姜玉芹+毛勇

STEM實(shí)驗(yàn)工坊

主持人寄語(yǔ)：日前，觀摩了Botball國(guó)際機(jī)器人大賽中國(guó)區(qū)域賽的比賽活動(dòng)，這是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工程對(duì)抗賽，非常具有觀賞性。給我留下深刻印象的是那些參加比賽的選手們，這些孩子在賽場(chǎng)內(nèi)外所表現(xiàn)出來(lái)的積極心態(tài)、樂觀精神、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和解決問題的能力都非常令人驚嘆。這些孩子與通常我所了解的中小學(xué)生有著明顯的差別，他們顯示出更積極主動(dòng)的學(xué)習(xí)態(tài)度和更為成熟的解決問題的思考方式。帶著對(duì)這些孩子的好奇，我約請(qǐng)本次比賽的組織方：青少年國(guó)際競(jìng)賽與交流中心（IT3C）的負(fù)責(zé)人姜玉芹女士、毛勇先生就如何培養(yǎng)孩子全新的思維方式，并將這種思維方式融入到相關(guān)賽事的策劃之中等話題，進(jìn)行系統(tǒng)闡釋。也由此了解到IT3C一直以來(lái)所倡導(dǎo)的教育理念和為實(shí)踐這些教育理念而開展的各項(xiàng)活動(dòng)的深遠(yuǎn)價(jià)值追求。

中國(guó)的基礎(chǔ)教育中對(duì)于學(xué)生解決問題能力、動(dòng)手能力以及工程思維的培養(yǎng)之缺失是早已被教育工作者們深刻認(rèn)識(shí)到的事實(shí)。如何改變這個(gè)現(xiàn)狀呢？以一種“拿來(lái)主義”的態(tài)度從舶來(lái)品中汲取營(yíng)養(yǎng)無(wú)疑是一條捷徑，IT3C就是這條路徑的倡導(dǎo)者。從Botball國(guó)際機(jī)器人大賽、RoboRAVE國(guó)際機(jī)器人比賽到“未來(lái)之城”設(shè)計(jì)大賽、國(guó)際太空城市設(shè)計(jì)大賽，IT3C就是希望通過(guò)引入和普及這些在國(guó)外已經(jīng)“久經(jīng)考驗(yàn)”的優(yōu)秀工程賽事活動(dòng)，幫助孩子們?cè)谧灾鲗W(xué)習(xí)、項(xiàng)目設(shè)計(jì)和比賽交流中逐步建立起工程思維能力，以應(yīng)對(duì)未來(lái)社會(huì)發(fā)展的需要。

工程思維和科學(xué)思維不同，它要求我們以科學(xué)為基礎(chǔ)在某一項(xiàng)具體的工程活動(dòng)中創(chuàng)造出自然界中從來(lái)沒有過(guò)而且永遠(yuǎn)也不可能自發(fā)出現(xiàn)的新的存在物。工程活動(dòng)是和時(shí)間、空間、資源等諸多客觀條件緊密聯(lián)系在一起的，它的求解具有非唯一性。因此，方案的健壯性、容錯(cuò)性往往是一個(gè)工程項(xiàng)目中最重要的指標(biāo)。可我們的學(xué)生在具體工程方案設(shè)計(jì)上的能力似乎還差得遠(yuǎn)。

