 作为人工智能进校园的重要载体,当前的机器人教育暴露出了侧重学科本位而缺乏课程整合、侧重基础知识学习而缺乏创新应用的不足。 基于此, 本文提出应关注机器人在学科教学中的应用,一方面充分发挥机器人在 STEM 教育中的优势,促进机器人与 STEM 教育的深度整合; 另一方面也为 STEM 教育提供一种新的物化载体,帮助学生深入理解抽象、复杂的 STEM 相关概念。

整体而言,将机器人引入数学课程中,一方面,需要利用机器人的交互性实现参与式教学; 另一方面,需要利用机器人的物化特征架起抽象数学与实际生活的桥梁。 此外,机器人与数学学科的整合还需要数学教师与技术教师的有效沟通和相互支持。