對中小學機器人教學定位的思考

艾 倫

摘要 從學習需求和教學目標出發,指出培養中小學生創新能力的有效途徑是提高他們的綜合設計能力,并提出中小學生機器人教學為達到上述目的應該注重的問題。

關鍵詞 綜合設計;創新能力;機器人

中圖分類號:G420 文獻標識碼:A 文章編號:1671-489X(2009)24-0004-02

Think about Robot Teaching of Primary and Secondary Schools//Ai Lun

Abstract From the learning needs and teaching goals, improving synthesize and design ability of primary and secondary students is an effective way for bring up their innovation ability. And primary and middle schools robot teaching to achieve the above objectives should focus on some problems.

Key words synthesize and design; innovation ability; robot

Authors address Capital Normal University, Beijing, 100048, China

隨著新課程改革的推進與社會上機器人競賽項目的普及,機器人教學已經逐漸進入中小學的課堂。從課程的角度看,機器人教學還是一個嶄新的內容。本文不想對該課程到底應該設置在科學課、社會實踐課、勞技課、信息技術課、通用技術課以及校本課程中的哪門課更為合適進行探討,只是就該課程的教學內容、教學方法、教學組織的定位提出自己的意見。

1 中小學生知識結構特點分析

新課程標準的三維目標中,第一個就是知識與技能。其實技能(Skill)一詞不如用能力(Ability)一詞更能確切地表達知識的含義。人需要學習的知識包括通常說的知識(稱為顯性知識或結構化知識、良構知識)和能力(稱為隱性知識或非結構化知識、劣構知識)。顯性知識是人們獲取的自然和社會的各種信息,可以通過閱讀、聽講等方式學習到這種知識;而隱性知識——能力則是人們認識、改造自己和自然以及社會環境的本領,往往需要通過不斷實踐領會或師傅帶徒弟的方式才能學習到。

關于能力的提法有很多,但歸納起來可分為2種:一是分析能力,一是綜合與設計能力。分析是從已經存在的事物中去發現一般性的規律。這是一個歸納的過程,從特殊到一般,結果具有唯一性。例如,牛頓三定律就是對大量宇宙宏觀現象進行分析得出的唯一性普適定律。綜合與設計是運用一般規律去實現原本不存在的事物;這是一個演繹過程,從一般到特殊,結果具有多樣性。綜合與設計也是不同的,綜合是在原理上實現,設計是在技術上實現。例如,用已經掌握的電學和光學等理論去實現一臺電視機,將電視機的原理圖畫出來為綜合;而確定電路參數和整機性能指標,為制作出該電視機做出全部生產前的準備工作就是設計。由于不同型號甚至不同生產批號的電視機在原理、功能、結構等方面都是有差別的,所以可認為具有無窮多個綜合設計的結果。

當前中小學校對學生的能力培養上比較注重分析能力的培養,而缺乏的對綜合與設計能力的培養。究其原因可能有3個方面。第一是中小學教師的知識結構特點。中小學教師一般都畢業于師范院校,而師范院校課程設置不同于工科院校,基本都是分析類課程,他們本身就沒有受過綜合設計的訓練。第二是中小學課程設置與教師授課特點也偏重于分析。第三是目前的高考制度造成中小學生的知識面窄而追求深。有人曾做過一個很形象的比喻:中國中小學生的知識是1英里深,1英寸寬;美國學生的知識是1英寸深,1英里寬。而一些研究表明,人的分析能力與知識的深度呈高度正相關,綜合設計能力則與知識的廣度呈高度正相關[1]。要提高中國中小學生的綜合設計能力,就應該從教學內容、教學方法和教學組織方面去尋求新的出路。機器人教學的出現是一個很好的契機,為培養中小學生的綜合設計能力提供了有利條件。

2 當今社會的學習需求特點分析

學習需求的本質是一個社會需求問題。在發達國家存在這樣一個規律:經濟蕭條時期,理科畢業生相對比較容易就業;而經濟發展時期,工科畢業生容易就業。中國現在正處于經濟高速發展的時期,需要具有高度分析能力的科學家,但更需要具有高度綜合設計能力的工程師。前幾年,理科畢業生的平均供需比為1:1.74,而工科畢業生的平均供需比為1:3.64,就說明了這個問題[2]。近年來,高等職業教育的快速發展也是對這個問題的例證。

為了能夠迅速擴充中小學生的知識面,提高他們的綜合設計能力,教育部在推行新課程改革的同時,為中小學生新增加技術類課程,即信息技術課與通用技術課。這些課程提倡讓學生動手、動腦去設計作品或產品,在此過程中學生的知識面得到擴充,綜合設計能力得到提高。但是由于教學資源(專職教師、教學設備、活動場所等)的缺乏,技術類課程目前還不能迅速、如期地實現其教學目標,尤其在廣大的農村和城市邊遠地區更是如此。所以,培養中小學生綜合設計能力是一個亟待解決的問題,是社會的需求,是時代的需要。綜合設計能力對學習需求是如此重要,而中小學生以前的課程教學又不能解決提高綜合設計能力培養的問題,所以通過機器人課程教學來解決這一問題就成為十分重要的途徑之一。

