樂高機器人對學生通用技術(shù)學科核心素養(yǎng)的作用分析

郭佳敏

(南京市江寧高級中學 江蘇南京 210000)

以往教育中，大多數(shù)老師和學生集中精力在如何提高考試成績和應試能力，對于其他方面，學生能力會忽視，信息時代對于對綜合能力要求高。現(xiàn)代教育要進一步提高學生核心素養(yǎng)，綜合素質(zhì)，使學生擁有社會責任感和理想信念，具有終身學習能力和科學文化素養(yǎng)，同時，溝通能力和自主發(fā)展能力也需要鍛煉。創(chuàng)新設計、工程思維、圖樣表達、物化能力、技術(shù)意識是通用技術(shù)學科核心素養(yǎng)五個方面。選擇性必修“技術(shù)與工程”模塊中包含“機器人設計與制作”。樂高機器人以其趣味性、便利性、創(chuàng)新性成為學科學習的理想載體，對培養(yǎng)高中生通用技術(shù)學科核心素養(yǎng)有著重要的意義，主要體現(xiàn)在以下五個方面。

1 培養(yǎng)學生的技術(shù)意識

技術(shù)意識是對技術(shù)現(xiàn)象及技術(shù)問題的感知與體悟。機器人是現(xiàn)代技術(shù)產(chǎn)品，發(fā)展迅速，應用廣發(fā)，機器人的組裝和運動控制涉及物理、機械、編程控制等各方面的技術(shù)，是硬件和軟件結(jié)合的最佳載體。樂高機器人也是集合了電動馬達、可編程主機，傳感器、Lego Technic部分(齒輪、輪軸、橫梁、插銷)的統(tǒng)稱。[1]

硬件方面，機器人通過齒輪、履帶進行加速、減速、勻速運動，利用顏色傳感器、觸動傳感器、紅外傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等各種傳感器獲取外界信息，通過程序控制做出反應。在組裝機器人的過程中，空間想象能力、動手能力、設計制造能力均得到鍛煉。

在軟件方面，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能時代的來臨，編程將影響每一個職業(yè)，高中生學習編程有助于培養(yǎng)學生的計算思維，但從學習途徑上來看，應該以能激發(fā)學習興趣的易操作的可視化編程模式進行入門學習。樂高EV3的編程模塊即采用了可視化編程模組，通過拖拽方式使用編程控件，設置參數(shù)屬性完成程序的編制，大大降低了高中生學習編程的難度，使得機器人編程控制真正實現(xiàn)了所見即所得。通過控件的時間、動作屬性設置，讓學生掌握了條件選擇、循環(huán)控制等編程的常見流程控制方法。通過嚴謹和周密的思考訓練了學生的邏輯思維能力。

學生在調(diào)試機器人的前進、后退、投放物品等各種行為時，自然而然理解了了面相對象的編程思維模式。讓學生具備將客觀現(xiàn)實世界中的實際問題轉(zhuǎn)化為計算機處理流程的能力，從而理解機器人程序設計的本質(zhì)是解放人類的雙手，更好的為人類服務，培養(yǎng)了技術(shù)意識和科學探索的能力。

2 鍛煉學生的工程思維

工程思維一種籌劃性思維。以系統(tǒng)分析和比較權(quán)衡為核心。能領(lǐng)悟結(jié)構(gòu)、流程、系統(tǒng)、控制等基本思想和方法并加以運用。樂高機器人比賽中一般圍繞一個主題完成一系列任務，例如：滅火、取球、競速、搬運等，必須具備項目化工程思維，按照項目規(guī)劃、設計、實施、測試、運行、維護流程完成機器人的設計、組裝搭建、程序編制、路線規(guī)劃等子系統(tǒng)任務。通過不斷調(diào)試優(yōu)化，最終完成項目任務。

機器人執(zhí)行所有動作的基礎就是程序，這對于學生的邏輯能力有一定要求，工程思維很重要的一點也是邏輯思維，一個工程項目能順利執(zhí)行完成，嚴密的邏輯必不可少。

