對(duì)中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)定位的思考

1、對(duì)中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)定位的思考（源于中國教育技術(shù)裝備雜志）隨著新課程改革的推進(jìn)與社會(huì)上機(jī)器人競賽項(xiàng)目的普及，機(jī)器人教學(xué)已經(jīng)逐漸進(jìn)入了中小學(xué)的課堂。從課程的角度看，機(jī)器人教學(xué)還是一個(gè)嶄新的內(nèi)容。本文不想對(duì)該課程到底應(yīng)該設(shè)置在科學(xué)課、社會(huì)實(shí)踐課、勞技課、信息技術(shù)課、通用技術(shù)課以及校本課程中的哪門課更為合適進(jìn)行探討，只是就該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)組織的定位提出自己的意見。1中小學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析新課程標(biāo)準(zhǔn)的三維目標(biāo)中，第一個(gè)就是知識(shí)與技能。其實(shí)技能（Skill）詞不如用能力（Ability）詞更能確切地表達(dá)知識(shí)的涵義。人需要學(xué)習(xí)的知識(shí)包括通常說的知識(shí)（稱為顯性知識(shí)或結(jié)構(gòu)化知識(shí)、良構(gòu)知識(shí)）和能

2、力（稱為隱性知識(shí)或非結(jié)構(gòu)化知識(shí)、劣構(gòu)知識(shí)）。顯性知識(shí)是我們獲取的自然和社會(huì)的各種信息，我們可以通過閱讀、聽講等方式學(xué)習(xí)到這種知識(shí)；而隱性知識(shí)能力則是我們認(rèn)識(shí)、改造自己和自然以及社會(huì)環(huán)境的本領(lǐng)，往往需要通過不斷實(shí)踐領(lǐng)會(huì)或師傅帶徒弟的方式才能學(xué)習(xí)到的知識(shí)。關(guān)于能力的提法很多，但歸納起來可分為兩種：一是分析能力，一是綜合與設(shè)計(jì)能力。分析是從已經(jīng)存在的事物中去發(fā)現(xiàn)一般性的規(guī)律。這是一個(gè)歸納的過程，從特殊到一般，結(jié)果具有唯一性。例如，牛頓三定律就是對(duì)大量宇宙宏觀現(xiàn)象進(jìn)行分析得出的唯一性普適定律。綜合與設(shè)計(jì)是運(yùn)用一般規(guī)律去實(shí)現(xiàn)原本不存在的事物；這是一個(gè)演繹過程，從一般到特殊，結(jié)果具有多樣性。綜合與設(shè)計(jì)也是

3、不同的，綜合是在原理上實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)是在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)。例如，用已經(jīng)掌握的電學(xué)和光學(xué)等理論去實(shí)現(xiàn)一臺(tái)電視機(jī)，將電視機(jī)的原理圖畫出來為綜合；而確定電路參數(shù)和整機(jī)性能指標(biāo)，為制作出該電視機(jī)做出全部生產(chǎn)前的準(zhǔn)備工作就是設(shè)計(jì)。由于不同型號(hào)甚至不同生產(chǎn)批號(hào)的電視機(jī)在原理、功能、結(jié)構(gòu)等方面都是有差別的，所以可認(rèn)為具有無窮多個(gè)綜合設(shè)計(jì)的結(jié)果。當(dāng)前我們的中小學(xué)校對(duì)學(xué)生的能力培養(yǎng)上比較注重分析能力的培養(yǎng)，而缺乏的對(duì)綜合與設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。究其原因可能有以下三個(gè)方面。第一是中小學(xué)教師的知識(shí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；中小學(xué)教師一般都畢業(yè)于師范院校，而師范院校課程設(shè)置不同于工科院校，基本都是分析類課程，他們本身就沒有受過綜合設(shè)計(jì)的訓(xùn)練。第二是

4、中小學(xué)課程設(shè)置與教師授課特點(diǎn)也是偏重于分析。第三是目前的高考制度造成中小學(xué)生的知識(shí)面窄而追求深。有人曾做過一個(gè)很形象的比喻說：中國中小學(xué)生的知識(shí)是1英里深，1英寸寬；美國學(xué)生的知識(shí)是1英寸深，1英里寬。而一些研究表明，人的分析能力與知識(shí)的深度呈高度正相關(guān)，綜合設(shè)計(jì)能力則與知識(shí)的廣度呈高度正相關(guān)1。要提高中國中小學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力，就應(yīng)該從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)組織方面去尋求新的出路。機(jī)器人教學(xué)的出現(xiàn)是一個(gè)很好的契機(jī)，為培養(yǎng)中小學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力提供了有利條件。2當(dāng)今社會(huì)的學(xué)習(xí)需求特點(diǎn)分析學(xué)習(xí)需求的本質(zhì)是一個(gè)社會(huì)需求問題。在發(fā)達(dá)國家存在這樣一個(gè)規(guī)律：經(jīng)濟(jì)蕭條時(shí)期，理科畢業(yè)生相對(duì)比較容易就業(yè)；而

