中小學(xué)機(jī)器人教育的困境與突圍

鐘柏昌

我國(guó)中小學(xué)機(jī)器人教育的實(shí)踐歷史并不長(zhǎng)，最早可以追溯到2000年，北京市景山學(xué)校以科研課題的形式將機(jī)器人教育納入到信息技術(shù)課程中。隨后，越來越多的學(xué)校開始了各具特色的機(jī)器人校本課程的實(shí)踐探索。近年來，隨著基礎(chǔ)教育課程改革的不斷深入，我國(guó)中小學(xué)機(jī)器人教育有了較快發(fā)展，其教育價(jià)值已逐步獲得社會(huì)認(rèn)可。最近被社會(huì)各界廣泛關(guān)注的“創(chuàng)客空間”與“創(chuàng)客教育”，由于使用的硬件平臺(tái)相近，其基本內(nèi)容也多是圍繞機(jī)器人的設(shè)計(jì)與創(chuàng)作展開，為機(jī)器人教育提供了新的發(fā)展機(jī)遇。

客觀來說，目前國(guó)內(nèi)中小學(xué)機(jī)器人教育形式依然停留在以競(jìng)賽模式為主。即使在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，中小學(xué)機(jī)器人教育的普及率仍然很低。那些號(hào)稱開展機(jī)器人普及教育的學(xué)校，也往往局限于一兩個(gè)班級(jí)規(guī)模的校本選修課。與之形成鮮明對(duì)比的是，校外機(jī)器人培訓(xùn)市場(chǎng)卻異?；鸨?。整體而言，我國(guó)中小學(xué)機(jī)器人教育尚處起步階段，條件建設(shè)、經(jīng)驗(yàn)積累和代際傳承還不夠，有諸多問題需要直面和改善，尤其在教育裝備、教育目標(biāo)、教育內(nèi)容、教學(xué)方法等方面還缺乏統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。

從變味的競(jìng)賽走向均衡發(fā)展的普及教育

毫無疑問，制約機(jī)器人教育普及的首要因素是教育經(jīng)費(fèi)問題。除了地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡因素外，我國(guó)教育管理體制中教材與設(shè)備分頭管理并分開投資的管理方式，也進(jìn)一步限制了機(jī)器人教育經(jīng)費(fèi)的投入。但在微觀層面，機(jī)器人設(shè)備本身更值得基層學(xué)校關(guān)注。

我們注意到，目前中小學(xué)校所選用的機(jī)器人設(shè)備，主要有兩類，一是樂高等知名廠商出品的機(jī)器人，這類設(shè)備投入高、成本高，主要在競(jìng)賽巾使用，對(duì)普通學(xué)校而言，使用門檻較高，使眾多普通學(xué)校望而卻步。另一類是教師自主開發(fā)的機(jī)器人。一些熱衷技術(shù)設(shè)計(jì)和發(fā)明創(chuàng)造的信息技術(shù)教師，他們基于個(gè)人的興趣愛好，也為了減少教育經(jīng)費(fèi)短缺的尷尬，自主開發(fā)了形態(tài)各異的簡(jiǎn)易機(jī)器人，并應(yīng)用于教育實(shí)踐。遺憾的是，此類機(jī)器人盡管減少了經(jīng)費(fèi)投入，但由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)和生產(chǎn)的支持，難以進(jìn)行大規(guī)模普及和推廣。

現(xiàn)在，我們終于迎來了第三種機(jī)器人—一以Arduino為代表的開源機(jī)器人。如同手機(jī)安卓系統(tǒng)一樣，Aniuino的技術(shù)架構(gòu)設(shè)置了統(tǒng)一的硬件平臺(tái)，各大廠商在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步開發(fā)自己的機(jī)器人控制板和周邊配套產(chǎn)品。與閉源硬件相比，開源機(jī)器人至少具有如下優(yōu)勢(shì)： 第一，遵循國(guó)際通用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).不僅便于國(guó)際交流與對(duì)話，還可以避免閉源產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一產(chǎn)生的兼容問題以及由此帶來的對(duì)特定產(chǎn)品的技術(shù)依賴或資源浪費(fèi)。而且，由于不受單一廠商的約束，使機(jī)器人教育擺脫了為某一產(chǎn)品服務(wù)的嫌疑，避免類似“微軟培訓(xùn)班”“樂高培訓(xùn)班”的詬病。

第二，由于統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)形成了成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，無論是編程語言，還是電子元器件，均有豐富的配套產(chǎn)品或擴(kuò)展模塊，由此可以利用Arduino主控板來控制各種傳感器、電機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、3D打印機(jī)、激光雕刻機(jī)等，有利于開發(fā)多種多樣的創(chuàng)新教學(xué)項(xiàng)目。這種擴(kuò)展性使它不僅可以作為機(jī)器人課程的平臺(tái)，還是當(dāng)前“創(chuàng)客教育”的標(biāo)配之一。