3 激發(fā)學生的創(chuàng)新設計靈感

創(chuàng)新設計在技術(shù)問題的基礎上進行創(chuàng)新性方案構(gòu)思的一系列問題解決的過程。樂高機器人的學習是以完成任務為目標導向，自學為主的學習模式，通過任務驅(qū)動充分調(diào)動了學習的積極性，給予了學生寬松、充分的發(fā)揮空間。樂高機器人的搭建是從基礎模塊開始的，但是一旦應用到具體場景之中，例如：如何用最少的搭建組合能完成更多的任務，從而在最短時間完成任務，往往需要突破常規(guī)的創(chuàng)新思維。[2]以2018年樂高機器人FIRST工程挑戰(zhàn)賽“飲水思源”任務為例，需要學生研究改善人們運輸、利用或處理水的方法，完成送水、降雨、過濾、水處理、更換水管、施肥、澆花的一系列任務。充分發(fā)揮了學生的想象力，激發(fā)了學生的創(chuàng)新意識。

興趣是學生最好的老師，學生對自己感興趣的東西愿意花費時間和精力，，樂高機器人是一種綜合知識的實踐產(chǎn)物，可以極大激發(fā)學生的興趣。樂高機器人教育進入我國，最初目的就是為激發(fā)科技興趣和創(chuàng)造潛力，樂高機器人教育是集編程原理、物理科學、教學知識、造型設計等一體的教育，是樂高的空間形象思維和邏輯思維的結(jié)合，因此能激發(fā)學生的創(chuàng)造力和潛力。

樂高機器人的編程是相對簡單的圖形化，有些部分有紅外線感應器、攝像頭等設備，需要同學們學習一些課外的基本原理，能激發(fā)同學學習新知識的欲望。

4 提高圖樣表達能力

圖樣表達是指運用圖形樣式對意念中或客觀存在的技術(shù)對象進行可視化的描述和交流。樂高機器人的組件豐富多樣，根據(jù)不一樣的任務進行不同結(jié)構(gòu)設計，同個任務不同小組方案往往大不相同。使用樂高專用設計軟件，可以動態(tài)設計機器人圖紙并完成虛擬組裝，從而方便組員進行討論。[3]樂高機器人最核心的部分是可編程主機，如果一個人想重頭做機器人，需要大量專業(yè)復雜的知識，如基本電腦理論、電子電路、數(shù)字邏輯、機械力學等等，而樂高機器人設置了可視化編程模塊，編程是圖形化的，學生需要將圖像中不同部分像搭積木一樣搭出來，這對于提高學生的圖樣表達能力也有幫助。

5 訓練學生的物化能力

物化能力指采用一定的工藝方法等將方案、意念轉(zhuǎn)化為有用物品，對已有物品進行優(yōu)化和改進的能力。獨立完成產(chǎn)品或模具的成型制作、裝配及測試。具有較強動手實踐和創(chuàng)造的能力。樂高機器人的組成核心是一個可以遠程寫入程序的主機控制器，相當于機器人的大腦，機械部分由電動馬達驅(qū)動，相當于機器人的心臟，其余部分包括：橫梁、輪軸、輪胎、履帶、齒輪、滑輪以及各種插件，組成機器人的身體和四肢，再加上各種傳感器，能識別障礙物。組成樂高機器人的組件模塊化程度高，搭建簡單易學，組合方式千變?nèi)f化，面對不同的應用場景組裝的機器人各不相同，在不斷分析、設計、組裝、拆解、糾錯完善的過程中，學生的動手能力得到大幅提高。[4]各個獨特的機器人的成功搭建，讓學生獲得成就感和創(chuàng)造的樂趣，對培養(yǎng)高中生的機械組裝能力大有裨益。能感悟到工匠精神對于技術(shù)制造質(zhì)量的特殊作用，從而形成在物化過程中精益求精，細致嚴謹、追求非凡的工作態(tài)度。除了以上五大核心素養(yǎng)外，樂高機器人對團隊協(xié)作能力培養(yǎng)也具有突出的作用，樂高機器人不是個體就可以玩轉(zhuǎn)的項目，需要多名成員合作參與到過程之中，緊張激烈的樂高機器人比賽一般是由三或四人組隊在規(guī)定時間和場景中完成各項任務。形成團隊后，各個組員都有明確的分工，有的進行可視化EV3編程，有的對機器人進行機械組裝，有的設計路線。只有團隊成員緊密配合才能高效準確的完成高難度任務。機器人控制命令發(fā)出到實際行走的路線和動作與設想都會有偏差，學生需要及時進行溝通交流，相互協(xié)作，共同實現(xiàn)同一個目標。

內(nèi)部交流在一個團隊項目出現(xiàn)問題時很重要，能影響團隊解決問題的速度。學生在進入團隊的過程中首先要學會融合和交流。在樂高機器人團隊協(xié)作過程中，同學們會逐漸形成合作意識，也可以培養(yǎng)一個學生的溝通能力。