機器人教育中協作問題解決能力培養研究

馬靜哲

摘 ?要 信息技術的快速發展，使得協作問題解決能力已經成為新時代人才的必備技能。機器人課程作為一門綜合實踐性課程，是培養學生問題解決能力的有效載體。通過對協作問題解決能力內涵和協作問題解決一般過程的分析，結合機器人教育課程特點，設計培養學生協作問題解決能力模型，期望能夠為教育創新和培養新型人才提供參考和幫助。

關鍵詞 協作問題解決能力;機器人教育;核心素養;思維導圖

中圖分類號：G434 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）05-0065-03

0 引言

隨著科學技術的不斷進步，人類進入信息時代，知識和技能的不斷變遷使得未來工作環境更加復雜化，協作問題解決能力成為人才的必備技能，培養青少年的協作問題解決能力逐漸成為一項重要教育目標。2016年，我國發布《中國學生發展核心素養》，其中將問題解決作為“實踐創新”核心素養的關鍵因素。由此可見，人才培養應順應時代發展，將培養學生協作問題解決能力作為一項重要的教育目標。在此背景下如何有效地培養學生的問題解決能力，成為亟待解決的重要課題。

1 協作問題解決能力

協作問題解決的內涵 ?關于協作問題解決的內涵，學者的表述各不相同，但目前應用較為廣泛的是“國際學生評估項目”（Programmer for International Student Assessment，簡稱PISA）對協作問題解決能力的定義：學生能夠有效參與問題解決過程，能夠在該過程中與他人共享解決問題時所付出的努力，并通過協作交流與他人共同制訂解決方案，最終實現解決方案[1]。通過該定義可以看出，協作問題解決能力包含兩個維度，即協作維度與問題解決維度，這一觀點在早期的定義中也有所闡述。2011年，Griffin在ATC21S（Assessment and Teaching of 21st Century Skills，簡稱ATC21S）框架中將其劃分為認知技能和社交技能兩個層面，其中社交技能包括參與發表觀點和任務完成，認知技能包括任務管理、知識建構與學習[2]。因此，在對學生協作問題解決能力的培養教學中可以分別從協作和問題解決兩個維度進行。

協作問題解決一般過程 ?關于問題解決一般過程的研究已形成諸多理論，詳細描述了學生在解決問題時各階段所呈現的心理特征。1957年，Polya從教師授課角度出發，認為教師可以通過明確問題、制訂計劃、實現計劃、反思回顧進行問題解決教學[3]。PISA測試中對學生的問題解決過程分為理解、描述、展示、解決、反思、交流六個步驟[4]。

綜上分析，本研究將協作問題解決的一般過程劃分為：問題的識別與定義→探索可能的策略→制訂詳細的行動計劃→預測可能會出現的成果→實施行動→與同伴或教師交流反思協商行動成果并內化為自身知識，以供下一次解決問題使用。

協作問題解決能力培養研究現狀 ?關于對學生問題解決能力的培養研究中，我國學者也先后提出多種方法。如馬云鵬[5]在《小學數學教學論》中介紹了數學問題的解決過程和方法，并提出培養數學問題解決能力的教學策略。伍遠岳等[6]從心理學視角提出能夠促進問題解決的策略。張屹等[7]在小學三年級數學課中設計了APT教學模型培養學生問題提出能力與問題解決能力。

綜上所述，我國目前對于學生問題解決能力的培養研究多數集中在單一學科領域，而現實生活中的問題往往會涉及多個學科領域，所以需要具有綜合多學科領域內容的課程為載體，才能更有效地培養學生的問題解決能力。

2 機器人教育支持協作問題解決能力培養的可行性分析

機器人教育作為一門綜合性學科課程，課程內容大致可分為兩個層次：一是機器人基礎知識課程，包括機器人原理、模型組裝、動力機械的搭建，涉及物理、科學、工程學科等領域內容;二是機器人程序編寫，包含機器人基礎程序編寫、電子元器件的操作控制、數據的處理等，涉及信息技術和數學等學科的內容。已有研究表明，機器人課程作為促進學生實踐創新、協作交流的有效載體，可以從以下兩個層面提升學生的協作問題解決能力。

1）教學目標層面，吳永和等[8]結合機器人教育的特點，從深度探究、生涯指導以及學習體驗三個層面進行了機器人課程目標的設計。其中在學習體驗角度著重強調了引導學生思考，能夠獨立發現、提出問題，并且可以積極參與協作學習、交流討論等，以增強其科學探究能力。

2）學習形式層面，機器人教育作為一門可以支持多學科融合的活動課程，涉及任務的邏輯、系統處理、設計作品、測試與調試、迭代優化等。另外，學生在拼裝、設計、程序的編寫與運行、系統情境任務處理的過程中，能夠培養自主設計開發能力、問題解決能力和計算思維，因此，機器人課程成為培養學生綜合素質和問題解決能力的良好載體[9]。

3 協作問題解決能力培養模型設計

通過對問題解決能力的內涵與一般過程以及機器人教育進行分析，本研究以問題解決的一般流程為導向，按照教師行為和學生行為的雙路徑設計了協作問題解決能力模型。在此模型中，教師通過對機器人課程知識的梳理，選取合適的教學內容，創設學習情境，引導學生發現問題，開發配套資源，形成對問題的初步表征，通過設計不同的教學活動來豐富機器人教學過程，促進學生對問題解決策略的探索，制訂解決方案，最后通過不同的評價活動以促進學生對問題解決過程進行反思。具體如圖1所示。

