館校結(jié)合科普育人模式的探索與實(shí)踐
——以創(chuàng)意機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐教育為例

侯的平，韓 俊，管 昕，吳志慶，傅澤祿，許玉球

（廣東科學(xué)中心，廣東廣州 510006）

0 引言

科普?qǐng)鲳^是青少年非正規(guī)教育的主要陣地，它不僅是對(duì)青少年進(jìn)行科學(xué)教育的第二課堂，同時(shí)也是對(duì)公眾進(jìn)行終身科學(xué)教育的重要場(chǎng)所[1]?？茖W(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)（ STEAM）教育在全球興起的背景下，國(guó)內(nèi)科技館作為科普?qǐng)鲳^的典型代表，正面臨如何創(chuàng)新和提升與中小學(xué)校結(jié)合的科學(xué)教育模式的問(wèn)題[2-7]。為全面貫徹黨的十九大、“科技三會(huì)”及廣東省科技創(chuàng)新大會(huì)精神，推進(jìn)廣東省中小學(xué)科學(xué)普及教育，全面提升青少年的科技創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)，2018年5月，廣東省科技廳、廣東省教育廳[8]聯(lián)合印發(fā)《廣東省“館校結(jié)合”科普育人工程工作方案》，以推動(dòng)“科普?qǐng)鲳^+中小學(xué)?！本o密結(jié)合，打造可復(fù)制、易推廣的廣東省館校結(jié)合科普育人模式典型代表。本文以廣東科學(xué)中心創(chuàng)意機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐教育為例，探討基于以上政策平臺(tái)而開展的館校結(jié)合科普育人創(chuàng)新模式。

1 館校結(jié)合科普育人模式的要素關(guān)系

模式探討的是與事物相關(guān)要素的結(jié)合形式，需要解決理論和實(shí)踐相結(jié)合的問(wèn)題，具有重復(fù)性、結(jié)構(gòu)性和可操作性等特征。在構(gòu)思進(jìn)校園的科學(xué)教育時(shí)，廣東科學(xué)中心選取教育機(jī)器人作為其中一個(gè)方向。面對(duì)國(guó)內(nèi)機(jī)器人教育活動(dòng)形式偏少、設(shè)備昂貴、師資匱乏、商業(yè)化、模塊化及高端化等現(xiàn)狀，廣東科學(xué)中心聯(lián)合華南理工大學(xué)和省內(nèi)有關(guān)高新企業(yè)，經(jīng)過(guò)可行性研究，設(shè)立“創(chuàng)意機(jī)器人”主題，作為面向中小學(xué)生教育機(jī)器人的一個(gè)分支體系，立足自主研發(fā)具有低成本、易普及、易操作等特點(diǎn)的機(jī)器人教育資源，進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐教育的探索和實(shí)踐[3]。基于創(chuàng)意機(jī)器人的館校結(jié)合科普育人模式，要考慮的相關(guān)因素很多，包括組建團(tuán)隊(duì)、經(jīng)費(fèi)籌措、資源開發(fā)、教師培訓(xùn)、活動(dòng)模式、推廣平臺(tái)等，這些要素之間的關(guān)系不是單向關(guān)聯(lián)的，而是雙向甚至是多向互動(dòng)的，如圖1所示。

圖1 基于創(chuàng)意機(jī)器人的館校結(jié)合科普育人模式的要素關(guān)系

2 以產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目形式組建團(tuán)隊(duì)

