依托機(jī)器人課程培養(yǎng)中學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)

劉 波 林厚從 陸鐘興

（常州市第一中學(xué)，江蘇常州，213003）

依托機(jī)器人課程培養(yǎng)中學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)

劉 波 林厚從 陸鐘興

（常州市第一中學(xué)，江蘇常州，213003）

機(jī)器人課程是江蘇省課程基地項目之一。本文從科學(xué)知識與技能、科學(xué)方法與思維方法、科學(xué)精神與價值觀三方面，闡述依托課程基地培養(yǎng)高中學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

科學(xué)素養(yǎng)，機(jī)器人，課程基地

一、機(jī)器人課程基地建設(shè)

為落實國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要精神，深化基礎(chǔ)教育課程教學(xué)改革，推進(jìn)普通高中特色建設(shè)，江蘇省教育廳、財政廳從2011年起啟動普通高中課程基地建設(shè)。課程基地以創(chuàng)設(shè)新型學(xué)習(xí)環(huán)境為特征，以改進(jìn)課程內(nèi)容實施方式為重點，以增強(qiáng)實踐認(rèn)知和學(xué)習(xí)能力為主線，以提高綜合素質(zhì)為目標(biāo)，促進(jìn)學(xué)生在自主、合作、探究中提高學(xué)習(xí)效能，發(fā)掘潛能特長的綜合性教學(xué)平臺。建設(shè)課程基地旨在不斷改進(jìn)教學(xué)方式、引導(dǎo)學(xué)生高效學(xué)習(xí)，促進(jìn)教師專業(yè)成長，推動學(xué)校特色發(fā)展，是探索發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)創(chuàng)新拔尖人才的重要舉措，是發(fā)展新時代素質(zhì)教育的創(chuàng)新之路。

以創(chuàng)造性研究和技術(shù)為中心的科學(xué)教育起始于上世紀(jì)50年代美國，到80年代以后，“科學(xué)素養(yǎng)”的教育概念才逐步形成。我國在1996年首次將“科學(xué)素養(yǎng)”作為學(xué)生教育目標(biāo)，由國家研究理事會公布《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》。培養(yǎng)目標(biāo)就是提高人們的科學(xué)和技術(shù)素養(yǎng)。

隨著各級科學(xué)教育的發(fā)展，科學(xué)素養(yǎng)不僅包含科學(xué)知識和科學(xué)技能，還包含了科學(xué)思維、現(xiàn)代道德、價值觀等內(nèi)容，重要特點就是從理性的知識和方法向感性的科學(xué)精神和價值觀擴(kuò)展。高中是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的基礎(chǔ)階段和啟蒙階段，既要重視知識、技能和方法的培養(yǎng)，也要重視科學(xué)精神和價值觀的熏陶。

常州市第一中學(xué)（以下簡稱一中）是全國最早開展機(jī)器人普及教育與競賽活動的學(xué)校之一，學(xué)生參與率高，在國際國內(nèi)各種比賽中成績優(yōu)異。2012年，該?！爸悄軝C(jī)器人”項目正式成為江蘇省高中課程基地。

機(jī)器人課程基地建設(shè)的目的就是圍繞“智能機(jī)器人”項目，打造一個高水平的學(xué)生科技創(chuàng)新教育和科學(xué)實踐活動的有效平臺，引導(dǎo)所有學(xué)生投入到豐富多彩的“體驗、實踐、設(shè)計、創(chuàng)作”系列科技活動中來，激發(fā)他們“學(xué)科學(xué)、用科學(xué)、愛科學(xué)”的科學(xué)意識和科學(xué)興趣，培養(yǎng)他們勤于動手、敢于創(chuàng)新、善于創(chuàng)造的科學(xué)熱情和科學(xué)習(xí)慣，探索“提升青少年科學(xué)素養(yǎng)與探究能力”的有效途徑，探索“培養(yǎng)創(chuàng)新拔尖人才”的有效策略。下面，筆者結(jié)合新時期培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的要求，從科學(xué)知識與技能、科學(xué)方法與思維方法、科學(xué)精神與價值觀三方面闡述實踐活動。

二、促進(jìn)學(xué)生汲取科學(xué)知識與技能

科學(xué)教育和所有的教育一樣，要遵循教育的一般規(guī)律?？茖W(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)是循序漸進(jìn)、從理性到感性、從量變到質(zhì)變的過程。知識與技能的積累就是量的積累，是最底層的原始積累。

