凌倩

摘 要：教育部2018年1月16日發(fā)布的《普通高中課程方案和語(yǔ)文等學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中已將“機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作”模塊搬入高中信息技術(shù)教材，如今機(jī)器人教育逐漸成為教育界關(guān)注的熱點(diǎn)。開(kāi)展機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)究竟有什么實(shí)際意義？對(duì)青少年能力的培養(yǎng)有哪些增益？本文將從工程思維培養(yǎng)的角度，去闡述開(kāi)展機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人項(xiàng)目;工程思維;培養(yǎng)與促進(jìn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP24-4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）08-0239-02

1 培養(yǎng)青少年工程思維的重要意義

1.1 工程思維的概念

工程思維是指按照某一特定的目標(biāo)，遵循一定的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)投入生產(chǎn)或建設(shè)，直至制造出產(chǎn)品供應(yīng)社會(huì)或建成設(shè)施投入運(yùn)營(yíng)，這類(lèi)實(shí)踐活動(dòng)相應(yīng)的思維方式。

如果說(shuō)中國(guó)的基礎(chǔ)學(xué)科教學(xué)注重的是科學(xué)家的培養(yǎng)，那么國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家的基礎(chǔ)教學(xué)理念更偏向于工程師的培養(yǎng)?？茖W(xué)家會(huì)證實(shí)這件事可以不可以做，工程師需要明白具體怎么做。正如機(jī)器人FLL工程挑戰(zhàn)賽，每年9月份，F(xiàn)IRST LEGO League向全球參賽隊(duì)伍公布年度挑戰(zhàn)項(xiàng)目，鼓勵(lì)孩子們通過(guò)對(duì)機(jī)器人的設(shè)計(jì)、搭建、編程工作來(lái)解決現(xiàn)實(shí)世界中的問(wèn)題，從科學(xué)思維角度僅僅是需要驗(yàn)證這個(gè)方案能不能實(shí)現(xiàn)，而工程思維是需要了解用什么技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)它。我們不難看出，機(jī)器人項(xiàng)目的教學(xué)過(guò)程旨在培養(yǎng)一種解決問(wèn)題的能力即培養(yǎng)工程思維的過(guò)程。

1.2 培養(yǎng)青少年工程思維的重要意義

1.2.1 是培養(yǎng)青少年綜合素質(zhì)的需要

素質(zhì)教育是把人的全面發(fā)展作為教育的出發(fā)點(diǎn)和歸宿點(diǎn)，提倡素質(zhì)教育就是要使每一個(gè)青少年先天優(yōu)勢(shì)得以充分的發(fā)展，同時(shí)使他們獲得各種優(yōu)秀品質(zhì)。以機(jī)器人教育為載體，開(kāi)展青少年工程思維能力的培養(yǎng)是綜合素質(zhì)教育的需要。這種方式同樣有利于培養(yǎng)青少年的科學(xué)精神和科學(xué)作風(fēng)。機(jī)器人制作與實(shí)踐所需要的嚴(yán)謹(jǐn)性、精確性、可靠性，不僅有嚴(yán)密的邏輯推理，還要經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)踐驗(yàn)證，有助于培養(yǎng)青少年形成治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)。

1.2.2 是對(duì)未來(lái)人才提出的新要求

在我國(guó)，工程思維的缺乏導(dǎo)致不少初出茅廬的畢業(yè)生眼高手低，面臨著就業(yè)難等問(wèn)題。即使是大學(xué)培養(yǎng)出來(lái)的一些學(xué)生也還停留在按部就班的程度，卻從未反思過(guò)為什么這么做？是否根據(jù)環(huán)境的變化，改進(jìn)流程，提高效率？而今科學(xué)思維，也就是批判性思維被人們不斷提起，但是工程思維卻常常被忽略。特別是中小學(xué)生階段，我們的青少年往往被灌輸一種標(biāo)準(zhǔn)化的解題方式，這種被大多數(shù)人看來(lái)已經(jīng)習(xí)以為常的教育，竟沒(méi)有被深究過(guò)，殊不知社會(huì)上出現(xiàn)的問(wèn)題，大多是沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案的，這讓孩子們長(zhǎng)大后將何去何從？而良好的工程思維能力能夠反映出來(lái)的這種解決問(wèn)題的能力，正是我們需要從小培養(yǎng)的，是當(dāng)今社會(huì)對(duì)未來(lái)人才提出的要求。