機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息傳感技術(shù)、人工智能及仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是具有綜合性、前瞻性和先導(dǎo)性等特點(diǎn)的研究成果和前沿技術(shù)[9]；而機(jī)器人教育則具有趣味性、創(chuàng)新性和可操作性等特點(diǎn)。在研究以科技館為主體和樞紐開展基于創(chuàng)意機(jī)器人的館校結(jié)合科普育人模式時(shí)，我們應(yīng)該將高校、科研機(jī)構(gòu)和高新企業(yè)等前沿技術(shù)代表囊括進(jìn)來(lái)，以產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目的形式組建團(tuán)隊(duì)。高等院校、科研機(jī)構(gòu)擁有雄厚師資和強(qiáng)大的研發(fā)實(shí)力，與它們合作可開發(fā)專業(yè)性和方向性較強(qiáng)的教育內(nèi)容[10]。多年來(lái)，廣東科學(xué)中心與華南理工大學(xué)和廣東省相關(guān)高新企業(yè)進(jìn)行合作，其中，廣東科學(xué)中心的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)教育平臺(tái)的搭建和活動(dòng)的組織實(shí)施以及教具教案的培訓(xùn)輔導(dǎo)和推廣，華南理工大學(xué)的團(tuán)隊(duì)著重教具教案的研發(fā)和培訓(xùn)，高新企業(yè)負(fù)責(zé)套件的測(cè)試與生產(chǎn)，從而組建了“研發(fā)－生產(chǎn)－應(yīng)用－普及推廣”的科普項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，為項(xiàng)目的持續(xù)實(shí)施提供了第一資源的保障。

3 以科研項(xiàng)目或科技教育專項(xiàng)形式籌措經(jīng)費(fèi)

以科技館為主體和樞紐開展創(chuàng)意機(jī)器人教育活動(dòng)，其中一個(gè)目的是盡量淡化商業(yè)化，達(dá)到對(duì)國(guó)內(nèi)機(jī)器人教育普遍高端化的有效補(bǔ)充，保持低成本、易普及、易操作的特色。根據(jù)創(chuàng)意機(jī)器人科技創(chuàng)新教育“創(chuàng)新創(chuàng)意、展示交流、科普育人”的公益宗旨，我們通過(guò)申請(qǐng)各類項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)，解決了研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用和普及推廣費(fèi)用，這也是項(xiàng)目能持續(xù)推進(jìn)的關(guān)鍵因素。實(shí)踐證明，青少年階段的科普育人需要政府資源的投入才能淡化商業(yè)化，才能實(shí)現(xiàn)扎實(shí)育人的目的。

4 教具教案研發(fā)從前瞻和簡(jiǎn)化著手

多學(xué)科的特點(diǎn)使得機(jī)器人非常適合成為青少年創(chuàng)新能力培養(yǎng)的載體，但教具教案研發(fā)只有與世界前沿思想和技術(shù)掛鉤，才能對(duì)青少年科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有超前或現(xiàn)實(shí)意義，因此，在創(chuàng)意機(jī)器人教具教案研發(fā)方面，應(yīng)緊扣科技前沿，以STEAM教育理念為導(dǎo)向，提煉現(xiàn)實(shí)中多種復(fù)雜機(jī)器人系統(tǒng)的核心思想，設(shè)計(jì)適合青少年的主題式、普適型教育機(jī)器人簡(jiǎn)化模型，并基于邏輯芯片和編程芯片兩種不同的控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的功能控制[3]。實(shí)踐證明，這種從前瞻和簡(jiǎn)化著手研發(fā)的教具，能夠大大降低廣大青少年認(rèn)識(shí)和制作機(jī)器人的準(zhǔn)入門檻，有利于面向青少年普及推廣。例如，2019年第八屆廣東省創(chuàng)意機(jī)器人大賽以“未來(lái)城市生活——無(wú)人駕駛車”為主題，要求研發(fā)無(wú)人駕駛車機(jī)器人套件和賽道（見(jiàn)圖2），對(duì)教具的主題和內(nèi)容設(shè)計(jì)前瞻性地響應(yīng)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，積極關(guān)注無(wú)人駕駛車這一社會(huì)熱點(diǎn)，讓學(xué)生暢想未來(lái)交通情景和汽車設(shè)計(jì)概念，親身體驗(yàn)科技和生活融合的實(shí)踐過(guò)程。教具研發(fā)是把現(xiàn)實(shí)機(jī)器人“抽絲”簡(jiǎn)化的過(guò)程，就是將復(fù)雜機(jī)器人系統(tǒng)的核心思想提煉出簡(jiǎn)化模型，轉(zhuǎn)換成科普套件。無(wú)人駕駛車機(jī)器人教具利用紅外模塊模擬探測(cè)傳感器，利用邏輯門芯片模擬控制系統(tǒng)，設(shè)置如沿車道行駛、過(guò)紅綠燈、停車入庫(kù)等耳熟易懂的自主駕駛功能；此外，學(xué)生還可以自己拓展新的自主駕駛功能；旨在為學(xué)生預(yù)留更大的創(chuàng)意空間。學(xué)生需綜合應(yīng)用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)，乃至藝術(shù)等知識(shí)和技能，才能制作出功能更齊全、更富有創(chuàng)意的無(wú)人駕駛車。