3 中小學生的創新問題

從創新能力培養的角度說,培養中小學生的綜合設計能力也是十分必要的。前面說到,科學分析的成果具有唯一性,而綜合設計的成果具有多樣性。對于中小學生,不可能奢求他們去做原創性的研究和發明,一般認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為是創新,所以綜合設計成果的多樣性為中小學生提供了更多的創新機會。研究成果的實現使學生具有成就感,成就感會激勵學生的學習和研究興趣,研究興趣是學生創新精神的基礎,而創新精神是創新能力培養的有力保障。在這里,情感、態度、價值觀也得到充分的體現。

從前面的分析可知,培養中小學生創新能力的有效途徑是培養其綜合設計能力,而綜合設計能力的提高依賴于知識面的寬泛化和隱性知識的顯性化。目前,中小學機器人教學就應該采取拓寬知識的教學內容和綜合與設計的教學方法,而教學組織要特別注重學生的動手制作。

4 機器人教學中的學生能力培養

創新能力、綜合設計能力既然屬于能力,就必然具有隱性知識的非結構化特點。所以,要通過機器人教學來提高這些能力,就應該在教學中注意3個方面的問題:廣泛化認知、充分化動手、規范化設計。

4.1 廣泛化認知既然人的綜合設計能力與其知識的廣度呈高度正相關,在機器人教學活動中就應該有意識地擴充學生的知識面。機器人設計應不拘泥形式和內容,讓學生在設計的過程中廣泛地接觸和搜集各方面的資料(自然的、人文的、藝術的),并深入分析思考,從中獲得大量信息,擴充自己的知識空間。機器人的設計涉及光機電一體化問題、自動控制問題、人工智能問題等多方面。隨著機器人智能水平的提高,各種傳感器和機械傳動機構越發精密,學生在機器人的軟硬件設計過程中需要的知識更加廣泛,考慮的問題更加精細。這些對培養學生的綜合設計能力與實踐創新能力都具有非常大的促進作用。

4.2 充分化動手既然能力作為隱性知識要在不斷的實踐活動中去體驗、學習,機器人教學活動就一定要讓學生本人經歷軟硬件的設計,機器人課程應該是一個讓學生能夠得到充分動手體驗的教學過程。

4.3 規范化設計既然隱性知識具有非結構化特點,解決“沒有師傅也能出徒”的問題就依賴于把隱性知識能夠顯性化。將綜合設計的過程規范化,就是讓學生完整地經歷功能與技術指標提出、功能分析、指標分析、關鍵技術論證、算法與流程設計、軟件或硬件的實施、調試與反饋修正等一系列全過程。不僅如此,還應養成將整個綜合設計過程形成文檔的良好習慣。

5 中小學機器人教學活動建議

考慮到中小學生和機器人課程的特點,為培養學生的綜合設計能力和創新能力,筆者認為機器人教學應該在教學內容、教學方法、教學組織方面一改其他課程的教學模式,走出一條新的路子來。

5.1 教學內容機器人教學應注意學生知識廣度的學習。雖然僅通過一門課程來擴充學生的知識面效果有限,但是由于機器人的設計涉及光機電一體化、自動控制、人工智能等多方面問題,既有硬件設計也有軟件設計,所以是讓學生了解和掌握大量知識的絕好機會。知識不追求深度,只要求廣度。例如在確定教學內容時,注意力不要僅放在競賽用輪式成品機器人上,還應該關注單片機、嵌入式CPU、各種傳感器、電機、機械部件等軟硬件技術在機器人和自動化技術上的應用。

5.2 教學方法應根據學段和學科情況選擇不同的綜合設計教學方法。如:小學階段可讓學生完成輪式競賽用機器人的功能模塊組裝的設計;初中階段可進行生活與學習中實用機器人的創意設計;高中信息技術課中可重點對機器人智能軟件算法進行設計;而高中通用技術課中可重點對機器人的電氣部分、傳感器部分、動力部分和機械部分進行相關設計。總之,教學方法應該側重綜合設計,而不是放在問題的分析上。

5.3 教學組織機器人教學應事先營造好供學生動手動腦進行設計活動的環境。提供必要的設備和工具(包括工具軟件),組織學生進行探究式學習,特別應注意探究式學習3個要素(任務驅動、協作學習、教師引導)的構成,讓學生能夠充分化動手。同時,還應提倡設計過程的規范化,用于提高學生的綜合設計能力。教學活動不僅在課堂上進行,還應組織學生在課余時間做適當的工作,以保證教學的完整性和有效性。

參考文獻

[1]艾倫,等.中小學實驗教學改革探索[J].中國教育技術裝備,2008(5)

[2]艾倫,等.教育與信息技術的交叉理科與工科培養模式的結合[J].電化教育研究,2003(7)