數字工程類課程：讓工程問題為創造搭建邁向真實世界的階梯

孫傳皓

《中國制造2025》是中國政府實施制造強國戰略的第一個十年行動綱領，其確立了人才的重要性，并且指出了包括“智能制造工程”在內的重點建設的五大工程，以及包括“機器人”和“信息技術”在內的十大領域。同時，國家出臺了《機器人產業發展規劃（2016—2020年）》等一系列相關政策，2017年7月，國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》中也明確提出，“廣泛開展人工智能科普活動，支持開展形式多樣的人工智能科普活動，鼓勵廣大科技工作者投身于人工智能的科普與推廣，全面提高全社會對人工智能的整體認知和應用水平。實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育，鼓勵社會力量參與寓教于樂的編程教學軟件的開發和推廣”。

北京景山學校在2000年就開始開展機器人教育，從只有個別學生能夠參加的競賽項目，到后來的可以有少部分學生參加的選修課、課外活動，到現在的多層次的機器人學習課程，包括大班普及課、課后班以及社團活動，為學生提供了多樣的學習機會。

2012年，景山中學開始建設創客空間，探索開源機器人課程普及教學的可能性，2017年建成了高標準的創客空間后，以機器人課程為核心的數字工程類課程群取得了很大的進步。

● 初中機器人普及課：從EV3到Makeblock

機器人技術涉及了信息技術中的控制技術、感測技術、通信技術、計算機技術，可以讓學生體驗到信息技術的全面綜合應用，除此還涉及機械工程學和人工智能技術。學生學習機器人課程可以零距離接觸前沿科技，不僅能夠提高信息素養，還能夠強化分析問題、解決問題的實踐能力。

目前景山學校在七年級第一學期開展機器人大班普及課程，每周兩課時，目前主要使用的是樂高EV3機器人，部分水平較高的學生還繼續學習makeblock機器人。機器人課程具體設計如下表所示。

該課程分三個階段：

第一階段認識機器人、學習基本操控方法，主要學習各種傳感器的用法，用程序基本模塊控制傳感器。主要學習內容首先是掌握馬達的相關知識，搭建到達終點即停的機器人，了解萬向輪的使用。接下來是光電傳感器、觸碰傳感器這些簡單傳感器的應用，然后是超聲波傳感器、陀螺儀這些復雜傳感器，并能夠使機器人可以通過超聲波躲避障礙，且能夠精準控制機器人轉向角度。

第二階段學習機器人結構、制作具有一定功能的機器人。主要學習內容有了解投石機、機械手臂、杠桿、力臂力距的相關知識，分析工業機械手臂的作用，搭建可以運送物體的機械手臂。

第三階段是綜合場景當中的項目應用。例如，避障機器人，綜合使用光敏、觸碰、超聲波傳感器制作躲避障礙機器人;分揀機器人，能夠將傳送帶傳送過來的貨物分揀到相應的盒子里;升降機，使用電機直接抬升貨物，使用齒輪傳動抬升貨物;自動柵欄門，了解小區、停車場柵欄門的作用，結合傳感器搭建自動柵欄門。

在教學上，由于機器人是一個涉及多個領域的綜合應用，這就要求教師需要具有廣博的相關知識，要加強學習相關領域知識技能，加強與相關學校、機構的溝通交流，盡量提高業務能力水平。此外，機器人教學還應該是一個開放的體系，應該繼續實踐研究更加科學合理的課程體系，更新更加符合學生認知水平、適合學生操作練習的課堂任務，讓學生更加感興趣、愿意學習機器人，使課堂更高效，真正提升學生的素質和能力。

● 高中選修課：開源機器人項目實踐

我們可以將機器人簡單地看作是一種智能的自動的機械結構，程序算法、電路設計、機械制造三方面的配合完成了一個機器人從無到有的制作過程。教師可以引導計算機水平較高的學生從零開始制作一個機器人，進而有效地應用3D打印機、激光切割機和CNC雕刻機完成一個智能設備的制作。

本課程采用項目式教學，且只招收具備一定計算機基礎的學生，因此沒有明確的課程大綱，只是一開始讓學生各自選題，進行個別輔導，完成中期報告和總結作品的展示。由于很多高中學生要用自己的作品參賽，所以學生除了選修課的時間之外，還付出了大量的業余時間。

● 結語

工程方向的育人價值是信息技術走向專業化的一個必然的方向，也是信息技術培養專業人才的最有價值的方向。面對“新工科”的教學要求，為主動應對新一輪科技革命與產業變革，支撐服務創新驅動發展、“中國制造2025”等一系列國家戰略。2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，并發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》，全力探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗，助力高等教育強國建設。而絕大部分的工科專業都有計算機應用的參與，工程教育和信息技術學科在新課標新課程之下的深度融合則是T-ARE這種基于藝術、研究和工程的技術學習模式在中學和大學聯合育人模式生成過程中的收官之作，對于科技教育的發展、信息技術學科的自身發展，都將產生深遠和積極的影響。