論中小學(xué)機(jī)器人教師的知識(shí)結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)

常會(huì)玲 彭敏霞

摘要:隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,機(jī)器人已經(jīng)從科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)了學(xué)校的課堂。在機(jī)器人課堂教學(xué)中,教師起著主導(dǎo)作用。本文在對(duì)中小學(xué)機(jī)器人教育開展情況和教學(xué)內(nèi)容研究的基礎(chǔ)上,提出了機(jī)器人教師應(yīng)該具備的知識(shí)結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)體系并對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了闡述,最后對(duì)這種知識(shí)與能力的培養(yǎng)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞:機(jī)器人教育;機(jī)器人教師;知識(shí)結(jié)構(gòu);能力結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào):G451 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1673-8454(2009)20-0081-04

一、中小學(xué)機(jī)器人教育開展概述

從信息技術(shù)發(fā)展的角度,人們把20世紀(jì)80年代稱為PC時(shí)代;把90年代飛速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,稱為Inter時(shí)代;有人預(yù)言21世紀(jì)將是PR(個(gè)人機(jī)器人)時(shí)代。信息技術(shù)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展趨勢表明,PC可能被PR取代,Internet也可能成為PR大腦的一部分。機(jī)器人正在逐步走進(jìn)我們的生活,我國的許多學(xué)校正在開展各種形式的機(jī)器人教育。

機(jī)器人教育是指學(xué)習(xí)、利用機(jī)器人,優(yōu)化教育效果及師生勞動(dòng)方式的理論與實(shí)踐。[1] 縱觀各地中小學(xué)機(jī)器人教育的方式,大體可以分為幾種:

第一種,通過學(xué)校、少年宮、少科站等單位吸收機(jī)器人愛好者,組成智能機(jī)器人學(xué)習(xí)小組,以學(xué)員制進(jìn)行活動(dòng),并可代表地區(qū)參加各類競賽活動(dòng)。這種形式是機(jī)器人進(jìn)入中小學(xué)生視野最初、最多,也是最有效的方法。目前由于教學(xué)條件的限制,大多數(shù)學(xué)校還處于這個(gè)階段。

第二種,把智能機(jī)器人作為信息技術(shù)課的內(nèi)容之一列入中小學(xué)信息技術(shù)教育課程,這種形式正在形成期,教材的編寫、課程的常規(guī)性開設(shè)正在起步。當(dāng)然,這無疑會(huì)為信息技術(shù)學(xué)科帶來新的活力,對(duì)目前信息技術(shù)教育重軟件應(yīng)用、輕編程開發(fā)的局面也會(huì)有所改善。

第三種,機(jī)器人教育以研究性課程的形式進(jìn)入中學(xué),由于研究性學(xué)習(xí)課程越來越受到重視,也由于機(jī)器人教育的長期性、個(gè)性化,決定了如果通過研究性學(xué)習(xí)形式推廣,會(huì)更有利于對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

圖1是針對(duì)中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)形式的調(diào)查,從圖中我們可以看出,目前許多學(xué)校開展機(jī)器人教育的形式主要是信息技術(shù)課的一部分內(nèi)容。教育機(jī)器人作為教學(xué)內(nèi)容進(jìn)入中小學(xué),無論國內(nèi)還是國外,目前都處于起步階段。通常的做法是由學(xué)校購買若干套機(jī)器人器材,由信息技術(shù)課程教師或綜合實(shí)踐課程教師進(jìn)行指導(dǎo),組織學(xué)生進(jìn)行機(jī)器人組裝、編程的實(shí)踐活動(dòng),然后參加一些相關(guān)的機(jī)器人競賽。目前,只有極少數(shù)的地區(qū)和學(xué)校將機(jī)器人教學(xué)納入了正規(guī)課堂教學(xué)。[2]