1.2.3 是提高教學(xué)有效性的關(guān)鍵

科技的發(fā)展日新月異，知識(shí)也在不斷地推成出新，當(dāng)今的有效教學(xué)應(yīng)從“學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)”這種能力著手。工程思維是基于真實(shí)的、實(shí)際的問(wèn)題解決方案，有利于青少年主動(dòng)地、目標(biāo)明確地獲取知識(shí)。因此解決了工程思維的培養(yǎng)問(wèn)題即解決了教學(xué)的有效性。不難發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人項(xiàng)目的開(kāi)展一直是圍繞著解決實(shí)際問(wèn)題展開(kāi)的探究式學(xué)習(xí)，在整個(gè)探究過(guò)程青少年通過(guò)不斷思考、反復(fù)嘗試，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整方案，解決矛盾沖突，合理利用現(xiàn)有資源與時(shí)間完成指定任務(wù)，需要具備動(dòng)手能力與運(yùn)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編寫(xiě)程序完成實(shí)際任務(wù)的能力。這種發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的學(xué)習(xí)過(guò)程即是我們所需的有效教學(xué)的過(guò)程。

1.2.4 是提高教學(xué)可操作性的途徑

近年來(lái)，伴隨著社會(huì)各界對(duì)科學(xué)教育質(zhì)量要求的不斷提升，美國(guó)國(guó)家研究協(xié)會(huì)出臺(tái)了《K-12年級(jí)科學(xué)教育框架》，該框架?chē)@“科學(xué)和工程實(shí)踐、跨學(xué)科的概念、學(xué)科核心觀(guān)念”的維度組織，著重體現(xiàn)了注重實(shí)踐操作并讓青少年在較少內(nèi)容上實(shí)現(xiàn)真正學(xué)習(xí)。該框架將工程教育納入到了K-12年級(jí)的科學(xué)教育中，2017年頒布的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中提出了“技術(shù)和工程”這一新的領(lǐng)域。為如何進(jìn)行科學(xué)探究指明了實(shí)現(xiàn)途徑，使抽象的理論找到了實(shí)踐的落腳點(diǎn)，提高了教學(xué)的可操作性。

2 開(kāi)展機(jī)器人項(xiàng)目對(duì)青少年工程思維培養(yǎng)的促進(jìn)作用

2.1 中小學(xué)階段機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)的內(nèi)容與形式

工程思維培養(yǎng)必須從娃娃抓起，中小學(xué)階段機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)的內(nèi)容包括機(jī)械搭建、傳感技術(shù)、工藝設(shè)計(jì)、程序編程等。形式主要有：機(jī)器人競(jìng)賽項(xiàng)目，比如全國(guó)青少年機(jī)器人競(jìng)賽、全國(guó)中小學(xué)電腦制作活動(dòng);另一方面在教育部的推動(dòng)下，“機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作”模塊陸續(xù)搬入信息技術(shù)課堂;再者，近年來(lái)在全國(guó)范圍內(nèi)全面鋪開(kāi)的校內(nèi)課后服務(wù)活動(dòng)中，開(kāi)展了各種以培養(yǎng)青少年綜合能力為目的的機(jī)器人項(xiàng)目。機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)的普及讓神秘又遙不可及的機(jī)器人技術(shù)走進(jìn)校園，對(duì)青少年工程思維的培養(yǎng)起到很好的促進(jìn)作用。

2.2 機(jī)器人項(xiàng)目實(shí)踐有效促進(jìn)了青少年工程思維的培養(yǎng)

工程是指人類(lèi)為實(shí)現(xiàn)自己的需要，對(duì)已有的物質(zhì)材料和生活環(huán)境加以系統(tǒng)性的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、加工、建造等實(shí)踐活動(dòng)。其中，工程設(shè)計(jì)就是指導(dǎo)這整個(gè)過(guò)程的方案，而這個(gè)方案不僅要涉及自然科學(xué)和技術(shù)專(zhuān)業(yè)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，并且還會(huì)涉及社會(huì)科學(xué)、人文科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等。機(jī)器人項(xiàng)目實(shí)踐則是運(yùn)用指定品牌的機(jī)器人設(shè)備以實(shí)現(xiàn)某項(xiàng)任務(wù)目標(biāo)去設(shè)計(jì)拼裝機(jī)器人，并輸入編寫(xiě)好的程序在控制器與傳感器的配合下去達(dá)到完成任務(wù)的目的。而這個(gè)過(guò)程教會(huì)青少年能夠把學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用于解決問(wèn)題方面，是技術(shù)與工程領(lǐng)域的一個(gè)核心內(nèi)容。

在機(jī)器人教育中，機(jī)器人主體設(shè)計(jì)能夠很好地鍛煉青少年的工程思維。期間青少年必須根據(jù)目標(biāo)要求系統(tǒng)地、綜合地、有創(chuàng)造性地完成主體設(shè)計(jì)，然后使用機(jī)器人套裝的組件去完成主體的搭建工作，而搭建組裝的過(guò)程會(huì)涉及到機(jī)械、電子、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)控制理論、傳感檢測(cè)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多門(mén)學(xué)科的綜合運(yùn)用，而這僅僅是第一步。機(jī)器人主體設(shè)計(jì)還需要在接下來(lái)調(diào)試機(jī)器人的過(guò)程中不斷修改完善。這整個(gè)過(guò)程不僅能夠很好地體現(xiàn)工程設(shè)計(jì)的思想，同時(shí)也是訓(xùn)練工程思維的有效途徑。