圖2 無(wú)人駕駛車機(jī)器人套件和賽道

5 教師培訓(xùn)平臺(tái)向農(nóng)村中小學(xué)校傾斜

以科技館教育資源實(shí)施青少年科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)，關(guān)鍵是要突破館校跨界壁壘，并從館校間的橋梁——教師著手。創(chuàng)意機(jī)器人教師采取非線性模式，同時(shí)結(jié)合“講座+DIY”、翻轉(zhuǎn)課堂、線上線下、慕課和創(chuàng)客等多種形式，免費(fèi)培訓(xùn)全省科技類教師[11-12]。實(shí)踐證明，這種與國(guó)際接軌的“科技館培訓(xùn)學(xué)校教師-學(xué)校教師培養(yǎng)學(xué)生”的“館校結(jié)合·科學(xué)教育”模式（見(jiàn)圖3），有效解決了科學(xué)普及輔導(dǎo)力量不足的問(wèn)題。近兩年來(lái)，配合廣東省科技廳實(shí)施“粵東西北地區(qū)農(nóng)村中小學(xué)?？茖W(xué)館（室）建設(shè)試點(diǎn)示范”項(xiàng)目的落地工作，創(chuàng)意機(jī)器人教師培訓(xùn)已經(jīng)滲透到粵東西北農(nóng)村中小學(xué)校，加強(qiáng)了農(nóng)村學(xué)?？萍驾o導(dǎo)力量。

圖3 “館校結(jié)合·科學(xué)教育”模式

6 建立螺旋上升的活動(dòng)模式

創(chuàng)意機(jī)器人科普育人模式兼顧普適型和拔尖型學(xué)生的培養(yǎng)（見(jiàn)圖4）。在普適型科普教育方面，根據(jù)學(xué)校課程安排情況，創(chuàng)意機(jī)器人教育資源可轉(zhuǎn)化成學(xué)校的一次科技活動(dòng)課、一系列科技課程，或機(jī)器人主題的科技比賽活動(dòng)，甚至是作為學(xué)?？萍脊?jié)的活動(dòng)內(nèi)容，形成以創(chuàng)意機(jī)器人活動(dòng)進(jìn)校園、冬（夏）令營(yíng)、學(xué)校-區(qū)-市多級(jí)機(jī)器人競(jìng)賽、研學(xué)營(yíng)、大賽等教育支點(diǎn)的系列創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)[13]。在拔尖型科普教育方面，以年度特訓(xùn)營(yíng)形式對(duì)機(jī)器人特長(zhǎng)生實(shí)施為期一周的創(chuàng)客集訓(xùn)。從特訓(xùn)營(yíng)中走出來(lái)的學(xué)生，基本都掌握一套科學(xué)探究思路，具備創(chuàng)客能力。

圖4 普適型和拔尖型相結(jié)合的創(chuàng)意機(jī)器人系列活動(dòng)教育平臺(tái)

創(chuàng)意機(jī)器人教育以螺旋上升模式實(shí)施系列創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)（見(jiàn)圖5），包括普及型的創(chuàng)意機(jī)器人進(jìn)校園、預(yù)賽，挑戰(zhàn)型的研學(xué)、決賽，以及研究型的創(chuàng)客集訓(xùn)，逐級(jí)提升青少年創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)，分層級(jí)培養(yǎng)科技后備力量。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，館校結(jié)合科普育人模式已走出了北大、科大、華工等理工科尖子生，第一屆的特訓(xùn)營(yíng)學(xué)生目前已進(jìn)入博士學(xué)習(xí)的攻堅(jiān)階段。

圖5 創(chuàng)意機(jī)器人教育螺旋上升的活動(dòng)模式

7 搭建“大科普”推廣平臺(tái)

