機器人課賽結合項目對創新設計素養的培養

常州市青少年活動中心 吳 強

一、機器人課賽結合項目的選立

（一）項目提出的背景

常州市青少年活動中心作為常州市初高中生的勞動實踐基地，自2015年起一直施行以提高學生學科核心素養為主旨，以設計學習、操作學習為主要特征，立足實踐、注重創造、體現科技與人文統一的課程。勞動教育不同于傳統教育中教師為主導的教學方式，填鴨式的教學是無法在勞動教育課程中開展的，相比于書本，生活經驗以及社會實際才是勞動教育要采用的教科書。機器人課程一般以技術性實操學習作為課程內容，教師示范講解為主，如何讓學生能自發主動地進行專業學習和探索，促使教師對教學形式以及內容進行思考和改變。

勞動教育本就應以現實生活為本位，教師的視角也要從狹小的課堂中向更為廣闊的真實社會生活中轉移，在機器人專業領域，機器人技術的發展與進步和機器人比賽息息相關。著名的機器人DARPA挑戰賽就是旨在加快推進機器人的研發進度，推進機器人領域的技術創新發展。在該賽事的推動下，人形機器人的發展得到了提速，各項技術創新也不斷涌現。而在職業類院校中，開展職業技能競賽一直是作為提高教育教學質量的重要手段之一。因此課賽融合的教學模式在職業類院校中比較普及，以賽促教，以賽促學成為職業院校開展日常教學的大趨勢。

（二）確立課賽結合項目

學生來常州市青少年活動中心參加完勞動實踐后不會直接進入到機器人專業挑戰賽或者職業技能比賽中進行角逐，這不是這門實踐課程的目標，也不符合學生的實際能力水平。在江蘇，每年由省科協、省教育廳、省科技廳、省發改委、省文明辦、省生態環境廳、省體育局、團省委、省婦聯、省知識產權局主辦的江蘇省青少年機器人競賽為全省廣大青少年機器人愛好者搭建成果展示和競技交流平臺，吸引了全省13個設區市上千名選手參加。常州市青少年活動中心每年都積極參加各級各類機器人競賽活動，對于省機器人競賽也極度重視，每年都會從中心的學員中選拔隊伍參加比賽，課賽結合項目就著眼于中心參加競賽中的賽項進行選擇，設置課程內容，實施課堂教學。

機器人比賽如同大型的運動會，里面的賽項繁多，而不同賽項之間是沒有兼容性的，中心從投入度、展開度、可實施性多角度來綜合考慮，先后選擇了WER（能力風暴機器人）和ENJOY AI（鯨魚機器人）競賽項目作為課賽結合的具體實施項目。在經過教程編寫、投入試點、打磨精研之后，項目課程正式進行了近4年的實施。在實施過程中，接觸了全市不同學校的學生，在培養青少年創新思維、實踐能力和科學素質上得到了正面積極的反饋。

二、創新設計素養的培養

（一）創新設計素養內涵

在當前日益關注創新的環境下，設計素養被西方發達國家作為提高國家創新力和競爭力的關鍵要素，并作為公民的終身學習要素之一。國內外在藝術、技術學科中會去關注對學生設計能力的培養，在闡釋學科素養或課程目標時，描述學生所需具備的設計能力，如英國“設計與技術”課程要求學生通過各種創造性和實踐性的活動，參與設計與制作過程，具備一定的設計能力。

新課程標準中明確提出了通用技術課程的五大學科核心素養：技術意識、工程思維、創新設計、圖樣表達、物化能力。其對創新設計的描述是：基于技術問題進行創新性方案構思的一系列問題解決過程。所以，創新設計素養是針對創新設計的過程而言體現出來的知識水平與能力——是否對技術問題有技術分析能力，能否依據合理的人機關系通過常用構思方法進行方案構思，能否用技術語言將構思進行表達。在機器人課程中，教師培養學生的創新設計素養是培養學生能基于機器人的功能性要求，進行機器人的技術特點分析，完成具有一定創新性的方案構思，并將方案進行具象化進行技術驗證。

（二）課賽結合與創新設計素養的契合點

（1）發現和挖掘用戶需求：教師在課堂上作為舉辦方向學生布置機器人競賽任務，對學生提出規則性的方案要求，學生作為參賽的機器人工程師要去了解教師提出競賽的具體要求細節，明確自己的任務。

（2）發現與明確技術問題，并判斷是否具備解決問題的技術能力和條件：學生根據實際領取的規則任務去明確機器人的功能結構組成，判斷哪些功能是在目前的知識技能水平之下可以實現的，哪些功能需要經過再學習才能得以實現，通過教師提供的課件資源尋找技術問題的解決方法。

（3）根據設計要求和制約條件，運用測量、繪圖、建模等設計方法和常用的創新技法，提出各種可能的構思方案：學生通過閱讀了解競賽詳細規則，觀察教室中的比賽實際場地環境，結合所提供的機器人制作材料，通過繪制草圖，搭建機器人的功能模型進行方案的呈現，產生可能的機器人解決方案。

（4）運用實驗、評估等方法，不斷對多種方案進行權衡、優化和改進，綜合考慮多種因素，選定滿足設計要求的最佳方案：學生通過在場地上調試自行設計搭建的機器人，對自己的設計方案進行技術測試驗證，根據測試結果不斷對機器人進行針對性的改進和優化，綜合考慮速度、穩定性、復雜程度和效率因素等，選定最佳的方案由教師進行驗收評定。

