對中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)定位的思考

艾 倫

摘要 從學(xué)習(xí)需求和教學(xué)目標(biāo)出發(fā),指出培養(yǎng)中小學(xué)生創(chuàng)新能力的有效途徑是提高他們的綜合設(shè)計(jì)能力,并提出中小學(xué)生機(jī)器人教學(xué)為達(dá)到上述目的應(yīng)該注重的問題。

關(guān)鍵詞 綜合設(shè)計(jì);創(chuàng)新能力;機(jī)器人

中圖分類號(hào):G420 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-489X(2009)24-0004-02

Think about Robot Teaching of Primary and Secondary Schools//Ai Lun

Abstract From the learning needs and teaching goals, improving synthesize and design ability of primary and secondary students is an effective way for bring up their innovation ability. And primary and middle schools robot teaching to achieve the above objectives should focus on some problems.

Key words synthesize and design; innovation ability; robot

Authors address Capital Normal University, Beijing, 100048, China

隨著新課程改革的推進(jìn)與社會(huì)上機(jī)器人競賽項(xiàng)目的普及,機(jī)器人教學(xué)已經(jīng)逐漸進(jìn)入中小學(xué)的課堂。從課程的角度看,機(jī)器人教學(xué)還是一個(gè)嶄新的內(nèi)容。本文不想對該課程到底應(yīng)該設(shè)置在科學(xué)課、社會(huì)實(shí)踐課、勞技課、信息技術(shù)課、通用技術(shù)課以及校本課程中的哪門課更為合適進(jìn)行探討,只是就該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)組織的定位提出自己的意見。

1 中小學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

新課程標(biāo)準(zhǔn)的三維目標(biāo)中,第一個(gè)就是知識(shí)與技能。其實(shí)技能(Skill)一詞不如用能力(Ability)一詞更能確切地表達(dá)知識(shí)的含義。人需要學(xué)習(xí)的知識(shí)包括通常說的知識(shí)(稱為顯性知識(shí)或結(jié)構(gòu)化知識(shí)、良構(gòu)知識(shí))和能力(稱為隱性知識(shí)或非結(jié)構(gòu)化知識(shí)、劣構(gòu)知識(shí))。顯性知識(shí)是人們獲取的自然和社會(huì)的各種信息,可以通過閱讀、聽講等方式學(xué)習(xí)到這種知識(shí);而隱性知識(shí)——能力則是人們認(rèn)識(shí)、改造自己和自然以及社會(huì)環(huán)境的本領(lǐng),往往需要通過不斷實(shí)踐領(lǐng)會(huì)或師傅帶徒弟的方式才能學(xué)習(xí)到。

關(guān)于能力的提法有很多,但歸納起來可分為2種:一是分析能力,一是綜合與設(shè)計(jì)能力。分析是從已經(jīng)存在的事物中去發(fā)現(xiàn)一般性的規(guī)律。這是一個(gè)歸納的過程,從特殊到一般,結(jié)果具有唯一性。例如,牛頓三定律就是對大量宇宙宏觀現(xiàn)象進(jìn)行分析得出的唯一性普適定律。綜合與設(shè)計(jì)是運(yùn)用一般規(guī)律去實(shí)現(xiàn)原本不存在的事物;這是一個(gè)演繹過程,從一般到特殊,結(jié)果具有多樣性。綜合與設(shè)計(jì)也是不同的,綜合是在原理上實(shí)現(xiàn),設(shè)計(jì)是在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)。例如,用已經(jīng)掌握的電學(xué)和光學(xué)等理論去實(shí)現(xiàn)一臺(tái)電視機(jī),將電視機(jī)的原理圖畫出來為綜合;而確定電路參數(shù)和整機(jī)性能指標(biāo),為制作出該電視機(jī)做出全部生產(chǎn)前的準(zhǔn)備工作就是設(shè)計(jì)。由于不同型號(hào)甚至不同生產(chǎn)批號(hào)的電視機(jī)在原理、功能、結(jié)構(gòu)等方面都是有差別的,所以可認(rèn)為具有無窮多個(gè)綜合設(shè)計(jì)的結(jié)果。

當(dāng)前中小學(xué)校對學(xué)生的能力培養(yǎng)上比較注重分析能力的培養(yǎng),而缺乏的對綜合與設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。究其原因可能有3個(gè)方面。第一是中小學(xué)教師的知識(shí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。中小學(xué)教師一般都畢業(yè)于師范院校,而師范院校課程設(shè)置不同于工科院校,基本都是分析類課程,他們本身就沒有受過綜合設(shè)計(jì)的訓(xùn)練。第二是中小學(xué)課程設(shè)置與教師授課特點(diǎn)也偏重于分析。第三是目前的高考制度造成中小學(xué)生的知識(shí)面窄而追求深。有人曾做過一個(gè)很形象的比喻:中國中小學(xué)生的知識(shí)是1英里深,1英寸寬;美國學(xué)生的知識(shí)是1英寸深,1英里寬。而一些研究表明,人的分析能力與知識(shí)的深度呈高度正相關(guān),綜合設(shè)計(jì)能力則與知識(shí)的廣度呈高度正相關(guān)[1]。要提高中國中小學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力,就應(yīng)該從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)組織方面去尋求新的出路。機(jī)器人教學(xué)的出現(xiàn)是一個(gè)很好的契機(jī),為培養(yǎng)中小學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力提供了有利條件。

