淺議機器人教育中 高中生認知模型的優化

摘要：本文作者通過強化機器人教育的教學重點環節，構建理論與實踐的“通路”，避免以往理論+解題技巧的“機械”模式，而采用理論+實踐的“試錯”模式，在即時錯對的反饋之中，刺激認知模式的修正，以達到認識模式的優化效果。通過這類教學模式來深化三層認知理論結構，即直覺—邏輯—意義。在直覺與意義中，強化邏輯思考的能力、反思的能力，從而培養學生的計算思維，發展學生的核心素養。

關鍵詞：機器人教育;教學模式;認知模式

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2021）08-0088-03

● 背景研究

1.新高考改革學生核心素養的培養

教育部印發的《關于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務的意見》中，第一次提出“核心素養體系”這個概念。核心素養是指學生在接受相應學段的教育過程中，逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力。核心素養的提出，明確了學校要培養什么樣的人以及怎么培養。

2.學校教育存在實踐教育的缺失

研究表明，學習的本質是遷移。而傳統教育依托的是工業時代的教學模式，僅僅注重理論習得，不斷通過“原理—習題—反思”這一模式培養學生的邏輯思維能力。隨著大數據、人工智能、物聯網等新興技術的興起，如今的時代對人才的需求以單一型轉向復合型，即需要在理論中有鉆研，同時又能在實踐中有發揮的人才，也就是STEM型人才。

3.機器人教育在中學開展存在的誤區

機器人教育是一門綜合性的學科，涵蓋電子、技術、工程、數學、物理等各方面知識，開設機器人教育這一課程，目的是提升學生的反思能力，促進學生自主創新精神。但是學校或家長，往往將機器人教育功利化，將機器人教育作為便捷進入名校的敲門磚，忽視了機器人教育課程本身的魅力。

● 機器人教育及認知模型概念界定

高中階段機器人教育的主要任務為指導學生設計自主運行的機器人并完成規定任務。內容包括兩個方面：①機器人物理框架設計，包括材料、結構、電路等;②軟件功能設計，包括任務的建模，算法的設計，程序的編寫及調試、優化等。軟件功能設計內容涉及計算機編程、牛頓運動力學、數學概率和統計等高中階段的必修知識。因此，筆者將高中階段的機器人教育聚焦于物理、數學與編程知識的融合。

認知模型是一個人在獲得教育之后逐漸形成的對待周邊的人或事的思考方式的規則。將這些規則組合在一起，就形成了個人的認知模型。由此可見，認知模型是學習者通過不斷的實踐，并且反思后形成的后天習得觀念。因此，這種認知模型一旦建立，便很難動搖。人對事物的看法，經認知模型解釋后，就會變成自身的行動綱要。高中生的認知模型正在由感性經驗逐步提升至理性思考，可以將諸多問題統歸為一類，思考解決方案，并設計和實現這一類問題的通用解決方案。傳統的教育模式往往是通過講道理、擺事實等方式提升學生的認知模型。定理—習題模式訓練下的認知模型，往往會導致學生思維的僵化。因此，筆者嘗試在機器人教育課程中，通過學生自主實踐，逐漸了解認知模型的基本框架，尋找出其理性和非理性的要素，通過增強學生的反思能力，倒逼學生對原理的思考。

● 高中階段機器人教育的實踐研究

研究指出，學習是把個人經驗放在社會規范中，與前人、他人的經驗、理論進行比較和反思，由此獲得清醒的“自我意識”，這是學習的本質和真諦。而實踐則是完成遷移最有效的途徑，也是獲得自我意識、清晰觀察自我認知模型的方法。實踐的終極意義在于比較和反思，也就是將認知模型不斷進行打磨，使之能更有效地抓住問題的關鍵。