當(dāng)IT3C剛在國(guó)內(nèi)中學(xué)中推廣Botball機(jī)器人工程挑戰(zhàn)項(xiàng)目時(shí)，我們很快發(fā)現(xiàn)這些學(xué)生在工程能力上驚人的薄弱。Botball是一項(xiàng)典型的以機(jī)器人為平臺(tái)的工程挑戰(zhàn)活動(dòng)，它的方案沒有唯一性，學(xué)生們可以天馬行空地設(shè)計(jì)自己的解決方案，但在有限資源、有限時(shí)間的前提下保證方案的優(yōu)異和穩(wěn)定是比賽的主要難點(diǎn)。IT3C的老師們發(fā)現(xiàn)，所接觸的大部分學(xué)生都已經(jīng)建立起良好的知識(shí)體系，也受過(guò)一定的科學(xué)訓(xùn)練。他們談起抽象的公式和計(jì)算頭頭是道，然而涉及設(shè)計(jì)具體方案時(shí)就會(huì)一頭霧水。曾經(jīng)有一個(gè)Botball隊(duì)伍試圖讓自己的機(jī)器人采集本方半場(chǎng)的樣本后再繞到對(duì)方半場(chǎng)采集對(duì)方的樣本，最后繞場(chǎng)一周回到得分區(qū)取得所有分?jǐn)?shù)。從方案的設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)，他們從來(lái)都沒有考慮對(duì)方機(jī)器人對(duì)本方行動(dòng)的影響，可以想見這種將“所有雞蛋放到一個(gè)籃子里”的方案在真實(shí)動(dòng)態(tài)的環(huán)境中是沒法成功的。這個(gè)例子在多次的Botball培訓(xùn)中都被當(dāng)作典型案例提起。經(jīng)過(guò)一個(gè)多賽季的努力滲透，現(xiàn)在所有的Botball隊(duì)伍都已經(jīng)意識(shí)到了工程思維的重要性，他們已經(jīng)學(xué)會(huì)用有序的討論進(jìn)行方案創(chuàng)新、用工程管理方法統(tǒng)籌安排時(shí)間和資源、用拆分子任務(wù)的方法逐步實(shí)現(xiàn)方案，并且進(jìn)行充分測(cè)試保證方案的可靠性?？梢哉f(shuō)在這批孩子中，工程思維和工程素養(yǎng)已經(jīng)生根發(fā)芽。

“太空城市設(shè)計(jì)大賽“聽起來(lái)好像是個(gè)宇航和建筑方面的專業(yè)比賽，其實(shí)，在這項(xiàng)比賽中，需要參賽的選手組成一家虛擬公司，在公司中應(yīng)聘各種職位，然后這家公司將接受由比賽主辦機(jī)構(gòu)發(fā)出的太空城市建造“標(biāo)書”，選手們必須要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，在充分考慮工程設(shè)計(jì)、科學(xué)性、材料、造價(jià)、美觀以及倫理等各種問題的基礎(chǔ)上，來(lái)完成標(biāo)書文檔的撰寫，還要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)計(jì)的講解，綜合性價(jià)比最好的設(shè)計(jì)才有可能勝出。參與這樣的活動(dòng)，和我們通常意義上的學(xué)習(xí)有著本質(zhì)區(qū)別。選手們必須學(xué)會(huì)運(yùn)用工程思維的方式，實(shí)現(xiàn)一種可能性，而不僅僅是“紙上談兵”的科學(xué)設(shè)想。所以需要各專業(yè)的同伴協(xié)同工作、磨合團(tuán)隊(duì)，還要在技術(shù)與現(xiàn)實(shí)之間尋找平衡，找到折中的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。選手們?cè)诒荣惖倪^(guò)程中隨時(shí)隨地都會(huì)面臨突發(fā)的問題需要解決，這鍛煉了孩子們臨場(chǎng)的應(yīng)變能力和解決突發(fā)問題的危機(jī)公關(guān)能力。而這些針對(duì)解決某個(gè)具體項(xiàng)目所需要的能力都是現(xiàn)實(shí)生活中非常實(shí)用和關(guān)鍵的能力，這些通過(guò)工程思維模式形成的解決問題的能力都不是在書本上可以學(xué)到的，必須通過(guò)“實(shí)踐”，親身參與、親手實(shí)踐。