2 當(dāng)今社會(huì)的學(xué)習(xí)需求特點(diǎn)分析

學(xué)習(xí)需求的本質(zhì)是一個(gè)社會(huì)需求問題。在發(fā)達(dá)國家存在這樣一個(gè)規(guī)律:經(jīng)濟(jì)蕭條時(shí)期,理科畢業(yè)生相對比較容易就業(yè);而經(jīng)濟(jì)發(fā)展時(shí)期,工科畢業(yè)生容易就業(yè)。中國現(xiàn)在正處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的時(shí)期,需要具有高度分析能力的科學(xué)家,但更需要具有高度綜合設(shè)計(jì)能力的工程師。前幾年,理科畢業(yè)生的平均供需比為1:1.74,而工科畢業(yè)生的平均供需比為1:3.64,就說明了這個(gè)問題[2]。近年來,高等職業(yè)教育的快速發(fā)展也是對這個(gè)問題的例證。

為了能夠迅速擴(kuò)充中小學(xué)生的知識(shí)面,提高他們的綜合設(shè)計(jì)能力,教育部在推行新課程改革的同時(shí),為中小學(xué)生新增加技術(shù)類課程,即信息技術(shù)課與通用技術(shù)課。這些課程提倡讓學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦去設(shè)計(jì)作品或產(chǎn)品,在此過程中學(xué)生的知識(shí)面得到擴(kuò)充,綜合設(shè)計(jì)能力得到提高。但是由于教學(xué)資源(專職教師、教學(xué)設(shè)備、活動(dòng)場所等)的缺乏,技術(shù)類課程目前還不能迅速、如期地實(shí)現(xiàn)其教學(xué)目標(biāo),尤其在廣大的農(nóng)村和城市邊遠(yuǎn)地區(qū)更是如此。所以,培養(yǎng)中小學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力是一個(gè)亟待解決的問題,是社會(huì)的需求,是時(shí)代的需要。綜合設(shè)計(jì)能力對學(xué)習(xí)需求是如此重要,而中小學(xué)生以前的課程教學(xué)又不能解決提高綜合設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的問題,所以通過機(jī)器人課程教學(xué)來解決這一問題就成為十分重要的途徑之一。

3 中小學(xué)生的創(chuàng)新問題

從創(chuàng)新能力培養(yǎng)的角度說,培養(yǎng)中小學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力也是十分必要的。前面說到,科學(xué)分析的成果具有唯一性,而綜合設(shè)計(jì)的成果具有多樣性。對于中小學(xué)生,不可能奢求他們?nèi)プ鲈瓌?chuàng)性的研究和發(fā)明,一般認(rèn)為只要研究的成果形式或過程方法與其他人的研究有差異就可認(rèn)為是創(chuàng)新,所以綜合設(shè)計(jì)成果的多樣性為中小學(xué)生提供了更多的創(chuàng)新機(jī)會(huì)。研究成果的實(shí)現(xiàn)使學(xué)生具有成就感,成就感會(huì)激勵(lì)學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究興趣,研究興趣是學(xué)生創(chuàng)新精神的基礎(chǔ),而創(chuàng)新精神是創(chuàng)新能力培養(yǎng)的有力保障。在這里,情感、態(tài)度、價(jià)值觀也得到充分的體現(xiàn)。

從前面的分析可知,培養(yǎng)中小學(xué)生創(chuàng)新能力的有效途徑是培養(yǎng)其綜合設(shè)計(jì)能力,而綜合設(shè)計(jì)能力的提高依賴于知識(shí)面的寬泛化和隱性知識(shí)的顯性化。目前,中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)就應(yīng)該采取拓寬知識(shí)的教學(xué)內(nèi)容和綜合與設(shè)計(jì)的教學(xué)方法,而教學(xué)組織要特別注重學(xué)生的動(dòng)手制作。

4 機(jī)器人教學(xué)中的學(xué)生能力培養(yǎng)

創(chuàng)新能力、綜合設(shè)計(jì)能力既然屬于能力,就必然具有隱性知識(shí)的非結(jié)構(gòu)化特點(diǎn)。所以,要通過機(jī)器人教學(xué)來提高這些能力,就應(yīng)該在教學(xué)中注意3個(gè)方面的問題:廣泛化認(rèn)知、充分化動(dòng)手、規(guī)范化設(shè)計(jì)。