程序編寫(xiě)是機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)的核心。程序編寫(xiě)本身就需要掌握程序語(yǔ)言、算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等諸多領(lǐng)域的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)。而在機(jī)器人競(jìng)賽項(xiàng)目中青少年還需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)行線(xiàn)路，根據(jù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)編寫(xiě)相應(yīng)的程序，以達(dá)到完成競(jìng)賽任務(wù)的目的。程序編寫(xiě)的過(guò)程可以鍛煉青少年嚴(yán)謹(jǐn)仔細(xì)的個(gè)性，能夠增強(qiáng)青少年的邏輯思維能力，對(duì)工程思維的培養(yǎng)亦有很好的促進(jìn)作用。

系統(tǒng)調(diào)試是機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)的關(guān)鍵，也是最能培養(yǎng)青少年能力的環(huán)節(jié)。青少年可以通過(guò)反復(fù)測(cè)試，分析現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提出修改方案及時(shí)調(diào)整，使機(jī)器人表現(xiàn)出最佳狀態(tài)。系統(tǒng)調(diào)試可以從實(shí)踐性、實(shí)用性、綜合性視角有效地培訓(xùn)青少年的工程思維。

3 機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)對(duì)培養(yǎng)青少年工程思維需避開(kāi)的誤區(qū)

3.1 忽視了對(duì)青少年能力的培養(yǎng)

機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)綜合了機(jī)械、電子、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)及人工智能領(lǐng)域的各種最新成果，機(jī)器人競(jìng)賽從機(jī)器人項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試到參賽，具有實(shí)踐性強(qiáng)、探索性強(qiáng)和綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)。旨在加強(qiáng)青少年對(duì)各方面知識(shí)的綜合理解與運(yùn)用，激發(fā)青少年求知欲，提高青少年團(tuán)隊(duì)合作能力，以達(dá)到進(jìn)一步開(kāi)發(fā)青少年工程思維能力的目的。但目前很多實(shí)施機(jī)器人教育的學(xué)校與機(jī)構(gòu)以競(jìng)賽成績(jī)作為主，吸引兒童與青少年參與。從機(jī)器人的設(shè)計(jì)到編程基本上都是由老師來(lái)完成，青少年只管比賽時(shí)候開(kāi)機(jī)擺位置。盡管在短期內(nèi)能獲得所謂的成績(jī)及名次，但這種“投機(jī)取巧式”的賽前準(zhǔn)備也限制了對(duì)青少年創(chuàng)新能力的開(kāi)發(fā)和培養(yǎng)，對(duì)于機(jī)器人教育的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展是不利的。

3.2 缺乏專(zhuān)職機(jī)器人教育的輔導(dǎo)教師

由于編制、職稱(chēng)、政策、待遇等問(wèn)題，大多數(shù)學(xué)校不會(huì)專(zhuān)門(mén)招聘有機(jī)器人教育資質(zhì)的科技輔導(dǎo)教師，一般都由信息技術(shù)教師或物理教師兼任，或只是委托學(xué)校年輕教師擔(dān)任，老師們?yōu)榱寺毞Q(chēng)評(píng)審的需要，也僅僅是短暫從事青少年機(jī)器人教育工作。另一方面，國(guó)家對(duì)機(jī)器人教師尚沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的職稱(chēng)評(píng)定，對(duì)相關(guān)機(jī)構(gòu)的開(kāi)設(shè)也沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的資質(zhì)要求。導(dǎo)致機(jī)構(gòu)中擔(dān)任機(jī)器人指導(dǎo)教師的這一批年輕人，大部分沒(méi)有經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)的機(jī)制培訓(xùn)，知識(shí)技能還是在師傅帶徒弟這種傳統(tǒng)的模式下學(xué)習(xí)的。從事該方面教育的輔導(dǎo)員不僅對(duì)機(jī)器人教學(xué)沒(méi)有一個(gè)比較統(tǒng)一的理念和教學(xué)目的，還存在著流動(dòng)性大，責(zé)任心不強(qiáng)等問(wèn)題。這對(duì)以培養(yǎng)青少年工程思維為目的的青少年機(jī)器人教育是極為不利的。