此外，開源意味著共享。網(wǎng)絡(luò)上有豐富的開源共享資源可資利用，有大量的作品創(chuàng)意和代碼可供模仿、借鑒，有成熟的Arduino開源社區(qū)探討技術(shù)問題和教學(xué)問題，可以為教師培訓(xùn)和教師專業(yè)發(fā)展提供豐富的資源。

最重要的還是它的價(jià)格，2萬一3萬元即可裝備一個(gè)適合大班教學(xué)的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室。

Arduino機(jī)器人之于普及教育的意義不僅在于學(xué)?！百I得起”，更在于“用得好”。就滿足普及教育需要而言，Arduino機(jī)器人與某些高端機(jī)器人相比并無二致。對(duì)于基礎(chǔ)教育而言，能否充分發(fā)揮教育價(jià)值是第一要件，而性能卓越是次要條件。事實(shí)上，正因?yàn)閮r(jià)格低廉，教師才可能放手讓學(xué)生擺弄而非小心翼翼地保護(hù)。

對(duì)于地區(qū)差異明顯的發(fā)展中大國(guó)而言，廉價(jià)的開源機(jī)器人產(chǎn)品、設(shè)備和方案為機(jī)器人教育正本清源提供了重要條件——使從變味兒的競(jìng)賽、競(jìng)爭(zhēng)走向均衡發(fā)展的普及教育成為可能。今年，高中技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)的修訂版將正式發(fā)布，在新版課標(biāo)中，機(jī)器人教育以類似“開源硬件機(jī)器人項(xiàng)目”選修模塊的形式出現(xiàn)，一個(gè)重要意圖就是倡導(dǎo)以價(jià)廉的開源軟硬件平臺(tái)作為普及機(jī)器人教育的利器。

機(jī)器人教育不是為了培養(yǎng)新科技的操作者

以課程的形式開展機(jī)器人教育是一種重要方式，《普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（修訂版）》也將為此留有空間。那么，機(jī)器人課程到底有何本質(zhì)與內(nèi)涵？或按當(dāng)前課程改革的思路，它究竟能培養(yǎng)學(xué)生哪些核心素養(yǎng)？進(jìn)一步說，我們應(yīng)該圍繞什么來構(gòu)建一個(gè)相對(duì)完整的12年一貫制的機(jī)器人教育課程體系？

由于缺乏小學(xué)和初中信息技術(shù)課程國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，高中技術(shù)課程對(duì)機(jī)器人課程的設(shè)計(jì)也才剛剛開始，我們至今還沒有看到一個(gè)較為成熟的中小學(xué)機(jī)器人課程體系。當(dāng)前機(jī)器人課程的現(xiàn)狀是，缺乏體系，缺乏銜接，更缺乏靈魂——學(xué)科思想的提煉。

從教育目標(biāo)定位角度，人們都已認(rèn)識(shí)到通過機(jī)器人教育來激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的重要性，這個(gè)整體目標(biāo)沒有爭(zhēng)議，問題在于達(dá)成這一目標(biāo)的具體手段。

機(jī)器人教育活動(dòng)中存在目標(biāo)與手段脫節(jié)的問題，具體表現(xiàn)為在教學(xué)活動(dòng)當(dāng)中充斥著大量重復(fù)性實(shí)驗(yàn)、機(jī)械性模仿的學(xué)習(xí)活動(dòng)。例如，以循跡、走迷宮等“老套”的內(nèi)容為主，或者局限于追求速度和精確性的設(shè)計(jì)，或者落人“示范一模仿操作”的窠臼，未能關(guān)注機(jī)器人技術(shù)更為廣泛的社會(huì)應(yīng)用，未能真正激發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維和遷移應(yīng)用能力。如果此類教學(xué)長(zhǎng)期持續(xù)，機(jī)器人教育的核心目標(biāo)不可避免地將演變?yōu)閷?duì)機(jī)器人技術(shù)原理的理解和簡(jiǎn)單技能的操作，從而讓創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)流于表面。

因此，除了教學(xué)方法的改革，我們還需要思考機(jī)器人課程究竟可以給學(xué)生帶來哪些可以終身受用的東西？換言之，每一門課程都應(yīng)有其獨(dú)特的課程內(nèi)涵和教育價(jià)值，機(jī)器人課程也不例外。

