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对中小学机器人教学定位的思考
作者:佚名    文章来源:转载    点击数:905    更新时间:2013-1-7    
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(源于《中国教育技术装备》杂志)
随着新课程改革的推进与社会上机器人竞赛项目的普及,机器人教学已经逐渐进
入了中小学的课堂。从课程的角度看,机器人教学还是一个崭新的内容。本文不想对
该课程到底应该设置在科学课、社会实践课、劳技课、信息技术课、通用技术课以及
校本课程中的哪门课更为合适进行探讨,只是就该课程的教学内容、教学方法、教学
组织的定位提出自己的意见。
1.中小学生知识结构特点分析
新课程标准的三维目标中,第一个就是知识与技能。其实技能(Skill)一词不如
用能力(Ability)一词更能确切地表达知识的涵义。人需要学习的知识包括通常说的
知识(称为显性知识或结构化知识、良构知识)和能力(称为隐性知识或非结构化知
识、劣构知识)。显性知识是我们获取的自然和社会的各种信息,我们可以通过阅读、
听讲等方式学习到这种知识;而隐性知识——能力则是我们认识、改造自己和自然以
及社会环境的本领,往往需要通过不断实践领会或师傅带徒弟的方式才能学习到的知
识。
关于能力的提法很多,但归纳起来可分为两种:一是分析能力,一是综合与设计
能力。分析是从已经存在的事物中去发现一般性的规律。这是一个归纳的过程,从特
殊到一般,结果具有唯一性。例如,牛顿三定律就是对大量宇宙宏观现象进行分析得
出的唯一性普适定律。综合与设计是运用一般规律去实现原本不存在的事物;这是一
个演绎过程,从一般到特殊,结果具有多样性。综合与设计也是不同的,综合是在原
理上实现,设计是在技术上实现。例如,用已经掌握的电学和光学等理论去实现一台
电视机,将电视机的原理图画出来为综合;而确定电路参数和整机性能指标,为制作
出该电视机做出全部生产前的准备工作就是设计。由于不同型号甚至不同生产批号的
电视机在原理、功能、结构等方面都是有差别的,所以可认为具有无穷多个综合设计
的结果。
当前我们的中小学校对学生的能力培养上比较注重分析能力的培养,而缺乏的对
综合与设计能力的培养。究其原因可能有以下三个方面。第一是中小学教师的知识结
构特点;中小学教师一般都毕业于师范院校,而师范院校课程设置不同于工科院校,
基本都是分析类课程,他们本身就没有受过综合设计的训练。第二是中小学课程设置
与教师授课特点也是偏重于分析。第三是目前的高考制度造成中小学生的知识面窄而
追求深。有人曾做过一个很形象的比喻说:中国中小学生的知识是1 英里深,1 英寸
宽;美国学生的知识是1 英寸深,1 英里宽。而一些研究表明,人的分析能力与知识
的深度呈高度正相关,综合设计能力则与知识的广度呈高度正相关[1]。要提高中国中
小学生的综合设计能力,就应该从教学内容、教学方法和教学组织方面去寻求新的出
路。机器人教学的出现是一个很好的契机,为培养中小学生的综合设计能力提供了有
利条件。
2.当今社会的学习需求特点分析
学习需求的本质是一个社会需求问题。在发达国家存在这样一个规律:经济萧条
时期,理科毕业生相对比较容易就业;而经济发展时期,工科毕业生容易就业。中国
现在正处于高速经济发展的时期,需要具有高度分析能力的科学家,但更需要具有高
度综合设计能力的工程师。前几年,理科毕业生的平均供需比为1:1.74,而工科毕业
生的平均供需比为1:3.64 就说明了这个问题[2]。近年来高等职业教育的快速发展也是
对这个问题的例证。
为了能够迅速扩充中小学生的知识面,提高他们的综合设计能力,教育部在推行
新课程改革的同时,为中小学生新增加了技术类课程,即信息技术课与通用技术课。
这些课程提倡让学生动手、动脑去设计作品或产品,在此过程中学生的知识面得到扩
充,综合设计能力得到提高。但是由于教学资源(专职教师、教学设备、活动场所等)
的缺乏,技术类课程目前还不能迅速、如期地实现其教学目标,尤其在广大的农村和
城市边远地区更是如此。所以,培养中小学生综合设计能力是一个亟待解决的问题,
