乐高机器人对学生通用技术学科核心素养的作用分析

郭佳敏

(南京市江宁高级中学 江苏南京 210000)

以往教育中，大多数老师和学生集中精力在如何提高考试成绩和应试能力，对于其他方面，学生能力会忽视，信息时代对于对综合能力要求高。现代教育要进一步提高学生核心素养，综合素质，使学生拥有社会责任感和理想信念，具有终身学习能力和科学文化素养，同时，沟通能力和自主发展能力也需要锻炼。创新设计、工程思维、图样表达、物化能力、技术意识是通用技术学科核心素养五个方面。选择性必修“技术与工程”模块中包含“机器人设计与制作”。乐高机器人以其趣味性、便利性、创新性成为学科学习的理想载体，对培养高中生通用技术学科核心素养有着重要的意义，主要体现在以下五个方面。

1 培养学生的技术意识

技术意识是对技术现象及技术问题的感知与体悟。机器人是现代技术产品，发展迅速，应用广发，机器人的组装和运动控制涉及物理、机械、编程控制等各方面的技术，是硬件和软件结合的最佳载体。乐高机器人也是集合了电动马达、可编程主机，传感器、Lego Technic部分(齿轮、轮轴、横梁、插销)的统称。[1]

硬件方面，机器人通过齿轮、履带进行加速、减速、匀速运动，利用颜色传感器、触动传感器、红外传感器、转速传感器等各种传感器获取外界信息，通过程序控制做出反应。在组装机器人的过程中，空间想象能力、动手能力、设计制造能力均得到锻炼。

在软件方面，随着大数据、人工智能时代的来临，编程将影响每一个职业，高中生学习编程有助于培养学生的计算思维，但从学习途径上来看，应该以能激发学习兴趣的易操作的可视化编程模式进行入门学习。乐高EV3的编程模块即采用了可视化编程模组，通过拖拽方式使用编程控件，设置参数属性完成程序的编制，大大降低了高中生学习编程的难度，使得机器人编程控制真正实现了所见即所得。通过控件的时间、动作属性设置，让学生掌握了条件选择、循环控制等编程的常见流程控制方法。通过严谨和周密的思考训练了学生的逻辑思维能力。

学生在调试机器人的前进、后退、投放物品等各种行为时，自然而然理解了了面相对象的编程思维模式。让学生具备将客观现实世界中的实际问题转化为计算机处理流程的能力，从而理解机器人程序设计的本质是解放人类的双手，更好的为人类服务，培养了技术意识和科学探索的能力。

2 锻炼学生的工程思维

工程思维一种筹划性思维。以系统分析和比较权衡为核心。能领悟结构、流程、系统、控制等基本思想和方法并加以运用。乐高机器人比赛中一般围绕一个主题完成一系列任务，例如：灭火、取球、竞速、搬运等，必须具备项目化工程思维，按照项目规划、设计、实施、测试、运行、维护流程完成机器人的设计、组装搭建、程序编制、路线规划等子系统任务。通过不断调试优化，最终完成项目任务。

机器人执行所有动作的基础就是程序，这对于学生的逻辑能力有一定要求，工程思维很重要的一点也是逻辑思维，一个工程项目能顺利执行完成，严密的逻辑必不可少。

3 激发学生的创新设计灵感

创新设计在技术问题的基础上进行创新性方案构思的一系列问题解决的过程。乐高机器人的学习是以完成任务为目标导向，自学为主的学习模式，通过任务驱动充分调动了学习的积极性，给予了学生宽松、充分的发挥空间。乐高机器人的搭建是从基础模块开始的，但是一旦应用到具体场景之中，例如：如何用最少的搭建组合能完成更多的任务，从而在最短时间完成任务，往往需要突破常规的创新思维。[2]以2018年乐高机器人FIRST工程挑战赛“饮水思源”任务为例，需要学生研究改善人们运输、利用或处理水的方法，完成送水、降雨、过滤、水处理、更换水管、施肥、浇花的一系列任务。充分发挥了学生的想象力，激发了学生的创新意识。

兴趣是学生最好的老师，学生对自己感兴趣的东西愿意花费时间和精力，，乐高机器人是一种综合知识的实践产物，可以极大激发学生的兴趣。乐高机器人教育进入我国，最初目的就是为激发科技兴趣和创造潜力，乐高机器人教育是集编程原理、物理科学、教学知识、造型设计等一体的教育，是乐高的空间形象思维和逻辑思维的结合，因此能激发学生的创造力和潜力。

乐高机器人的编程是相对简单的图形化，有些部分有红外线感应器、摄像头等设备，需要同学们学习一些课外的基本原理，能激发同学学习新知识的欲望。

4 提高图样表达能力

图样表达是指运用图形样式对意念中或客观存在的技术对象进行可视化的描述和交流。乐高机器人的组件丰富多样，根据不一样的任务进行不同结构设计，同个任务不同小组方案往往大不相同。使用乐高专用设计软件，可以动态设计机器人图纸并完成虚拟组装，从而方便组员进行讨论。[3]乐高机器人最核心的部分是可编程主机，如果一个人想重头做机器人，需要大量专业复杂的知识，如基本电脑理论、电子电路、数字逻辑、机械力学等等，而乐高机器人设置了可视化编程模块，编程是图形化的，学生需要将图像中不同部分像搭积木一样搭出来，这对于提高学生的图样表达能力也有帮助。

5 训练学生的物化能力

物化能力指采用一定的工艺方法等将方案、意念转化为有用物品，对已有物品进行优化和改进的能力。独立完成产品或模具的成型制作、装配及测试。具有较强动手实践和创造的能力。乐高机器人的组成核心是一个可以远程写入程序的主机控制器，相当于机器人的大脑，机械部分由电动马达驱动，相当于机器人的心脏，其余部分包括：横梁、轮轴、轮胎、履带、齿轮、滑轮以及各种插件，组成机器人的身体和四肢，再加上各种传感器，能识别障碍物。组成乐高机器人的组件模块化程度高，搭建简单易学，组合方式千变万化，面对不同的应用场景组装的机器人各不相同，在不断分析、设计、组装、拆解、纠错完善的过程中，学生的动手能力得到大幅提高。[4]各个独特的机器人的成功搭建，让学生获得成就感和创造的乐趣，对培养高中生的机械组装能力大有裨益。能感悟到工匠精神对于技术制造质量的特殊作用，从而形成在物化过程中精益求精，细致严谨、追求非凡的工作态度。除了以上五大核心素养外，乐高机器人对团队协作能力培养也具有突出的作用，乐高机器人不是个体就可以玩转的项目，需要多名成员合作参与到过程之中，紧张激烈的乐高机器人比赛一般是由三或四人组队在规定时间和场景中完成各项任务。形成团队后，各个组员都有明确的分工，有的进行可视化EV3编程，有的对机器人进行机械组装，有的设计路线。只有团队成员紧密配合才能高效准确的完成高难度任务。机器人控制命令发出到实际行走的路线和动作与设想都会有偏差，学生需要及时进行沟通交流，相互协作，共同实现同一个目标。

内部交流在一个团队项目出现问题时很重要，能影响团队解决问题的速度。学生在进入团队的过程中首先要学会融合和交流。在乐高机器人团队协作过程中，同学们会逐渐形成合作意识，也可以培养一个学生的沟通能力。