設計配套資源，激發原有認知 ?學習者的已有認知結構是問題得以解決的先決條件[10]。面對同一問題，不同解決者的能力不同，高認知水平學習者和低認知水平學習者在解決問題時的最大不同就在于知識在其記憶中存儲和提取的方式不同：認知水平較高的學習者善于將原有知識分層次按類別地組織，在提取時檢索相關知識會更加清晰明確;而認知水平一般的學習者則是將原有認知雜亂無序地存儲在記憶中，不便于提取和使用。另外，機器人教育課程本身所涉及的知識較為廣泛復雜，不利于學習者對于知識的梳理。因此需要設計開發適應機器人課程學習的教學資源以幫助學生梳理知識，進而幫助學生解決問題。

1）課程前期。教師可以根據本節課所涉及的知識以書面文本、圖片、視音頻等形式進行整合，應包括模型搭建所需要的器材、模型所要呈現的功能和效果、涉及的編程程序、相關案例分析等。

2）課程后期。在學生完成作品時要為學生提供本節課程所涉及的內容總結。思維導圖是一種能夠將思維過程可視化的學習工具，可以幫助學生整理思維，組織知識結構。因此，可以在機器人課程結束時采用思維導圖來梳理知識、總結課程內容，進一步幫助學生內化知識。

豐富教學過程，促進協作共享 ?要培養學生的協作交流能力，分組學習能夠很好地解決這個問題。每位學生都是獨立的個體，想要其進行合作協同解決問題，首先要將這些獨立的學生分成多個小組，然后在分組合作學習的基礎上組織一些能夠促進學生進行知識共享的活動內容。如階段性匯報，教師組織學生在特定的教學階段進行階段性匯報，階段不同，所要匯報的內容亦不相同。例如：在課程中期，問題未得到解決之前，匯報內容應包括為解決問題所搜集到的材料、當前遇到的困難以及接下來要執行的計劃方案等;在問題得以順利解決之后，匯報內容則應包括解決問題所采用的策略方法，對問題解決過程產生的知識總結等。其他組內成員要對發表的觀點提出建議或評價，該環節能夠促進學生共享知識，保證每位小組成員不僅解決自己的問題，還參與其他成員的問題解決過程，以此大大增加每位學生接受的知識量。

多元評價交流，推動反思內化 ?反思是促進學生學習和發展學生能力的有效方式。在學生解決一定的問題之后，應引導他們對問題解決的過程、策略、方法和結果進行反思[6]。另外，機器人課程的評價內容具有特殊性且內容復雜，在知識技能方面包括對機器人基礎知識的了解、對搭建零件的認識、模型的拼裝和優化等;在思維能力方面包含團結協作，共同完成項目或競賽的交流溝通能力、問題解決能力、模型搭建與改進的動手執行能力、方案設計的創新能力等。具體可以采用以下兩種方式開展機器人課程的評價活動。

1）對知識技能方面進行評價時，教師可以設計與課程內容相匹配的作品評價表，評價表內容應包含學生基礎知識的學習、模型的搭建和優化過程以及作品所實現的功能和效果，結合問題解決能力教師評價量表進行測量記錄，并且將作品評價表和協作問題解決能力的測量結果反饋給每位學生，使學生能夠清晰認識到機器人課程學習和問題解決情況。

2）對思維能力進行評價時，可以選擇自我總結的評價方式。引導學生對本組作品進行分析，從機器人結構搭建過程、拼裝優化、作品創新程度等方面進行分析匯報，回憶整個問題解決過程，并反思在整個問題解決過程中是否存在不足或者是否存在更好的解決方法。通過多種評價方式促進學生對問題解決過程進行反思，使本次問題解決所產生的知識能夠遷移到下一次問題的解決過程中。

4 結語

協作問題解決能力作為當代社會人才的一種必備技能，也是一種促進學生終身學習和適應復雜工作環境的基礎技能。本研究在對協作問題解決的內在機制以及學生協作問題解決的一般過程進行分析的基礎上，設計了培養學生協作問題解決能力模型。但本研究目前尚處于理論分析階段，在后續的研究中會進行機器人教學案例設計并進行實驗驗證，期望能夠為教育創新和培養新型人才提供更多參考和幫助。

參考文獻

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[3]Polya G. How to solve it： A new aspect of mathema-tical method[M].New Jersey： Princeton university press，1957：5-6.

[4]楊學敬，徐斌艷.問題解決內涵的重構：來自PISA的啟示[J].教育科學，2007（2）：32-35.

[5]馬云鵬.小學數學教學論[M].北京：人民教育出版社，2013.

[6]伍遠岳，謝偉琦.問題解決能力：內涵、結構及其培養[J].教育研究與實驗，2013（4）：48-51.

[7]張屹，董學敏，陳蓓蕾，等.智慧教室環境下的APT教學對小學生問題提出與問題解決能力的培養研究[J].中國電化教育，2018（4）：57-65.

[8]吳永和，李彤彤.機器智能視域下的機器人教育發展現狀、實踐、反思與展望[J].遠程教育雜志，2018（4）：79-87.

[9]楊玉芹，龍彥文，孫鈺峰.小學生計算思維培養的過程和策略研究：基于對武漢市從事機器人教育的26位教師的深度訪談[J].電化教育研究，2019（12）：115-121.

[10]樊雅琴，黃若琳，崔迎，等.STEM教育背景下學生問題解決能力的培養[J].現代教育技術，2019（1）：114-119.