对中小学机器人教学定位的思考

艾 伦

摘要 从学习需求和教学目标出发,指出培养中小学生创新能力的有效途径是提高他们的综合设计能力,并提出中小学生机器人教学为达到上述目的应该注重的问题。

关键词 综合设计;创新能力;机器人

中图分类号:G420 文献标识码:A 文章编号: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

随着新课程改革的推进与社会上机器人竞赛项目的普及,机器人教学已经逐渐进入中小学的课堂。从课程的角度看,机器人教学还是一个崭新的内容。本文不想对该课程到底应该设置在科学课、社会实践课、劳技课、信息技术课、通用技术课以及校本课程中的哪门课更为合适进行探讨,只是就该课程的教学内容、教学方法、教学组织的定位提出自己的意见。

1 中小学生知识结构特点分析

新课程标准的三维目标中,第一个就是知识与技能。其实技能(Skill)一词不如用能力(Ability)一词更能确切地表达知识的含义。人需要学习的知识包括通常说的知识(称为显性知识或结构化知识、良构知识)和能力(称为隐性知识或非结构化知识、劣构知识)。显性知识是人们获取的自然和社会的各种信息,可以通过阅读、听讲等方式学习到这种知识;而隐性知识——能力则是人们认识、改造自己和自然以及社会环境的本领,往往需要通过不断实践领会或师傅带徒弟的方式才能学习到。

关于能力的提法有很多,但归纳起来可分为2种:一是分析能力,一是综合与设计能力。分析是从已经存在的事物中去发现一般性的规律。这是一个归纳的过程,从特殊到一般,结果具有唯一性。例如,牛顿三定律就是对大量宇宙宏观现象进行分析得出的唯一性普适定律。综合与设计是运用一般规律去实现原本不存在的事物;这是一个演绎过程,从一般到特殊,结果具有多样性。综合与设计也是不同的,综合是在原理上实现,设计是在技术上实现。例如,用已经掌握的电学和光学等理论去实现一台电视机,将电视机的原理图画出来为综合;而确定电路参数和整机性能指标,为制作出该电视机做出全部生产前的准备工作就是设计。由于不同型号甚至不同生产批号的电视机在原理、功能、结构等方面都是有差别的,所以可认为具有无穷多个综合设计的结果。

当前中小学校对学生的能力培养上比较注重分析能力的培养,而缺乏的对综合与设计能力的培养。究其原因可能有3个方面。第一是中小学教师的知识结构特点。中小学教师一般都毕业于师范院校,而师范院校课程设置不同于工科院校,基本都是分析类课程,他们本身就没有受过综合设计的训练。第二是中小学课程设置与教师授课特点也偏重于分析。第三是目前的高考制度造成中小学生的知识面窄而追求深。有人曾做过一个很形象的比喻:中国中小学生的知识是1英里深,1英寸宽;美国学生的知识是1英寸深,1英里宽。而一些研究表明,人的分析能力与知识的深度呈高度正相关,综合设计能力则与知识的广度呈高度正相关[1]。要提高中国中小学生的综合设计能力,就应该从教学内容、教学方法和教学组织方面去寻求新的出路。机器人教学的出现是一个很好的契机,为培养中小学生的综合设计能力提供了有利条件。

2 当今社会的学习需求特点分析

学习需求的本质是一个社会需求问题。在发达国家存在这样一个规律:经济萧条时期,理科毕业生相对比较容易就业;而经济发展时期,工科毕业生容易就业。中国现在正处于经济高速发展的时期,需要具有高度分析能力的科学家,但更需要具有高度综合设计能力的工程师。前几年,理科毕业生的平均供需比为1:1.74,而工科毕业生的平均供需比为1:3.64,就说明了这个问题[2]。近年来,高等职业教育的快速发展也是对这个问题的例证。

为了能够迅速扩充中小学生的知识面,提高他们的综合设计能力,教育部在推行新课程改革的同时,为中小学生新增加技术类课程,即信息技术课与通用技术课。这些课程提倡让学生动手、动脑去设计作品或产品,在此过程中学生的知识面得到扩充,综合设计能力得到提高。但是由于教学资源(专职教师、教学设备、活动场所等)的缺乏,技术类课程目前还不能迅速、如期地实现其教学目标,尤其在广大的农村和城市边远地区更是如此。所以,培养中小学生综合设计能力是一个亟待解决的问题,是社会的需求,是时代的需要。综合设计能力对学习需求是如此重要,而中小学生以前的课程教学又不能解决提高综合设计能力培养的问题,所以通过机器人课程教学来解决这一问题就成为十分重要的途径之一。