3.3 國(guó)內(nèi)環(huán)境影響制約著機(jī)器人教育的發(fā)展

受?chē)?guó)內(nèi)大環(huán)境的影響，國(guó)產(chǎn)硬件及機(jī)器人系統(tǒng)上遠(yuǎn)落后于一些國(guó)際一線(xiàn)品牌。比如樂(lè)高的NXT、EV3、EV5機(jī)器人教育套裝，以其專(zhuān)利積木為核心，零件種類(lèi)多達(dá)2000多種，質(zhì)量要求嚴(yán)格，具有非常高的靈活度和可塑性，自由發(fā)揮的空間很大，同時(shí)該教育套裝編程環(huán)境豐富、上手快，適合不同的年齡層次。因此，從2001年中國(guó)青少年機(jī)器人競(jìng)賽創(chuàng)辦初期，西覓亞科技有限公司可以說(shuō)在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)一直獨(dú)霸中國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)。這也是導(dǎo)致機(jī)器人設(shè)備價(jià)格長(zhǎng)期高居不下的原因之一。隨著機(jī)器人教育的蓬勃發(fā)展，國(guó)內(nèi)各種機(jī)器人廠(chǎng)商如雨后春筍般層出不窮，但這些以競(jìng)賽為目的生產(chǎn)、研發(fā)的機(jī)器人系統(tǒng)通用性、組合性較差，且編程環(huán)境選擇面窄，局限性大。有些競(jìng)賽項(xiàng)目如二對(duì)二機(jī)器人足球項(xiàng)目和二對(duì)二機(jī)器人籃球項(xiàng)目甚至是需年年更新，重復(fù)性投資且價(jià)格昂貴。機(jī)器人競(jìng)賽項(xiàng)目為了扶持國(guó)內(nèi)企業(yè)，近年來(lái)新增賽事已逐步向國(guó)內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)品傾斜。而在利益的刺激下有些商家將原本以培養(yǎng)青少年工程思維等綜合能力為目的的競(jìng)賽變成各種設(shè)備的財(cái)力比拼。更甚者有搭配比賽項(xiàng)目方案進(jìn)行更新捆綁銷(xiāo)售，這種現(xiàn)狀會(huì)將“機(jī)器人教育以培養(yǎng)青少年工程思維能力為目的”徹徹底底變成了一種有名無(wú)實(shí)的噱頭，最終將制約著機(jī)器人教育的健康成長(zhǎng)。

3.4 對(duì)機(jī)器人教育存在片面認(rèn)識(shí)

在輔導(dǎo)機(jī)構(gòu)遍地開(kāi)花的中國(guó)，青少年學(xué)習(xí)壓力大時(shí)間少。機(jī)器人教育在很多家長(zhǎng)眼中變成了與學(xué)習(xí)對(duì)立的一種學(xué)科。在每一個(gè)被沉甸甸的書(shū)包壓住的孩子心里，他們或許已經(jīng)擠不出更多的時(shí)間去探索機(jī)器人的奧秘。雖然近幾年來(lái)，我們機(jī)器人教育也在蓬勃發(fā)展，相關(guān)機(jī)構(gòu)層出不窮。但大部分家長(zhǎng)和孩子都是秉著偶然玩玩、練練動(dòng)手能力的心態(tài)參加，往往很快就放棄了。若沒(méi)有中高考加分，沒(méi)有特長(zhǎng)生錄取，能鼓勵(lì)孩子堅(jiān)持學(xué)習(xí)機(jī)器人的家長(zhǎng)寥寥無(wú)幾。工程思維的培養(yǎng)過(guò)程需要調(diào)動(dòng)各種感官去經(jīng)歷，用自己的心靈去感悟，經(jīng)過(guò)失敗與成功的磨練。而機(jī)器人項(xiàng)目探究經(jīng)歷的這種由思考到實(shí)踐，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)確定方案到最后實(shí)施完成的過(guò)程恰是提升青少年工程思維能力的煉金爐。但這種培養(yǎng)是需要反復(fù)去磨練的，時(shí)間的缺失讓原本需要親力親為的探究過(guò)程變成照樣畫(huà)葫蘆或人云亦云，很大程度制約了青少年的創(chuàng)造力，減少了應(yīng)有的挫折感，從而弱化了對(duì)兒童及青少年工程思維的培養(yǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)器人技術(shù)已走進(jìn)我國(guó)大部分的省市中小學(xué)信息技術(shù)課程，截至至2018年全國(guó)開(kāi)設(shè)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)的大學(xué)院校多達(dá)87所。但作為新興學(xué)科，機(jī)器人項(xiàng)目尚缺乏對(duì)該項(xiàng)目核心價(jià)值的界定與研究，而如何運(yùn)用機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)手段培養(yǎng)青少年工程思維，將素質(zhì)教育落實(shí)到實(shí)處，是一項(xiàng)很有意義的事業(yè)。

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