2000年,北京市景山學(xué)校以科研課題的形式將機(jī)器人普及教育納入到信息技術(shù)課程中,在國內(nèi)率先開展了中小學(xué)機(jī)器人課程教學(xué)。2001年,上海市西南位育中學(xué)、盧灣高級(jí)中學(xué)等學(xué)校開始以“校本課程”的形式進(jìn)行機(jī)器人活動(dòng)進(jìn)課堂的探索和嘗試。2005年,哈爾濱市正式將機(jī)器人引入課堂教學(xué),在哈爾濱師范附小、60中、省實(shí)驗(yàn)中學(xué)等41所學(xué)校開設(shè)了“人工智能與機(jī)器人”課程,用必修課形式對(duì)中小學(xué)生進(jìn)行機(jī)器人科學(xué)方面的教育。此外,香港在高中及高等教育新學(xué)制的改革中,在高中“設(shè)計(jì)與應(yīng)用科技”課程中增設(shè)了機(jī)器人制作的課程。機(jī)器人教育成為信息技術(shù)教育的新載體,并成為信息技術(shù)教育改革的一個(gè)新的模塊。教育部于2003年4月正式頒布《普通高中技術(shù)課程(實(shí)驗(yàn))標(biāo)準(zhǔn)》,首次在“通用技術(shù)”科目中設(shè)立了“簡易機(jī)器人制作”模塊,它是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的學(xué)習(xí)平臺(tái)、將機(jī)械傳動(dòng)與單片機(jī)的應(yīng)用有機(jī)組合的一個(gè)選修課程模塊。該模塊為學(xué)生提供了運(yùn)用當(dāng)代先進(jìn)技術(shù)和先進(jìn)思想方法進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作,以解決實(shí)際問題的機(jī)會(huì)。與此同時(shí),新的高中課程標(biāo)準(zhǔn)在“信息技術(shù)”科目中也設(shè)立了“人工智能初步”選修模塊,邁出了我國高中階段開展人工智能教育的第一步。

通過筆者進(jìn)行訪談和實(shí)地調(diào)查某些小學(xué),例如西安交通大學(xué)附屬小學(xué)(南校區(qū))已經(jīng)將機(jī)器人教育獨(dú)立為一門學(xué)科,并根據(jù)樂高和其他廠家的教學(xué)機(jī)器人的說明書,開發(fā)出了適合本校學(xué)生的校本教材,在學(xué)校的一到六年級(jí)都開設(shè)了機(jī)器人教學(xué),走在了全國機(jī)器人課堂教學(xué)的前列。

二、中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容

要開展機(jī)器人教育,首先必須解決的問題是有關(guān)機(jī)器人教育的教學(xué)內(nèi)容。機(jī)器人學(xué)科是一門交叉性極強(qiáng)的綜合性學(xué)科,它涉及到了機(jī)械制造、自動(dòng)控制、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)等許多學(xué)科。[3] 一個(gè)機(jī)器人包括兩個(gè)主要部分:機(jī)器人的身體和某種形式的人工智能系統(tǒng)。不同的身體部分都可以叫做機(jī)器人,如關(guān)節(jié)手臂被用于焊接和上漆,因此這就決定了機(jī)器人教學(xué)在內(nèi)容上的復(fù)雜性。我國現(xiàn)階段中小學(xué)開展智能機(jī)器人教學(xué),一般包括以下四方面的知識(shí)內(nèi)容:[5]

1.了解機(jī)器人概況

這一部分內(nèi)容主要是給學(xué)生介紹機(jī)器人常識(shí)性的知識(shí),主要包括機(jī)器人的定義、機(jī)器人本質(zhì)和原理、機(jī)器人的誕生與發(fā)展以及在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用等內(nèi)容,有條件的教師還可以利用互聯(lián)網(wǎng)讓學(xué)生搜集一些不同類型的機(jī)器人圖片和資料,以此來激發(fā)學(xué)生對(duì)機(jī)器人的興趣。

2.熟悉機(jī)器人硬件

因?yàn)槊總€(gè)學(xué)校所使用的教學(xué)機(jī)器人品牌和類型都不盡相同,所以在學(xué)習(xí)了機(jī)器人常識(shí)知識(shí)之后,需要給學(xué)生介紹所使用的機(jī)器人的基本知識(shí),使學(xué)生了解、熟悉機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)體系,能夠在腦海中形成一個(gè)機(jī)器人工作的結(jié)構(gòu)示意圖。