3 中小学生的创新问题

从创新能力培养的角度说,培养中小学生的综合设计能力也是十分必要的。前面说到,科学分析的成果具有唯一性,而综合设计的成果具有多样性。对于中小学生,不可能奢求他们去做原创性的研究和发明,一般认为只要研究的成果形式或过程方法与其他人的研究有差异就可认为是创新,所以综合设计成果的多样性为中小学生提供了更多的创新机会。研究成果的实现使学生具有成就感,成就感会激励学生的学习和研究兴趣,研究兴趣是学生创新精神的基础,而创新精神是创新能力培养的有力保障。在这里,情感、态度、价值观也得到充分的体现。

从前面的分析可知,培养中小学生创新能力的有效途径是培养其综合设计能力,而综合设计能力的提高依赖于知识面的宽泛化和隐性知识的显性化。目前,中小学机器人教学就应该采取拓宽知识的教学内容和综合与设计的教学方法,而教学组织要特别注重学生的动手制作。

4 机器人教学中的学生能力培养

创新能力、综合设计能力既然属于能力,就必然具有隐性知识的非结构化特点。所以,要通过机器人教学来提高这些能力,就应该在教学中注意3个方面的问题:广泛化认知、充分化动手、规范化设计。

4.1 广泛化认知既然人的综合设计能力与其知识的广度呈高度正相关,在机器人教学活动中就应该有意识地扩充学生的知识面。机器人设计应不拘泥形式和内容,让学生在设计的过程中广泛地接触和搜集各方面的资料(自然的、人文的、艺术的),并深入分析思考,从中获得大量信息,扩充自己的知识空间。机器人的设计涉及光机电一体化问题、自动控制问题、人工智能问题等多方面。随着机器人智能水平的提高,各种传感器和机械传动机构越发精密,学生在机器人的软硬件设计过程中需要的知识更加广泛,考虑的问题更加精细。这些对培养学生的综合设计能力与实践创新能力都具有非常大的促进作用。

4.2 充分化动手既然能力作为隐性知识要在不断的实践活动中去体验、学习,机器人教学活动就一定要让学生本人经历软硬件的设计,机器人课程应该是一个让学生能够得到充分动手体验的教学过程。

4.3 规范化设计既然隐性知识具有非结构化特点,解决“没有师傅也能出徒”的问题就依赖于把隐性知识能够显性化。将综合设计的过程规范化,就是让学生完整地经历功能与技术指标提出、功能分析、指标分析、关键技术论证、算法与流程设计、软件或硬件的实施、调试与反馈修正等一系列全过程。不仅如此,还应养成将整个综合设计过程形成文档的良好习惯。

5 中小学机器人教学活动建议

考虑到中小学生和机器人课程的特点,为培养学生的综合设计能力和创新能力,笔者认为机器人教学应该在教学内容、教学方法、教学组织方面一改其他课程的教学模式,走出一条新的路子来。

5.1 教学内容机器人教学应注意学生知识广度的学习。虽然仅通过一门课程来扩充学生的知识面效果有限,但是由于机器人的设计涉及光机电一体化、自动控制、人工智能等多方面问题,既有硬件设计也有软件设计,所以是让学生了解和掌握大量知识的绝好机会。知识不追求深度,只要求广度。例如在确定教学内容时,注意力不要仅放在竞赛用轮式成品机器人上,还应该关注单片机、嵌入式CPU、各种传感器、电机、机械部件等软硬件技术在机器人和自动化技术上的应用。

5.2 教学方法应根据学段和学科情况选择不同的综合设计教学方法。如:小学阶段可让学生完成轮式竞赛用机器人的功能模块组装的设计;初中阶段可进行生活与学习中实用机器人的创意设计;高中信息技术课中可重点对机器人智能软件算法进行设计;而高中通用技术课中可重点对机器人的电气部分、传感器部分、动力部分和机械部分进行相关设计。总之,教学方法应该侧重综合设计,而不是放在问题的分析上。

5.3 教学组织机器人教学应事先营造好供学生动手动脑进行设计活动的环境。提供必要的设备和工具(包括工具软件),组织学生进行探究式学习,特别应注意探究式学习3个要素(任务驱动、协作学习、教师引导)的构成,让学生能够充分化动手。同时,还应提倡设计过程的规范化,用于提高学生的综合设计能力。教学活动不仅在课堂上进行,还应组织学生在课余时间做适当的工作,以保证教学的完整性和有效性。

参考文献

[1]艾伦,等.中小学实验教学改革探索[J].中国教育技术装备,2008(5)

[2]艾伦,等.教育与信息技术的交叉理科与工科培养模式的结合[J].电化教育研究,2003(7)