從以上理論出發，筆者將高中機器人教育分成三個部分：①理論知識部分。②實踐知識部分。③理論與實踐相互驗證的反思部分。理論部分向學生介紹機器人的工作原理、判斷與識別、巡線與轉彎、誤差分析;實踐部分則分為組裝與調試、功能模塊的實際測試、判斷與模塊組合運用、觀察機器人運行情況與糾錯;驗證反思部分則強調將觀察到的現象，運用自己已經掌握的理論知識（高中物理、數學、信息技術等學科知識），去解釋誤差緣由，并進行糾偏與調整。

在此過程中不難發現，高中階段的機器人教育課程，更能體現出實踐到理論的認知基本規律。在這個過程中，理論與實踐相互驗證的反思部分也能得到很好的鍛煉，這有別于傳統教學的模式。通過原理與實踐的矛盾，倒逼學生進行反思，同時不斷強化反思過程，提高反思能力，這是筆者通過機器人實踐教學總結出來的一種行之有效的教學方法。

按照上述設想，理論搭建認知框架，實踐檢驗認知程度。學生在理論課的認真程度、理解程度，會在實際操作中完全體現出來。很多學生發現機器人無法跟著自己設計的程序執行，不能巡線，不會轉彎，甚至不會停止，狀況百出。以機器人轉彎問題為例，其關鍵的判斷條件在于開始轉彎的光電狀態判斷條件和停止轉彎的光電狀態判斷條件。如果對基礎原理，也就是黑白線的識別原理認識不清楚，會導致兩類明顯情況發生：①機器人根本沒轉彎;②機器人原地打轉，無法停止。而此時學生能否反思和回溯問題本源，往往是解決問題關鍵。

在這一認知模式優化過程中，存在4個關鍵環節，如下圖所示。

①發現問題。關鍵在于能仔細觀察現象，并具體描述這一現象。

描述方法：感覺經驗描述法（直覺法）、視頻記錄法（無限重復觀察）、數學量化法（數學抽象與數據處理）。

②定位問題。關鍵在于能否運用認知模式去解釋問題，也就是運用所學的物理、數學、計算機理論等知識去解釋問題發生的原因。

例如，輪式機器人速度慢的問題，認知中心模型給出的直覺是提高馬達的輸出功率，但一個馬達的輸出功率是固定的，極限為100%輸出。那么，在馬達不變的情況下（機器人比賽限定機器人使用電壓），能否加快速度？由此引出牛頓第二定律：F=ma。速度變化的快慢用加速度來衡量，通過牛頓第二定律可以發現加速度a與物體的質量成反比，因此，可以對輪式機器人的車體結構進行優化，減輕質量。

③解決問題。上述問題中輪式機器人的車體結構優化、減輕質量的策略被學生羅列了出來，緊接著螺絲質量問題、輪子質量問題、車體結構問題、舵機質量問題等一系列的思考也體現了出來。

④更新認知模式。通過“理論—實踐—反思”構造了習得模式，更強化了學生運用現階段的理論知識，而不是通過直覺經驗來指導行為模式，從而優化了學生的認知模式。其最終效果是提升學生的綜合素養。

● 高中階段機器人教育實踐的反思

從觀察現象到解釋原因（理論）再到應用（新現象）的過程符合教書育人的終極目標——讓學生學會思考。黑格爾的肯定否定的矛盾辯證法認為，認知過程要經歷肯定（教師理論知識講解）、否定（實踐運行的各類故障），通過仔細分析理論部分和自我的知識體系，得出改進的方法，最后又回到肯定這一認知。由此可見，在教育教學的過程中，學生的認知過程也需要否定，想讓學生更好地掌握知識，有效的方式之一是將知識放置于一個矛盾的框架中，通過肯定、否定，不斷促進學生反思，這是認知的矛盾發展，也是認知模式的優化過程。

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作者簡介：廖作東，信息技術副高級教師，碩士，研究方向為教育技術。

基金項目：江門市教育科學“十三五”規劃2019年課題“以機器人教育為依托的學科融合模式研究”（課題編號：jme19045）。