3.掌握機(jī)器人編程

這部分內(nèi)容主要包括編程語言及編程環(huán)境的使用,簡單程序的編寫,面向?qū)嶋H問題(如直線行走、繞圈等)的編程設(shè)計(jì),開發(fā)實(shí)用的機(jī)器人程序,掌握為一種智能機(jī)器人下載程序的方法,了解智能機(jī)器人的各種傳感器和驅(qū)動(dòng)裝置的作用,理解并體會(huì)程序是智能機(jī)器人的靈魂,了解機(jī)器人是怎樣在人的指揮下工作的。

4.應(yīng)用機(jī)器人項(xiàng)目

根據(jù)機(jī)器人項(xiàng)目的要求,應(yīng)用機(jī)器人基本知識(shí)完成任務(wù)。例如,走迷宮、滅火和循線走圖形等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

三、機(jī)器人教師的知識(shí)結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)

所謂結(jié)構(gòu)是指各個(gè)組成部分的搭配和排列,就知識(shí)本身而言,每個(gè)知識(shí)體系、每門學(xué)科,知識(shí)與知識(shí)之間都有特定的內(nèi)在聯(lián)系。知識(shí)結(jié)構(gòu)指知識(shí)的搭配和排列,[4]教師的知識(shí)結(jié)構(gòu)是指作為教師應(yīng)掌握的相應(yīng)知識(shí),這些知識(shí)是教師進(jìn)行教學(xué)工作的前提條件。教師的能力結(jié)構(gòu)是指教師在全面完成教育教學(xué)工作中所應(yīng)具備的綜合能力,它是充分發(fā)揮教師主導(dǎo)作用的基礎(chǔ)。機(jī)器人教師的知識(shí)和能力結(jié)構(gòu)就是在機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)過程中所必須具備的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容知識(shí)和能力體系。

機(jī)器人教師的知識(shí)和能力是機(jī)器人教學(xué)開展的前提和必要條件,但由于機(jī)器人教育是一個(gè)新興領(lǐng)域,師范院校開設(shè)這個(gè)專業(yè)目前幾乎還是個(gè)空白。根據(jù)最近的調(diào)查結(jié)果顯示,發(fā)現(xiàn)目前機(jī)器人教師的專業(yè)背景不盡相同,有76.3%的教師來自計(jì)算機(jī)專業(yè),18%的教師是物理專業(yè),其他專業(yè)背景很少,僅占5.7%。來自不同專業(yè)的機(jī)器人教師是否能勝任教學(xué),這是我們普遍關(guān)注的問題。

根據(jù)機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐,我們認(rèn)為中小學(xué)機(jī)器人教師需要具備的知識(shí)結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)見圖2。 1.基礎(chǔ)知識(shí)和基本能力是教師開展工作的前提

中小學(xué)機(jī)器人教師和其他學(xué)科教師一樣,需要具備教育學(xué)和心理學(xué)理論基礎(chǔ),這是進(jìn)行教學(xué)工作的基礎(chǔ)。教師要教書育人,就必須懂得教育規(guī)律,掌握教育理論,用教育學(xué)、心理學(xué)、教學(xué)法的理論來武裝自己。教育實(shí)踐證明:科學(xué)的教學(xué)理論,可以給教師以正確的教育觀點(diǎn),使教師了解教育工作的基本規(guī)律和基本方法,以指導(dǎo)教師進(jìn)行科學(xué)的教育工作,加強(qiáng)工作的科學(xué)性和預(yù)見性,減少盲目性,從而取得最優(yōu)化的教育效果。

機(jī)器人教學(xué)離不開信息技術(shù),各種教學(xué)程序的編制,上傳或下載等都需要教師具備嫻熟的計(jì)算機(jī)能力。

2.精深的專業(yè)知識(shí)是教學(xué)活動(dòng)的保障

一門學(xué)科的專業(yè)知識(shí)就是這門任課教師知識(shí)結(jié)構(gòu)中的主干部分。專業(yè)知識(shí)不僅指對(duì)本學(xué)科的基本概念、基礎(chǔ)知識(shí)了如指掌,還要熟悉這門學(xué)科的歷史、現(xiàn)狀和未來趨勢,懂得這門學(xué)科的學(xué)習(xí)和研究方法。

