數(shù)字工程類課程：讓工程問題為創(chuàng)造搭建邁向真實(shí)世界的階梯

孫傳皓

《中國制造2025》是中國政府實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的第一個(gè)十年行動綱領(lǐng)，其確立了人才的重要性，并且指出了包括“智能制造工程”在內(nèi)的重點(diǎn)建設(shè)的五大工程，以及包括“機(jī)器人”和“信息技術(shù)”在內(nèi)的十大領(lǐng)域。同時(shí)，國家出臺了《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》等一系列相關(guān)政策，2017年7月，國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中也明確提出，“廣泛開展人工智能科普活動，支持開展形式多樣的人工智能科普活動，鼓勵(lì)廣大科技工作者投身于人工智能的科普與推廣，全面提高全社會對人工智能的整體認(rèn)知和應(yīng)用水平。實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育，鼓勵(lì)社會力量參與寓教于樂的編程教學(xué)軟件的開發(fā)和推廣”。

北京景山學(xué)校在2000年就開始開展機(jī)器人教育，從只有個(gè)別學(xué)生能夠參加的競賽項(xiàng)目，到后來的可以有少部分學(xué)生參加的選修課、課外活動，到現(xiàn)在的多層次的機(jī)器人學(xué)習(xí)課程，包括大班普及課、課后班以及社團(tuán)活動，為學(xué)生提供了多樣的學(xué)習(xí)機(jī)會。

2012年，景山中學(xué)開始建設(shè)創(chuàng)客空間，探索開源機(jī)器人課程普及教學(xué)的可能性，2017年建成了高標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)客空間后，以機(jī)器人課程為核心的數(shù)字工程類課程群取得了很大的進(jìn)步。

● 初中機(jī)器人普及課：從EV3到Makeblock

機(jī)器人技術(shù)涉及了信息技術(shù)中的控制技術(shù)、感測技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以讓學(xué)生體驗(yàn)到信息技術(shù)的全面綜合應(yīng)用，除此還涉及機(jī)械工程學(xué)和人工智能技術(shù)。學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人課程可以零距離接觸前沿科技，不僅能夠提高信息素養(yǎng)，還能夠強(qiáng)化分析問題、解決問題的實(shí)踐能力。

目前景山學(xué)校在七年級第一學(xué)期開展機(jī)器人大班普及課程，每周兩課時(shí)，目前主要使用的是樂高EV3機(jī)器人，部分水平較高的學(xué)生還繼續(xù)學(xué)習(xí)makeblock機(jī)器人。機(jī)器人課程具體設(shè)計(jì)如下表所示。

該課程分三個(gè)階段：

第一階段認(rèn)識機(jī)器人、學(xué)習(xí)基本操控方法，主要學(xué)習(xí)各種傳感器的用法，用程序基本模塊控制傳感器。主要學(xué)習(xí)內(nèi)容首先是掌握馬達(dá)的相關(guān)知識，搭建到達(dá)終點(diǎn)即停的機(jī)器人，了解萬向輪的使用。接下來是光電傳感器、觸碰傳感器這些簡單傳感器的應(yīng)用，然后是超聲波傳感器、陀螺儀這些復(fù)雜傳感器，并能夠使機(jī)器人可以通過超聲波躲避障礙，且能夠精準(zhǔn)控制機(jī)器人轉(zhuǎn)向角度。

第二階段學(xué)習(xí)機(jī)器人結(jié)構(gòu)、制作具有一定功能的機(jī)器人。主要學(xué)習(xí)內(nèi)容有了解投石機(jī)、機(jī)械手臂、杠桿、力臂力距的相關(guān)知識，分析工業(yè)機(jī)械手臂的作用，搭建可以運(yùn)送物體的機(jī)械手臂。

第三階段是綜合場景當(dāng)中的項(xiàng)目應(yīng)用。例如，避障機(jī)器人，綜合使用光敏、觸碰、超聲波傳感器制作躲避障礙機(jī)器人;分揀機(jī)器人，能夠?qū)魉蛶魉瓦^來的貨物分揀到相應(yīng)的盒子里;升降機(jī)，使用電機(jī)直接抬升貨物，使用齒輪傳動抬升貨物;自動?xùn)艡陂T，了解小區(qū)、停車場柵欄門的作用，結(jié)合傳感器搭建自動?xùn)艡陂T。

在教學(xué)上，由于機(jī)器人是一個(gè)涉及多個(gè)領(lǐng)域的綜合應(yīng)用，這就要求教師需要具有廣博的相關(guān)知識，要加強(qiáng)學(xué)習(xí)相關(guān)領(lǐng)域知識技能，加強(qiáng)與相關(guān)學(xué)校、機(jī)構(gòu)的溝通交流，盡量提高業(yè)務(wù)能力水平。此外，機(jī)器人教學(xué)還應(yīng)該是一個(gè)開放的體系，應(yīng)該繼續(xù)實(shí)踐研究更加科學(xué)合理的課程體系，更新更加符合學(xué)生認(rèn)知水平、適合學(xué)生操作練習(xí)的課堂任務(wù)，讓學(xué)生更加感興趣、愿意學(xué)習(xí)機(jī)器人，使課堂更高效，真正提升學(xué)生的素質(zhì)和能力。

● 高中選修課：開源機(jī)器人項(xiàng)目實(shí)踐

我們可以將機(jī)器人簡單地看作是一種智能的自動的機(jī)械結(jié)構(gòu)，程序算法、電路設(shè)計(jì)、機(jī)械制造三方面的配合完成了一個(gè)機(jī)器人從無到有的制作過程。教師可以引導(dǎo)計(jì)算機(jī)水平較高的學(xué)生從零開始制作一個(gè)機(jī)器人，進(jìn)而有效地應(yīng)用3D打印機(jī)、激光切割機(jī)和CNC雕刻機(jī)完成一個(gè)智能設(shè)備的制作。

本課程采用項(xiàng)目式教學(xué)，且只招收具備一定計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的學(xué)生，因此沒有明確的課程大綱，只是一開始讓學(xué)生各自選題，進(jìn)行個(gè)別輔導(dǎo)，完成中期報(bào)告和總結(jié)作品的展示。由于很多高中學(xué)生要用自己的作品參賽，所以學(xué)生除了選修課的時(shí)間之外，還付出了大量的業(yè)余時(shí)間。

● 結(jié)語

工程方向的育人價(jià)值是信息技術(shù)走向?qū)I(yè)化的一個(gè)必然的方向，也是信息技術(shù)培養(yǎng)專業(yè)人才的最有價(jià)值的方向。面對“新工科”的教學(xué)要求，為主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略。2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”，并發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》《關(guān)于推進(jìn)新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》，全力探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國模式、中國經(jīng)驗(yàn)，助力高等教育強(qiáng)國建設(shè)。而絕大部分的工科專業(yè)都有計(jì)算機(jī)應(yīng)用的參與，工程教育和信息技術(shù)學(xué)科在新課標(biāo)新課程之下的深度融合則是T-ARE這種基于藝術(shù)、研究和工程的技術(shù)學(xué)習(xí)模式在中學(xué)和大學(xué)聯(lián)合育人模式生成過程中的收官之作，對于科技教育的發(fā)展、信息技術(shù)學(xué)科的自身發(fā)展，都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)和積極的影響。