“未來(lái)之城”設(shè)計(jì)大賽是另一個(gè)典型的工程項(xiàng)目，它要求學(xué)生完成一座虛擬城市、一座模型城市和一個(gè)能源、交通等未來(lái)城市中具體問題研究報(bào)告的撰寫，相比Botball它的要求更為全面而且面向的學(xué)生年齡段更低。如何通過(guò)課程的方式讓初中學(xué)生能夠接受這種前所未有的工程訓(xùn)練是IT3C面臨的挑戰(zhàn)。讓一群完全沒有接觸過(guò)建筑和城市的學(xué)生從零開始規(guī)劃一座城市，意味著所有專業(yè)熟知的概念必須還原其初始內(nèi)涵，讓學(xué)生掌握到城市最原初的本質(zhì)與最內(nèi)在的邏輯。然而，在抽象的過(guò)程中，又必須讓學(xué)生們認(rèn)識(shí)到城市是具象的、是和每一個(gè)人息息相關(guān)的，城市必然的復(fù)雜性與它的活力密不可分，而規(guī)劃一座容納千萬(wàn)人生活的城市，一座與自然和諧相處、傳承文明與人性關(guān)懷的城市，還意味著深沉厚重的責(zé)任。初中的孩子已經(jīng)有了思考與判斷的能力，其價(jià)值取向正在逐漸形成中。他們有能力理解一座城市、規(guī)劃一座城市，但如何開始至關(guān)重要。一定要足夠準(zhǔn)確，以免將學(xué)生帶入認(rèn)知的誤區(qū)；足夠有吸引力，以免讓學(xué)生喪失對(duì)課程的興趣；足夠有啟發(fā)性，為他們獨(dú)立思考與探索的學(xué)習(xí)方式奠定基礎(chǔ)；足夠有邏輯性，讓他們能夠把自己的生活與城市、與規(guī)劃設(shè)計(jì)聯(lián)系起來(lái)。IT3C的教師們采用了從幻想的城市到真實(shí)的城市的教學(xué)路徑，在“天空之城”、“地下之城”、“獨(dú)立之城”與“真實(shí)的城市”幾個(gè)板塊中，我們從巴比倫空中花園進(jìn)入《新世紀(jì)福音戰(zhàn)士》，從諾亞方舟來(lái)到《瓦力》，每一張圖片引發(fā)的不僅是學(xué)生們歡欣鼓舞的感嘆，還有極為敏捷的洞察力。水、空氣、潔凈的食物、便捷的交通，這些城市工程規(guī)劃中的要素被學(xué)生敏銳地提取出來(lái)。然而，當(dāng)課程進(jìn)入到真實(shí)城市的環(huán)節(jié)時(shí)，學(xué)生們又一次暴露出工程素養(yǎng)的缺失，他們的抽象思維能力極為強(qiáng)大，不論大到行星宇宙，還是小到分子原子，他們都能說(shuō)得頭頭是道。然而具體到生活中的一事一物，課本上沒有教，他們也無(wú)從分析。例如，為了培養(yǎng)學(xué)生的空間尺度概念，教師讓學(xué)生估計(jì)8層主樓的高度，結(jié)果卻是從10米到50米不一而足。而這類工程能力是書本課堂沒法提供的，只有通過(guò)參與一個(gè)個(gè)的實(shí)際項(xiàng)目才有可能得到補(bǔ)全。在學(xué)期的大作業(yè)展示和點(diǎn)評(píng)中，IT3C的老師們欣喜地看到了學(xué)生們的進(jìn)步，景觀設(shè)計(jì)、日照模型、風(fēng)向、氣候帶與環(huán)境、交通等實(shí)際工程問題，都伴隨著一個(gè)個(gè)方案展示給所有人，學(xué)生的相互點(diǎn)評(píng)中不乏尺度不對(duì)、功能不合理、日照不合理等精彩的分析。一個(gè)學(xué)期的課程讓這些學(xué)生掌握了理解城市的鑰匙和規(guī)劃城市的技能，但更重要的是他們不再是知識(shí)的被灌輸者，而是成為了有著工程思維能力的主動(dòng)學(xué)習(xí)者。

清華大學(xué)顧學(xué)雍老師是IT3C的科學(xué)顧問，他一直以來(lái)致力于工程教育的改革工作。他將教育與摩爾定律進(jìn)行的對(duì)比發(fā)人深省，在每18個(gè)月計(jì)算機(jī)的性能就會(huì)翻上一番的今天，我們的教育我們的課堂和50年前有什么本質(zhì)不同呢？如何在基礎(chǔ)教育中引入系統(tǒng)的工程訓(xùn)練，讓學(xué)生不僅僅學(xué)會(huì)知識(shí)還要掌握技能和思維方法，這是很多基礎(chǔ)教育工作者都應(yīng)思考的問題。IT3C的經(jīng)驗(yàn)也許是一條值得借鑒的路徑。

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