中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)的內(nèi)容除了機(jī)器人的概念、功能、原理、結(jié)構(gòu)、發(fā)展歷史、應(yīng)用領(lǐng)域等基礎(chǔ)知識(shí)外,還包括機(jī)器人程序編寫及開發(fā)機(jī)器人程序,機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)體系、機(jī)器人的模塊化拼裝、控制與維護(hù),這就需要任課教師對(duì)教學(xué)內(nèi)容有熟練的把握。程序是智能機(jī)器人的靈魂,機(jī)器人的動(dòng)作是依靠程序指揮進(jìn)行的。所以,C語言、LOGO語言或者BASIC語言的編程能力成為教師專業(yè)能力的核心。智能機(jī)器人制作離不開單片機(jī)的知識(shí)。單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)是將CPU、存儲(chǔ)器、接口電路和程序集成在一片硅片上,[6]單片機(jī)程序的用途是讓單片機(jī)按人們所預(yù)定的設(shè)計(jì)完成一系列動(dòng)作,最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定的功能。

3.較強(qiáng)的專業(yè)能力是機(jī)器人教師的必備條件

開展機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)的目標(biāo)是使學(xué)生了解機(jī)器人學(xué)科前沿的發(fā)展和應(yīng)用狀況,了解機(jī)器人的基本概念和基本工作方式,破除青少年對(duì)機(jī)器人的神秘感;使學(xué)生掌握一種機(jī)器人下載程序的方法,了解機(jī)器人的各種傳感器和驅(qū)動(dòng)裝置的作用;理解機(jī)器人是怎樣在人的指揮下工作的。學(xué)習(xí)為一種機(jī)器人編寫程序,提高邏輯思維能力、規(guī)劃能力,分析問題和解決問題的能力;通過完成任務(wù)和模擬項(xiàng)目,使學(xué)生在為機(jī)器人擴(kuò)充接口的過程中學(xué)習(xí)有關(guān)數(shù)字電路方面的知識(shí),在組裝機(jī)器人的過程中培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、協(xié)作能力和創(chuàng)造能力。

所以,要實(shí)現(xiàn)和完成機(jī)器人教育的教學(xué)目標(biāo),教師必須首先具備教學(xué)目標(biāo)要求的能力,才能在教學(xué)活動(dòng)中有針對(duì)性地去培養(yǎng)學(xué)生要求的能力,完成教學(xué)工作。目前,中小學(xué)生參與了各種形式的機(jī)器人比賽,機(jī)器人教師往往成為參賽小組的領(lǐng)隊(duì)或者教練。要想在各種激烈的比賽中取得佳績,對(duì)機(jī)器人教師的能力提出了更高的要求。

4.淵博的文化素養(yǎng)和創(chuàng)新能力是保證師生順利交流的前提

機(jī)器人行業(yè)是一個(gè)發(fā)展迅速的行業(yè),教師一定要及時(shí)準(zhǔn)確地掌握最新的信息。當(dāng)今社會(huì)信息更新速度驚人,就需要教師對(duì)信息有特殊敏感,這樣與學(xué)生的交流和溝通才能順暢。

21世紀(jì),創(chuàng)新能力成為衡量綜合素質(zhì)人才的重要指標(biāo)。機(jī)器人教育是創(chuàng)新教育的平臺(tái),機(jī)器人教育是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的有效途徑。機(jī)器人的設(shè)計(jì)從方案制定到具體實(shí)施,全部過程由學(xué)生獨(dú)立完成,使學(xué)生的學(xué)習(xí)從被動(dòng)轉(zhuǎn)向主動(dòng),獨(dú)立分析問題和解決問題,學(xué)生自主選擇知識(shí),結(jié)合理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)踐操作。學(xué)生通過研究分析,可以用各種方式去設(shè)計(jì)機(jī)器人,通過不同算法去編程,極大地發(fā)揮個(gè)人潛能,培養(yǎng)了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、實(shí)踐動(dòng)手能力和跨專業(yè)學(xué)習(xí)的綜合創(chuàng)新能力,為創(chuàng)新教育的開展提供了良好的教材。但是,中小學(xué)生的年齡和知識(shí)能力方面的限制,在實(shí)踐的過程中,容易異想天開或者固步自封,這就需要教師具有創(chuàng)新能力,對(duì)學(xué)生的想法和創(chuàng)意給予耐心的引導(dǎo),必要時(shí)給予幫助。只有這樣,機(jī)器人教師才能完成教學(xué)任務(wù),達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。