一中從2002年開設(shè)機(jī)器人課程至今，經(jīng)過十多年的努力，形成了具有自主特色的課程體系，成為省機(jī)器人課程基地后，更是得到社會、各級領(lǐng)導(dǎo)和科研院校的關(guān)注與大力支持，多次被江蘇教育報、常州電視臺、常州日報、常州教育等媒體專題報道。在各界的關(guān)心和幫助下，一中課程基地的硬件和軟件建設(shè)都更上一層樓，牽手清華大學(xué)建立“智能機(jī)器人科技創(chuàng)新基地”，與南京理工大學(xué)共建“機(jī)器人創(chuàng)新培養(yǎng)基地”等等。

課程基地“飛天樓”20多個教室按照統(tǒng)一的規(guī)劃設(shè)計，建設(shè)成機(jī)器人活動和競賽的專門實驗室，所有實驗室的裝修裝飾、設(shè)備設(shè)施均按照教學(xué)和實驗相結(jié)合的模式布局，充分滿足師生的教學(xué)探究需求，體現(xiàn)“教室就是實驗室”的思想。

基地課程圍繞智能機(jī)器人的主要知識和技能（如微電子、傳感器、自動化控制、程序設(shè)計等），通過對一些典型智能機(jī)器人的剖析（包括工業(yè)機(jī)器人、仿生機(jī)器人、競賽機(jī)器人等），篩選出一些可操作的機(jī)器人實驗活動，邀請大學(xué)及科研院所的專家論證，最后選擇出一些反映不同技術(shù)、原理和創(chuàng)新思維的項目，按照“任務(wù)分析——結(jié)構(gòu)設(shè)計——部件組裝——計算機(jī)控制程序設(shè)計（包括單片機(jī)和控制芯片制作）——系統(tǒng)調(diào)試——系統(tǒng)優(yōu)化——總結(jié)反思”的思路，進(jìn)行“項目式”機(jī)器人校本教材的開發(fā)與教學(xué)。

以巡線競速方案為例。本項目包括8個單元，共需12個課時（每課時45分鐘）。以“樂高教育機(jī)器人套件”為載體，通過“動眼——動腦——動手”的多維學(xué)習(xí)過程，體驗和探究機(jī)器人的學(xué)科知識和技術(shù)奧秘。課程規(guī)劃設(shè)置如表1。

上述案例中的每個分任務(wù)都配以視頻或?qū)嶒炑菔?、文本和圖片介紹，幫助學(xué)生明確任務(wù)，主動分析設(shè)計模型，動手搭建組裝模型，設(shè)計控制程序，最后測試、調(diào)試系統(tǒng)，完成任務(wù)，體會“做工程”的感受。同學(xué)之間的相互比拼和交流互動，引領(lǐng)學(xué)生取長補(bǔ)短，在改進(jìn)優(yōu)化機(jī)器人性能的同時，也使同學(xué)們的思想能力等各個方面都得到進(jìn)一步提升。

項目課程采用“做中學(xué)”、“玩中學(xué)”的“項目式”教學(xué)，全員普及，展現(xiàn)智能機(jī)器人所蘊(yùn)涵的多學(xué)科知識，構(gòu)建成系統(tǒng)性的、多層次的“金字塔”架構(gòu)的機(jī)器人教育體系。對于底層的學(xué)生（所有高一、高二學(xué)生），采用集中授課全員普及（每周1課時）；對于中段的學(xué)生集中到一個班級(創(chuàng)新拔尖人才實驗班)，進(jìn)行正常的固定課表教學(xué)（每周2課時），另外還有一些有興趣的學(xué)生（機(jī)器人俱樂部）利用課余時間（校本課程）集中授課（每周1課時），達(dá)到適度提高；對于高端學(xué)生列入創(chuàng)新拔尖人才進(jìn)行重點培養(yǎng)，采用導(dǎo)師制，利用周末和假期時間，一對一、因材施教、全方位培養(yǎng)。

表1：樂高教育機(jī)器人課程表

三、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)方法與思維方法

科學(xué)方法是人們在科學(xué)研究中所遵循的途徑和所運用的各種方法和手段的總稱。思維方法是人們認(rèn)識世界和改造世界的精神活動形式、方式和程序的總稱。不管是理性的科學(xué)知識與科學(xué)技能的學(xué)習(xí)過程，還是感性的科學(xué)精神、價值觀的形成過程都離不開科學(xué)方法與思維方法。

以機(jī)器人課程基地為抓手，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)方法與思維方法，滲透在每一個“項目”教學(xué)中。通過綜合運用觀察、實驗、調(diào)查、測量等經(jīng)驗性科學(xué)方法和邏輯（分析、綜合、歸納、演繹、類比等）、假設(shè)、猜想、推理等理論性科學(xué)方法，同學(xué)們可以汲取機(jī)器人領(lǐng)域的新知識、新技能，探索機(jī)器人世界的奧秘。