我們認(rèn)為，它至少有三個(gè)核心概念需要提煉和彰顯，即：自動(dòng)控制理論（或智能控制理論）、工程思想和發(fā)明問題解決理論（TRIZ）。其中，自動(dòng)控制理論是研究動(dòng)態(tài)系統(tǒng)在變化的環(huán)境條件下如何自動(dòng)保持平衡狀態(tài)或穩(wěn)定狀態(tài)的科學(xué)思想，要自動(dòng)保持平衡狀態(tài)或穩(wěn)定狀態(tài)，需要建立系統(tǒng)觀念并開展創(chuàng)造性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)；工程思想的核心是利用工程方法創(chuàng)造新的人工制品，在機(jī)器人課程里就是制作具有特定功能的自動(dòng)或智能控制系統(tǒng)，而且這一創(chuàng)造過程受現(xiàn)實(shí)物理?xiàng)l件的制約，需要與現(xiàn)實(shí)妥協(xié)，因此有關(guān)工程設(shè)計(jì)思想、逆向工程思想、工程復(fù)用思想、工程標(biāo)準(zhǔn)化思想、統(tǒng)籌思維和折巾思維等應(yīng)滲透其中；至于發(fā)明問題解決理論（TRIZ）主要研究人類進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)難題過程巾所遵循的科學(xué)原理和法則，它是一種建立在技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化規(guī)律基礎(chǔ)上的問題解決系統(tǒng)，包括各種理論、方法、工具和程序，同時(shí)也是創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系的理論。

總之，機(jī)器人教育不是為了培養(yǎng)新科技的操作者，而是旨在通過內(nèi)涵建設(shè)，培養(yǎng)出具有“開物成務(wù)”智彗的新一代公民。

圍繞工程教育實(shí)現(xiàn)課程統(tǒng)整是未來方向

當(dāng)前機(jī)器人教育中的一個(gè)不足，就是局限于學(xué)科本位，視野狹隘。學(xué)生主要學(xué)習(xí)編程控制的方法，著力解決如循跡問題等方面的技術(shù)問題，并不指向?qū)嶋H生活的需要，這種單一的技術(shù)學(xué)習(xí)，局限于學(xué)科本位的做法，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，需要向?qū)W科整合方向發(fā)展。

“學(xué)科整合”是機(jī)器人作為一種創(chuàng)新教育平臺(tái)，可以設(shè)計(jì)和開發(fā)出能解決實(shí)際問題的智能人造物，而這一設(shè)計(jì)和開發(fā)過程與我們所熟悉的程序設(shè)計(jì)不同，它常常需要涉及STEAM（Science、rechnology、 Englneering、Arrs、MalhemaliCs）等多個(gè)學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用。在國(guó)際范圍內(nèi)，機(jī)器人教育也被視作開展STEAM教育的重要A 具和抓手。但是，機(jī)器人教育并不必然會(huì)促進(jìn)STEAM知識(shí)的學(xué)習(xí)，其關(guān)鍵在于能否將機(jī)器人教育當(dāng)成一種T程教育，在面向?qū)嶋H問題的解決過程中，卷入各相關(guān)學(xué)科的學(xué)習(xí)。如此，機(jī)器人教育就能成為聯(lián)系各學(xué)科知識(shí)、建立整體的認(rèn)識(shí)世界和改造世界系統(tǒng)的平臺(tái)。反之，只是將機(jī)器人作為學(xué)習(xí)的對(duì)象，則達(dá)不到學(xué)科整合的效果。

之所以說當(dāng)前的機(jī)器人教育是學(xué)科本位的教學(xué)，一個(gè)重要的原因在于教學(xué)中采用的機(jī)器人產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)和配件基本是同定的，學(xué)生主要用來學(xué)習(xí)編程控制的方法，無須做工程層面的設(shè)計(jì)。再加上要解決的都是所謂技術(shù)問題，而非指向?qū)嶋H生活的問題，導(dǎo)致學(xué)科本位的機(jī)器人技術(shù)內(nèi)容成為機(jī)器人教育的主體甚至唯一內(nèi)容。

需要注意的是，當(dāng)前流行的“創(chuàng)客教育”就是一種將機(jī)器人教育與STEAM教育緊密結(jié)合的實(shí)現(xiàn)途徑。它是以造物的形式培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)踐能力的工程教育。大量的研究表明，在“創(chuàng)客空間”中自然發(fā)生的STEAM教育，不是把學(xué)生“封閉”在某一個(gè)學(xué)科里，它有效改變了學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)方式。但這里的學(xué)科整合，并不以學(xué)會(huì)或者掌握系統(tǒng)的各學(xué)科知識(shí)為目標(biāo)，它僅僅是作為學(xué)科教育的一種有效補(bǔ)充形式，為學(xué)生綜合應(yīng)用學(xué)科知識(shí)提供空間和機(jī)會(huì)。