四、機(jī)器人教師的知識(shí)結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)的構(gòu)建

機(jī)器人教育的開展離不開機(jī)器人教師,機(jī)器人教師完善的知識(shí)結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)是機(jī)器人教育開展的有力保障。在我國的教育培養(yǎng)體制中,教師都是從師范院校學(xué)習(xí)期滿合格后,才能走上工作崗位,從事與本專業(yè)對(duì)口的教學(xué)工作。在師范院校中開設(shè)機(jī)器人課程(有的學(xué)校是《人工智能》)的一個(gè)重要目的就是:為中小學(xué)校培養(yǎng)優(yōu)秀的機(jī)器人教師;同時(shí)更新學(xué)生的教學(xué)觀念,促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。[7]與工科院校培養(yǎng)機(jī)器人的學(xué)科專家的教育目標(biāo)不同,根據(jù)機(jī)器人教育的教學(xué)內(nèi)容和機(jī)器人教育培養(yǎng)目標(biāo),師范院校應(yīng)該合理設(shè)置機(jī)器人教育有關(guān)的課程體系,具體設(shè)置怎么樣的課程需要進(jìn)一步的研究。所以,師范院校承擔(dān)著培養(yǎng)中小學(xué)機(jī)器人教師的責(zé)任。

機(jī)器人教師自我提高和完善專業(yè)技能。由于機(jī)器人技術(shù)綜合了多學(xué)科的發(fā)展成果,代表了高新技術(shù)的發(fā)展前沿,機(jī)器人涉及信息技術(shù)的多個(gè)領(lǐng)域,它融合了多種先進(jìn)技術(shù),沒有一種技術(shù)平臺(tái)會(huì)比機(jī)器人具有更為強(qiáng)大的綜合性。所以,機(jī)器人教師應(yīng)該比其他學(xué)科教師更具有自我發(fā)展的能力。因?yàn)橐环矫娼處煹陌l(fā)展是教育成功和學(xué)生發(fā)展的前提;另一方面,自我發(fā)展不僅是教師的義務(wù),而且是教師的權(quán)利,是豐富教師生命內(nèi)涵的重要途徑。每位教師都具有自我發(fā)展的能力,自我專業(yè)發(fā)展意識(shí)是教師發(fā)展的最主要?jiǎng)恿?。教師?yīng)重視反思和自我修養(yǎng),在教師的專業(yè)發(fā)展中,提倡“自我更新”的價(jià)值取向。[8]

參加機(jī)器人教育的相關(guān)培訓(xùn)。北京景山中學(xué)2000年5月派教師到上海參加了智能機(jī)器人培訓(xùn)后,就在初中和高中開設(shè)了智能機(jī)器人小組活動(dòng)。目前,許多智能機(jī)器人公司或者培訓(xùn)機(jī)構(gòu)看到機(jī)器人教育前景繁榮,紛紛開展相關(guān)的機(jī)器人培訓(xùn)。學(xué)校和當(dāng)?shù)亟逃姓C(jī)構(gòu)應(yīng)該支持機(jī)器人教師參與這樣的培訓(xùn),不斷提高和完善教師的知識(shí)和能力結(jié)構(gòu)體系。

另外,參加機(jī)器人比賽時(shí)教師應(yīng)該抓住機(jī)會(huì),與其他學(xué)校的教師或者智能機(jī)器人廠家的專家、高校人工智能的研究人員進(jìn)行交流和學(xué)習(xí)。以此來提高自己的知識(shí)水平,拓展視野。

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(編輯:隗爽)