4.1 廣泛化認(rèn)知既然人的綜合設(shè)計(jì)能力與其知識(shí)的廣度呈高度正相關(guān),在機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)中就應(yīng)該有意識(shí)地?cái)U(kuò)充學(xué)生的知識(shí)面。機(jī)器人設(shè)計(jì)應(yīng)不拘泥形式和內(nèi)容,讓學(xué)生在設(shè)計(jì)的過程中廣泛地接觸和搜集各方面的資料(自然的、人文的、藝術(shù)的),并深入分析思考,從中獲得大量信息,擴(kuò)充自己的知識(shí)空間。機(jī)器人的設(shè)計(jì)涉及光機(jī)電一體化問題、自動(dòng)控制問題、人工智能問題等多方面。隨著機(jī)器人智能水平的提高,各種傳感器和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)越發(fā)精密,學(xué)生在機(jī)器人的軟硬件設(shè)計(jì)過程中需要的知識(shí)更加廣泛,考慮的問題更加精細(xì)。這些對培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力與實(shí)踐創(chuàng)新能力都具有非常大的促進(jìn)作用。

4.2 充分化動(dòng)手既然能力作為隱性知識(shí)要在不斷的實(shí)踐活動(dòng)中去體驗(yàn)、學(xué)習(xí),機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)就一定要讓學(xué)生本人經(jīng)歷軟硬件的設(shè)計(jì),機(jī)器人課程應(yīng)該是一個(gè)讓學(xué)生能夠得到充分動(dòng)手體驗(yàn)的教學(xué)過程。

4.3 規(guī)范化設(shè)計(jì)既然隱性知識(shí)具有非結(jié)構(gòu)化特點(diǎn),解決“沒有師傅也能出徒”的問題就依賴于把隱性知識(shí)能夠顯性化。將綜合設(shè)計(jì)的過程規(guī)范化,就是讓學(xué)生完整地經(jīng)歷功能與技術(shù)指標(biāo)提出、功能分析、指標(biāo)分析、關(guān)鍵技術(shù)論證、算法與流程設(shè)計(jì)、軟件或硬件的實(shí)施、調(diào)試與反饋修正等一系列全過程。不僅如此,還應(yīng)養(yǎng)成將整個(gè)綜合設(shè)計(jì)過程形成文檔的良好習(xí)慣。

5 中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)建議

考慮到中小學(xué)生和機(jī)器人課程的特點(diǎn),為培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力,筆者認(rèn)為機(jī)器人教學(xué)應(yīng)該在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)組織方面一改其他課程的教學(xué)模式,走出一條新的路子來。

5.1 教學(xué)內(nèi)容機(jī)器人教學(xué)應(yīng)注意學(xué)生知識(shí)廣度的學(xué)習(xí)。雖然僅通過一門課程來擴(kuò)充學(xué)生的知識(shí)面效果有限,但是由于機(jī)器人的設(shè)計(jì)涉及光機(jī)電一體化、自動(dòng)控制、人工智能等多方面問題,既有硬件設(shè)計(jì)也有軟件設(shè)計(jì),所以是讓學(xué)生了解和掌握大量知識(shí)的絕好機(jī)會(huì)。知識(shí)不追求深度,只要求廣度。例如在確定教學(xué)內(nèi)容時(shí),注意力不要僅放在競賽用輪式成品機(jī)器人上,還應(yīng)該關(guān)注單片機(jī)、嵌入式CPU、各種傳感器、電機(jī)、機(jī)械部件等軟硬件技術(shù)在機(jī)器人和自動(dòng)化技術(shù)上的應(yīng)用。

5.2 教學(xué)方法應(yīng)根據(jù)學(xué)段和學(xué)科情況選擇不同的綜合設(shè)計(jì)教學(xué)方法。如:小學(xué)階段可讓學(xué)生完成輪式競賽用機(jī)器人的功能模塊組裝的設(shè)計(jì);初中階段可進(jìn)行生活與學(xué)習(xí)中實(shí)用機(jī)器人的創(chuàng)意設(shè)計(jì);高中信息技術(shù)課中可重點(diǎn)對機(jī)器人智能軟件算法進(jìn)行設(shè)計(jì);而高中通用技術(shù)課中可重點(diǎn)對機(jī)器人的電氣部分、傳感器部分、動(dòng)力部分和機(jī)械部分進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)?？傊?教學(xué)方法應(yīng)該側(cè)重綜合設(shè)計(jì),而不是放在問題的分析上。

5.3 教學(xué)組織機(jī)器人教學(xué)應(yīng)事先營造好供學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦進(jìn)行設(shè)計(jì)活動(dòng)的環(huán)境。提供必要的設(shè)備和工具(包括工具軟件),組織學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí),特別應(yīng)注意探究式學(xué)習(xí)3個(gè)要素(任務(wù)驅(qū)動(dòng)、協(xié)作學(xué)習(xí)、教師引導(dǎo))的構(gòu)成,讓學(xué)生能夠充分化動(dòng)手。同時(shí),還應(yīng)提倡設(shè)計(jì)過程的規(guī)范化,用于提高學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力。教學(xué)活動(dòng)不僅在課堂上進(jìn)行,還應(yīng)組織學(xué)生在課余時(shí)間做適當(dāng)?shù)墓ぷ?以保證教學(xué)的完整性和有效性。

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