無論如何，圍繞T程教育實(shí)現(xiàn)課程統(tǒng)整是機(jī)器人教育走向未來的重要方向。

教學(xué)方法改革的四種探索

從教學(xué)方法的角度看，當(dāng)前的機(jī)器人教育側(cè)重模仿實(shí)驗(yàn)，重基礎(chǔ)輕應(yīng)用。具體表現(xiàn)在教師基本沿襲信息技術(shù)課堂慣用的講練結(jié)合或封閉式任務(wù)教學(xué)法，以模擬實(shí)驗(yàn)或模仿再現(xiàn)生產(chǎn)生活中的科技產(chǎn)品作為主要教學(xué)任務(wù)；教師通過講解制作步驟，讓學(xué)生亦步亦趨完成預(yù)定機(jī)器人的制作，重在基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能的掌握，學(xué)生作品缺少個(gè)性化設(shè)計(jì)，更談不上創(chuàng)新設(shè)計(jì)。因此教學(xué)方法的改革勢(shì)在必行，以下四種教學(xué)模式值得進(jìn)一步探索。

第一，實(shí)驗(yàn)?zāi)M型教學(xué)（Learning Lo Imitate via Rohol）。此類教學(xué)的基本特點(diǎn)是以機(jī)器人相關(guān)技術(shù)作為教學(xué)內(nèi)容的主體，將機(jī)器人本身作為學(xué)習(xí)的對(duì)象，以掌握機(jī)器人本體知識(shí)為導(dǎo)向。其基本教學(xué)過程表現(xiàn)為，根據(jù)任務(wù)要求，引導(dǎo)學(xué)生使用自己的機(jī)器人平臺(tái)構(gòu)建具有自主控制能力的智能裝置，以模擬再現(xiàn)生產(chǎn)生活中既有科技產(chǎn)品的功能和工作過程，在此過程中獲得機(jī)器人的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，并有可能提高學(xué)生的逆向工程能力，因此其核心價(jià)值表現(xiàn)為培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)利用機(jī)器人模擬再現(xiàn)事物。

第二，趣味交互型教學(xué)（Learning Lo Inlerac via Rohol）.它是以開發(fā)有趣、好玩的機(jī)器人聯(lián)機(jī)交互系統(tǒng)為主要任務(wù)的教學(xué)。其基本形態(tài)是在計(jì)算機(jī)中編寫和運(yùn)行程序，將Arduino作為控制端，通過Arduino與程序交互，而非鼠標(biāo)與鍵盤。例如，采用Scratch設(shè)計(jì)一個(gè)趣味小游戲，利用Arduino搭載的各種傳感器與游戲進(jìn)行交互。與實(shí)驗(yàn)?zāi)M型教學(xué)一樣，這是一類以機(jī)器人相關(guān)技術(shù)（含程序設(shè)計(jì)）為主要內(nèi)容的教學(xué)。

第三，科學(xué)探究型教學(xué)（Learning Lo Inquire via Rohol），它以科學(xué)問題為導(dǎo)向，將機(jī)器人作為開展科學(xué)探究的載體和工具，為探究性學(xué)習(xí)提供數(shù)據(jù)收集、加工的技術(shù)支持。其教學(xué)過程一般為，從生活中的科學(xué)問題出發(fā)，利用機(jī)器人建模，制訂科學(xué)探究方案，開展科學(xué)探究實(shí)踐，利用機(jī)器人收集數(shù)據(jù)，利用程序設(shè)計(jì)或其他數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件分析數(shù)據(jù)，使學(xué)生在獲得機(jī)器人本體知識(shí)的同時(shí)提高科學(xué)探究能力，并習(xí)得科學(xué)知識(shí)和科學(xué)的思維過程與方法。其核心價(jià)值是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)利用機(jī)器人進(jìn)行科學(xué)探究。

第四，發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)（Learning to Invent via Robot）。它以實(shí)際需求為基本導(dǎo)向、以項(xiàng)目教學(xué)為基本方法、以創(chuàng)新實(shí)踐為核心目標(biāo)的教學(xué)，要求學(xué)生通過教學(xué)能夠制作出具有創(chuàng)新性的智能人造物，這也觸及了“創(chuàng)客教育”的本質(zhì)。但是，在當(dāng)下機(jī)器人教育領(lǐng)域，目前還沒形成指導(dǎo)學(xué)生開展發(fā)明創(chuàng)造活動(dòng)的理論和方法，我們認(rèn)為，國(guó)際流行的TRIZ理論是一個(gè)可資借鑒的理論基礎(chǔ)。