5、經(jīng)濟(jì)發(fā)展時(shí)期，工科畢業(yè)生容易就業(yè)。中國現(xiàn)在正處于高速經(jīng)濟(jì)發(fā)展的時(shí)期，需要具有高度分析能力的科學(xué)家，但更需要具有高度綜合設(shè)計(jì)能力的工程師。前幾年，理科畢業(yè)生的平均供需比為1:1.74，而工科畢業(yè)生的平均供需比為1:3.64就說明了這個(gè)問題2。近年來高等職業(yè)教育的快速發(fā)展也是對(duì)這個(gè)問題的例證。為了能夠迅速擴(kuò)充中小學(xué)生的知識(shí)面，提高他們的綜合設(shè)計(jì)能力，教育部在推行新課程改革的同時(shí)，為中小學(xué)生新增加了技術(shù)類課程，即信息技術(shù)課與通用技術(shù)課。這些課程提倡讓學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦去設(shè)計(jì)作品或產(chǎn)品，在此過程中學(xué)生的知識(shí)面得到擴(kuò)充，綜合設(shè)計(jì)能力得到提高。但是由于教學(xué)資源（專職教師、教學(xué)設(shè)備、活動(dòng)場(chǎng)所等）的缺乏，技術(shù)類課

6、程目前還不能迅速、如期地實(shí)現(xiàn)其教學(xué)目標(biāo)，尤其在廣大的農(nóng)村和城市邊遠(yuǎn)地區(qū)更是如此。所以，培養(yǎng)中小學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力是一個(gè)亟待解決的問題，是社會(huì)的需求，是時(shí)代的需要。綜合設(shè)計(jì)能力對(duì)學(xué)習(xí)需求是如此重要，而中小學(xué)生以前的課程教學(xué)又不能解決提高綜合設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的問題，所以通過機(jī)器人課程教學(xué)來解決這一問題就成為十分重要的途徑之一。3中小學(xué)生的創(chuàng)新問題從創(chuàng)新能力培養(yǎng)的角度說，培養(yǎng)中小學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力也是十分必要的。前面說到，科學(xué)分析的成果具有唯一性，而綜合設(shè)計(jì)的成果具有多樣性。對(duì)于中小學(xué)生，不可能奢求他們?nèi)プ鲈瓌?chuàng)性的研究和發(fā)明，一般認(rèn)為只要研究的成果形式或過程方法與其他人的研究有差異就可認(rèn)為是創(chuàng)新，所以綜合

7、設(shè)計(jì)成果的多樣性為中小學(xué)生提供了更多的創(chuàng)新機(jī)會(huì)。研究成果的實(shí)現(xiàn)使學(xué)生具有成就感，成就感會(huì)激勵(lì)學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究興趣，研究興趣是學(xué)生創(chuàng)新精神的基礎(chǔ)，而創(chuàng)新精神是創(chuàng)新能力培養(yǎng)的有力保障。在這里，情感、態(tài)度、價(jià)值觀也得到了充分的體現(xiàn)。從前面的分析可知，培養(yǎng)中小學(xué)生創(chuàng)新能力的有效途徑是培養(yǎng)其綜合設(shè)計(jì)能力，而綜合設(shè)計(jì)能力的提高依賴于知識(shí)面的寬泛化和隱性知識(shí)的顯性化。目前中小學(xué)通過機(jī)器人教學(xué)就應(yīng)該采取拓寬知識(shí)的教學(xué)內(nèi)容和綜合與設(shè)計(jì)的教學(xué)方法，而教學(xué)組織要特別注重學(xué)生的動(dòng)手制作。4機(jī)器人教學(xué)中的學(xué)生能力培養(yǎng)創(chuàng)新能力、綜合設(shè)計(jì)能力既然屬于能力，就必然具有隱性知識(shí)的非結(jié)構(gòu)化特點(diǎn)。所以，要通過機(jī)器人教學(xué)來提高這些能