（三）項目中創新設計素養培養的舉措

1.進行啟發性的任務引導

萬事開頭難，學生如果從一開始就茫然無措，之后創新設計的過程也就無法順利執行，培養學生的素養也就無從談起，所以在項目開始的時候就要進行正確引導。在解讀“教是為了不需要教”時會有人出現偏差，以為就是課堂不需要教師去教，只需要學生完全自主學習，這就曲解了這句話的含義。教師是為了以不教的目的進行教學，將知識進行凝練，用啟發的方式讓學生自主通過練習去了解掌握這些知識。

在機器人課賽結合的課堂開始，教師不是甩手將比賽任務扔給學生，而是要給學生講解機器人需要達成的哪些技術要點，如巡線功能、機械臂的驅動，這些軟硬件的技術實現就是引導學生要去完成的任務。為了完成機器人的設計組裝，學生必定會利用身邊的教學資源去攻克這一系列的技術問題。

為了激發學生的設計思路，有一個更加明確的目標方向，學生正式開始前會有觀看前一年比賽方案視頻的環節，雖然無法直接去完成課堂上的任務，但是通過視頻會讓學生受到一定的啟發，學習到一些設計思路和方法。在設計時，教師也會啟發讓學生利用自己的生活經驗，將生活中的一些機械結構進行遷移使用。

2.設置機器人方案設計構思表

素養不僅包含認知與技能等后天可教可學的能力，更凸顯態度、情感、價值觀的重要性，強調品評、判斷，其隱形特質需要潛移默化地長期培養，以形成適當的行為自覺與自律。評價學生創新設計素養無法靠一般的量性總結評價直接判斷，因為創新設計不是只指向最終的設計結果，而是圍繞技術問題而展開設計的整個過程，因此，在項目中教師應該更加關注學生在活動過程中所體現出來的設計素養，而不是僅對于學生最后制作的機器人進行技術性能性的判定。

機器人方案設計構思表就是為了更好地了解學生在設計過程中的素養呈現而設置的，這也很好地彌補了教師無法全面對全體學生進行過程性關注這一缺點。畢竟教師的精力也是有限的，無法做到對每個學生都能自始而終的觀察。反之，構思表也讓學生更加關注自己的整個設計制作流程，整理自己針對機器人的技術問題如何解決的思路，利用技術圖樣將自己的設計方案具象表現出來，繼而去將方案付諸實際，對方案進行驗證和再發現問題重新進行分析。這是學生自我總結歸納提升的過程，也是培養學生創新設計素養經歷的步驟。

3.為學生創新設計素質設置水平梯度評價

與以往結果性導向的評價體系不同，此項目培養學生創新設計素養是從學生的整體性的培養去考慮的，將過程性與結果性相協調，根據新課程標準的核心素養水平劃分，結合項目的具體實施情況，對創新設計素養進行分級，設置了5個水平梯度的評價，見表1。

表1 水平梯度評價

學生和教師都可以通過這張梯度表去找到相對應的水平，教師可以了解目前學生所達到的在創新設計素養上的等級，并根據不同的發展狀況提供相對應的指導，學生則可以有清晰的能力達成目標，從而有的放矢地進行自我提升。

4.從課堂走入真實比賽

如果說將機器人競賽項目引入到課堂上進行整合教學是“貼近生活”，那讓學生在課堂之后進行延伸，參加真正的機器人競賽活動就是“融入生活”。正如之前說的素養需要潛移默化地長期培養，課堂有限的時間可以開發學生的創新性，后續參加競賽活動則能讓學生自身的創新設計素養得到不斷的培養和展示，其水平梯度自然也會慢慢得到提升。

三、課賽結合對創新設計素養培養的表現

（一）機器人設計方案構思表反饋

為了能具象化學生的創新設計素養表現，進而了解到學生的素養水平，教師可在課堂上給每一個小組發放構思表，以便學生將自己的方案構思清晰直觀地表現出來，圖1為其中一些小組的構思表。

圖1 構思表

從學生反饋的構思表中可以直觀了解到學生在設計制作過程中的所思所想，他們根據每個任務的要求進行機器人性能結構的分析和設計，并將腦中的設計方案用草圖的形式呈現出來。最終設計制作的機器人也是利用他們的設計方案制作而成的，并且不同小組針對同一個任務，設計的思路和實現的方式不同就會產生出不同的方案，學生會有自己獨特的創新想法，在解決了一系列技術問題之后最終得到了實現，學生在取得成功的過程中同時也提高了自身的素養。

（二）機器人競賽收獲

在實施課賽結合項目的這些年里，常州市青少年活動中心每年都從課堂中選拔學生去參加常州市教育局、江蘇省教育廳組織的機器人大賽中的ENJOY AI競賽項目，并且每年都獲得了優異的成績。2022年7月，常州市青少年活動中心代表隊喜獲省青少年機器人競賽ENJOY AI挑戰賽初中組一等獎（冠軍），這是此競賽項目在江蘇省內最高的獎項。通過課賽結合項目的實施，學生在課堂上培養了自身創新設計素養，同時到了真正的機器人賽場上更是體現了課程項目給他們根植下的優秀素養。

四、結語

機器人課賽結合項目切實貼合創新設計素養培養的要求，培養了學生解決問題的能力、編程實踐能力以及創新設計能力，凸顯學生自主探究的主人翁意識。常州市青少年活動中心多年的課程實施以來，對來自全市不同學校學生的創新設計素養都起到了明顯的培養作用，無論從課堂上的綜合表現還是在課堂外的機器人競賽中，都能看出學生自身素養的提升。