是社会的需求,是时代的需要。综合设计能力对学习需求是如此重要,而中小学生以
前的课程教学又不能解决提高综合设计能力培养的问题,所以通过机器人课程教学来
解决这一问题就成为十分重要的途径之一。
3.中小学生的创新问题
从创新能力培养的角度说,培养中小学生的综合设计能力也是十分必要的。前面
说到,科学分析的成果具有唯一性,而综合设计的成果具有多样性。对于中小学生,
不可能奢求他们去做原创性的研究和发明,一般认为只要研究的成果形式或过程方法
与其他人的研究有差异就可认为是创新,所以综合设计成果的多样性为中小学生提供
了更多的创新机会。研究成果的实现使学生具有成就感,成就感会激励学生的学习和
研究兴趣,研究兴趣是学生创新精神的基础,而创新精神是创新能力培养的有力保障。
在这里,情感、态度、价值观也得到了充分的体现。
从前面的分析可知,培养中小学生创新能力的有效途径是培养其综合设计能力,
而综合设计能力的提高依赖于知识面的宽泛化和隐性知识的显性化。目前中小学通过
机器人教学就应该采取拓宽知识的教学内容和综合与设计的教学方法,而教学组织要
特别注重学生的动手制作。
4.机器人教学中的学生能力培养
创新能力、综合设计能力既然属于能力,就必然具有隐性知识的非结构化特点。
所以,要通过机器人教学来提高这些能力,就应该在教学中注意三个方面的问题:广
泛化认知、充分化动手、规范化设计。
4.1 广泛化认知 既然人的综合设计能力与其知识的广度呈高度正相关,在机器人教
学活动中就应该有意识地扩充学生的知识面。机器人设计应不拘泥形式和内容,让学
生在设计的过程中广泛地接触和搜集各方面的资料(自然的、人文的、艺术的),并
深入分析思考,从中获得大量信息,扩充自己的知识空间。机器人的设计涉及到光机
电一体化问题、自动控制问题、人工智能问题等多方面。随着机器人智能水平的提高,
各种传感器和机械传动机构越发精密,学生在机器人的软硬件设计过程中需要的知识
更加广泛,考虑的问题更加精细。这些对培养学生的综合设计能力与实践创新能力都
具有非常大的促进作用。
4.2 充分化动手 既然能力作为隐性知识要在不断的实践活动中去体验、学习,机器
人教学活动就一定要让学生本人经历软硬件的设计,机器人课程应该是一个让学生能
够得到充分动手体验的教学过程。
4.3 规范化设计 既然隐性知识具有非结构化特点,解决“没有师傅也能出徒”的问
题就依赖于把隐性知识能够显性化。将综合设计的过程规范化,就是让学生完整地经
历:功能与技术指标提出、功能分析、指标分析、关键技术论证、算法与流程设计、
软件或硬件的实施、调试与反馈修正等一系列全过程。不仅如此,还应养成将整个综
合设计过程形成文档的良好习惯。
5.中小学机器人教学活动建议
考虑到中小学生和机器人课程的特点,为培养学生的综合设计能力和创新能力,
笔者认为机器人教学应该在教学内容、教学方法、教学组织方面一改其它课程的教学
模式,走出一条新的路子来。
5.1 教学内容 机器人教学应注意学生知识广度的学习。虽然仅通过一门课程来扩充
学生的知识面效果有限,但是由于机器人的设计涉及到光机电一体化、自动控制、人
工智能等多方面问题,既有硬件设计也有软件设计,所以是让学生了解和掌握大量知
识的绝好机会。知识不追求深度,只要求广度。例如在确定教学内容时,注意力不要
仅放在竞赛用轮式成品机器人上,还应该关注单片机、嵌入式CPU、各种传感器、
电机、机械部件等软硬件技术在机器人和自动化技术上的应用。
5.2 教学方法 应根据学段和学科情况选择不同的综合设计教学方法。如:小学阶段
可让学生完成轮式竞赛用机器人的功能模块组装的设计;初中阶段可进行生活与学习
中实用机器人的创意设计;高中信息技术课中可重点对机器人智能软件算法进行设
计;而高中通用技术课中可重点对机器人的电气部分、传感器部分、动力部分和机械
部分进行相关设计。总之,教学方法应该侧重综合设计,而不是放在问题的分析上。
5.3 教学组织 机器人教学应事先营造好供学生动手动脑进行设计活动的环境。提供
必要的设
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