8、力，就應(yīng)該在教學(xué)中注意三個(gè)方面的問題：廣泛化認(rèn)知、充分化動(dòng)手、規(guī)范化設(shè)計(jì)。廣泛化認(rèn)知既然人的綜合設(shè)計(jì)能力與其知識(shí)的廣度呈高度正相關(guān)，在機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)中就應(yīng)該有意識(shí)地?cái)U(kuò)充學(xué)生的知識(shí)面。機(jī)器人設(shè)計(jì)應(yīng)不拘泥形式和內(nèi)容，讓學(xué)生在設(shè)計(jì)的過程中廣泛地接觸和搜集各方面的資料（自然的、人文的、藝術(shù)的），并深入分析思考，從中獲得大量信息，擴(kuò)充自己的知識(shí)空間。機(jī)器人的設(shè)計(jì)涉及到光機(jī)電一體化問題、自動(dòng)控制問題、人工智能問題等多方面。隨著機(jī)器人智能水平的提高，各種傳感器和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)越發(fā)精密，學(xué)生在機(jī)器人的軟硬件設(shè)計(jì)過程中需要的知識(shí)更加廣泛，考慮的問題更加精細(xì)。這些對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力與實(shí)踐創(chuàng)新能力都具有非常大的

9、促進(jìn)作用。充分化動(dòng)手既然能力作為隱性知識(shí)要在不斷的實(shí)踐活動(dòng)中去體驗(yàn)、學(xué)習(xí)，機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)就一定要讓學(xué)生本人經(jīng)歷軟硬件的設(shè)計(jì)，機(jī)器人課程應(yīng)該是一個(gè)讓學(xué)生能夠得到充分動(dòng)手體驗(yàn)的教學(xué)過程。規(guī)范化設(shè)計(jì)既然隱性知識(shí)具有非結(jié)構(gòu)化特點(diǎn)，解決“沒有師傅也能出徒”的問題就依賴于把隱性知識(shí)能夠顯性化。將綜合設(shè)計(jì)的過程規(guī)范化，就是讓學(xué)生完整地經(jīng)歷：功能與技術(shù)指標(biāo)提出、功能分析、指標(biāo)分析、關(guān)鍵技術(shù)論證、算法與流程設(shè)計(jì)軟件或硬件的實(shí)施、調(diào)試與反饋修正等一系列全過程。不僅如此，還應(yīng)養(yǎng)成將整個(gè)綜合設(shè)計(jì)過程形成文檔的良好習(xí)慣。5中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)建議考慮到中小學(xué)生和機(jī)器人課程的特點(diǎn)，為培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力，筆者

10、認(rèn)為機(jī)器人教學(xué)應(yīng)該在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)組織方面一改其它課程的教學(xué)模式，走出一條新的路子來。5.1教學(xué)內(nèi)容機(jī)器人教學(xué)應(yīng)注意學(xué)生知識(shí)廣度的學(xué)習(xí)。雖然僅通過一門課程來擴(kuò)充學(xué)生的知識(shí)面效果有限，但是由于機(jī)器人的設(shè)計(jì)涉及到光機(jī)電一體化、自動(dòng)控制、人工智能等多方面問題，既有硬件設(shè)計(jì)也有軟件設(shè)計(jì)，所以是讓學(xué)生了解和掌握大量知識(shí)的絕好機(jī)會(huì)。知識(shí)不追求深度，只要求廣度。例如在確定教學(xué)內(nèi)容時(shí)，注意力不要僅放在競賽用輪式成品機(jī)器人上，還應(yīng)該關(guān)注單片機(jī)、嵌入式CPU、各種傳感器、電機(jī)、機(jī)械部件等軟硬件技術(shù)在機(jī)器人和自動(dòng)化技術(shù)上的應(yīng)用。5.2教學(xué)方法應(yīng)根據(jù)學(xué)段和學(xué)科情況選擇不同的綜合設(shè)計(jì)教學(xué)方法。如：小學(xué)階段可讓學(xué)生完成輪式競賽用機(jī)器人的功能模塊組裝的設(shè)計(jì)；初中階段可進(jìn)行生活與學(xué)習(xí)中實(shí)用機(jī)器人的創(chuàng)意設(shè)計(jì)；高中信息技術(shù)課中可重點(diǎn)對(duì)機(jī)器人智能軟件算法進(jìn)行設(shè)計(jì)；而高中通用技術(shù)課中可重點(diǎn)對(duì)機(jī)器人的電氣部分、傳感器部分、動(dòng)力部分和機(jī)械部分進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)?？傊?，教學(xué)方法應(yīng)該側(cè)重綜合設(shè)計(jì)，而不是放在問題的分析上。教學(xué)組織機(jī)器人教學(xué)應(yīng)事先營造好供學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦進(jìn)行設(shè)計(jì)活動(dòng)的環(huán)境。提供必要的設(shè)備和工具（包括工具軟件），組織學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)，特別應(yīng)注意探究式學(xué)習(xí)三個(gè)要素（任務(wù)驅(qū)動(dòng)、協(xié)作學(xué)習(xí)、教師引導(dǎo)）的構(gòu)成，讓學(xué)生能夠充分化動(dòng)手。同時(shí)，還應(yīng)提倡設(shè)計(jì)過程的規(guī)范化，用于提高學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力。教學(xué)活動(dòng)不僅