有了適用的教育載體和活動(dòng)形式，要想持續(xù)推進(jìn)館校結(jié)合科普育人工作，傳播推廣平臺(tái)的搭建是不可或缺的?？萍拣^主動(dòng)發(fā)揮樞紐作用，建立多層級(jí)、多形式聯(lián)系上級(jí)部門和學(xué)校的渠道，是科技館科學(xué)教育活動(dòng)能和學(xué)校長(zhǎng)期、緊密結(jié)合的有效途徑[14-17]。在傳播推廣模式方面，創(chuàng)意機(jī)器人項(xiàng)目搭建了大科普推廣平臺(tái)，以廣東科學(xué)中心為樞紐，與教育主管部門、行業(yè)協(xié)會(huì)、各地科技館、科協(xié)，以及省內(nèi)外、境外機(jī)構(gòu)等相結(jié)合，形成跨部門、大聯(lián)合的館校結(jié)合科普育人傳播推廣模式（見(jiàn)圖6），突破科技館系統(tǒng)和中小學(xué)教育系統(tǒng)之間的壁壘，以項(xiàng)目資助和學(xué)校自助的方式廣泛開展科普教育活動(dòng)。館校結(jié)合科普育人模式在向粵港澳大灣區(qū)延伸時(shí)，以創(chuàng)意機(jī)器人作為切入點(diǎn)，通過(guò)香港青少年科學(xué)院、澳門科學(xué)館等機(jī)構(gòu)，與港澳中小學(xué)校開展創(chuàng)意機(jī)器人系列教育活動(dòng)合作，探討粵港澳大灣區(qū)科學(xué)教育的協(xié)同發(fā)展之路。

圖6 館校結(jié)合科普育人傳播推廣模式

8 結(jié)語(yǔ)

目前，廣東科學(xué)中心的創(chuàng)意機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐教育項(xiàng)目共研制了21套教具教案，先后獲得10余項(xiàng)實(shí)用新型和外觀設(shè)計(jì)專利授權(quán)，教具教案已在全省21個(gè)地市的學(xué)校推廣普及超過(guò)7 000多家（次），并傳播輻射到省外和境外的香港、澳門，以及國(guó)外的韓國(guó)、馬來(lái)西來(lái)、土耳其等地，直接參與的師生超過(guò)24萬(wàn)人次，其中培訓(xùn)全省科技類教師超過(guò)2萬(wàn)人次，普惠粵東西北欠發(fā)達(dá)地區(qū)中小學(xué)生約10萬(wàn)人，取得良好的社會(huì)效益，被報(bào)刊、電視、網(wǎng)絡(luò)等媒體廣泛傳播。以創(chuàng)意機(jī)器人為載體的館校結(jié)合科普育人模式已成為廣東省館校結(jié)合科普育人工程的典型案例，在全省中小學(xué)校進(jìn)行廣泛傳播、復(fù)制和提升，積極推動(dòng)廣東省館校結(jié)合STEAM教育的創(chuàng)新實(shí)踐和發(fā)展。

由政府支持，科技館和科研院所、行業(yè)組織聯(lián)手“搭臺(tái)”，各中小學(xué)?！俺獞颉?，可以持續(xù)推動(dòng)館校結(jié)合科普育人模式的創(chuàng)新發(fā)展，因此，館校結(jié)合科普育人模式還需各相關(guān)部門長(zhǎng)期、持續(xù)地支持。另外，科普界鼓勵(lì)廣大科普人員進(jìn)行科普產(chǎn)品的研制，教育界卻限制基于產(chǎn)品的教育活動(dòng)，認(rèn)為其會(huì)帶來(lái)負(fù)面影響，但筆者認(rèn)為，教育活動(dòng)需要一定的內(nèi)容來(lái)承載，以及需要用一定的形式來(lái)呈現(xiàn)。因此，教育部門在理順科技教育活動(dòng)的內(nèi)容和形式時(shí)，要兼顧教育資源發(fā)達(dá)地區(qū)和欠發(fā)達(dá)地區(qū)的現(xiàn)實(shí)情況，兼顧大部分普通學(xué)生的科技素質(zhì)培養(yǎng)迫切性和少部分拔尖學(xué)生的特殊需求，切勿盲目摒棄基于科普產(chǎn)品的教育活動(dòng)。