高中學(xué)生的思維和心智發(fā)展趨于成人化，更富有目的性、系統(tǒng)性和獨立性。在機(jī)器人項目教學(xué)與實訓(xùn)中，有意識地從分析性思維、創(chuàng)造性思維和實用性思維三個層面（根據(jù)斯滕伯格的思維三元理論，思維可劃分為三個層面：分析性思維、創(chuàng)造性思維和實用性思維）訓(xùn)練學(xué)生的辯證思維與邏輯思維、形象思維與抽象思維、發(fā)散思維與收斂思維等思維方法，能夠為學(xué)生未來的生活、學(xué)習(xí)、工作奠定哲學(xué)方法論基礎(chǔ)、提供多種思維方式參考。

科學(xué)方法和思維方法密不可分，兩者在“機(jī)器人項目式教學(xué)”中相互交叉、有機(jī)結(jié)合。表2是跟蹤學(xué)生完成多個項目后得出的項目步驟與方法行為和思維的關(guān)系。

表2：項目步驟與行為、思維的關(guān)系

四、提升學(xué)生的科學(xué)精神和價值觀

隨著科學(xué)教育的發(fā)展，科學(xué)精神和價值觀的養(yǎng)成教育日益受到各國的重視。全員參與的機(jī)器人課程基地建設(shè)，潛移默化地影響著學(xué)生的“科學(xué)精神和價值觀”。近兩年的研究性學(xué)習(xí)中涌現(xiàn)出了大批與機(jī)器人有關(guān)的課題。如創(chuàng)意載人小車、關(guān)于航拍四軸飛行器的實踐與應(yīng)用、取物機(jī)器人的研究等等。這兩年高考志愿更是反映出機(jī)器人普及教育的成果，近80%的理科班（選考物理）學(xué)生都填報了與智能機(jī)器人相關(guān)的專業(yè)，其中有70多位學(xué)生錄取了與機(jī)器人緊密相關(guān)的專業(yè)。

在機(jī)器人課堂教學(xué)和項目競技中，科學(xué)精神是科學(xué)素質(zhì)的集中體現(xiàn)：彰顯求真務(wù)實的客觀精神，敢于合理質(zhì)疑的批判、創(chuàng)新精神，和伙伴團(tuán)隊之間的民主、平等、自由合作精神。同學(xué)們在長期的科學(xué)精神的熏陶和錘煉中，學(xué)會處理個人與集體的關(guān)系、寬容與競爭的關(guān)系、規(guī)則與以人為本的關(guān)系、創(chuàng)新與科學(xué)道德的關(guān)系，形成事實求是、崇尚科學(xué)的價值觀。

機(jī)器人項目的競技比賽，由汗水也有淚水。很多學(xué)生在年復(fù)一年地詮釋著一中的機(jī)器人教育。迄今為止，一中同學(xué)已獲得46個省級以上一等獎，其中有9次獲得全國機(jī)器人比賽一等獎，4次全國冠軍；參加國際比賽5次，3次獲得冠軍，2次獲得亞軍，2次奪得FLL機(jī)器人錦標(biāo)賽現(xiàn)場操作的冠軍，這也是中國青少年機(jī)器人代表隊在國際上取得的最好成績。

科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，是本世紀(jì)的核心競爭力，它的可持續(xù)發(fā)展不僅僅是擁有幾個杰出的科學(xué)家，而是與全體國民素質(zhì)相關(guān)。只有全體國民具有較好的科學(xué)素養(yǎng)，科學(xué)理性的方法和態(tài)度在平民百姓中得到相應(yīng)的普及，社會的持續(xù)發(fā)展才能是必然的，現(xiàn)代的、健康的民主才會有堅實基礎(chǔ)。因此，培養(yǎng)全體公民的科學(xué)素養(yǎng)要從學(xué)生階段開始，從像機(jī)器人項目這樣的普及科學(xué)教育開始。

[1] 江蘇省教育廳.江蘇省財政廳關(guān)于啟動普通高中課程基地建設(shè)的通知蘇教基〔2011〕27號.

[2] Sternberg R J.斯滕伯格教育心理學(xué)（第2版）[M].姚梅林，等，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.

[3] 李呈林.基于問題設(shè)計的思維教學(xué)探究——以信息技術(shù)學(xué)科為例[J].電化教育研究.2014(3)：111-115.

[4] 張紅霞. 科學(xué)素養(yǎng)教育的意義及本土化詮釋（一）[J].百度文庫.2007.

[5] 常州市第一中學(xué).《巡線競速機(jī)器人》項目方案.