机器人教育中协作问题解决能力培养研究

马静哲

摘  要 信息技术的快速发展，使得协作问题解决能力已经成为新时代人才的必备技能。机器人课程作为一门综合实践性课程，是培养学生问题解决能力的有效载体。通过对协作问题解决能力内涵和协作问题解决一般过程的分析，结合机器人教育课程特点，设计培养学生协作问题解决能力模型，期望能够为教育创新和培养新型人才提供参考和帮助。

关键词 协作问题解决能力;机器人教育;核心素养;思维导图

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）05-0065-03

0 引言

随着科学技术的不断进步，人类进入信息时代，知识和技能的不断变迁使得未来工作环境更加复杂化，协作问题解决能力成为人才的必备技能，培养青少年的协作问题解决能力逐渐成为一项重要教育目标。2016年，我国发布《中国学生发展核心素养》，其中将问题解决作为“实践创新”核心素养的关键因素。由此可见，人才培养应顺应时代发展，将培养学生协作问题解决能力作为一项重要的教育目标。在此背景下如何有效地培养学生的问题解决能力，成为亟待解决的重要课题。

1 协作问题解决能力

协作问题解决的内涵  关于协作问题解决的内涵，学者的表述各不相同，但目前应用较为广泛的是“国际学生评估项目”（Programmer for International Student Assessment，简称PISA）对协作问题解决能力的定义：学生能够有效参与问题解决过程，能够在该过程中与他人共享解决问题时所付出的努力，并通过协作交流与他人共同制订解决方案，最终实现解决方案[1]。通过该定义可以看出，协作问题解决能力包含两个维度，即协作维度与问题解决维度，这一观点在早期的定义中也有所阐述。2011年，Griffin在ATC21S（Assessment and Teaching of 21st Century Skills，简称ATC21S）框架中将其划分为认知技能和社交技能两个层面，其中社交技能包括参与发表观点和任务完成，认知技能包括任务管理、知识建构与学习[2]。因此，在对学生协作问题解决能力的培养教学中可以分别从协作和问题解决两个维度进行。

协作问题解决一般过程  关于问题解决一般过程的研究已形成诸多理论，详细描述了学生在解决问题时各阶段所呈现的心理特征。1957年，Polya从教师授课角度出发，认为教师可以通过明确问题、制订计划、实现计划、反思回顾进行问题解决教学[3]。PISA测试中对学生的问题解决过程分为理解、描述、展示、解决、反思、交流六个步骤[4]。

综上分析，本研究将协作问题解决的一般过程划分为：问题的识别与定义→探索可能的策略→制订详细的行动计划→预测可能会出现的成果→实施行动→与同伴或教师交流反思协商行动成果并内化为自身知识，以供下一次解决问题使用。

协作问题解决能力培养研究现状  关于对学生问题解决能力的培养研究中，我国学者也先后提出多种方法。如马云鹏[5]在《小学数学教学论》中介绍了数学问题的解决过程和方法，并提出培养数学问题解决能力的教学策略。伍远岳等[6]从心理学视角提出能够促进问题解决的策略。张屹等[7]在小学三年级数学课中设计了APT教学模型培养学生问题提出能力与问题解决能力。

综上所述，我国目前对于学生问题解决能力的培养研究多数集中在单一学科领域，而现实生活中的问题往往会涉及多个学科领域，所以需要具有综合多学科领域内容的课程为载体，才能更有效地培养学生的问题解决能力。

2 機器人教育支持协作问题解决能力培养的可行性分析

机器人教育作为一门综合性学科课程，课程内容大致可分为两个层次：一是机器人基础知识课程，包括机器人原理、模型组装、动力机械的搭建，涉及物理、科学、工程学科等领域内容;二是机器人程序编写，包含机器人基础程序编写、电子元器件的操作控制、数据的处理等，涉及信息技术和数学等学科的内容。已有研究表明，机器人课程作为促进学生实践创新、协作交流的有效载体，可以从以下两个层面提升学生的协作问题解决能力。

1）教学目标层面，吴永和等[8]结合机器人教育的特点，从深度探究、生涯指导以及学习体验三个层面进行了机器人课程目标的设计。其中在学习体验角度着重强调了引导学生思考，能够独立发现、提出问题，并且可以积极参与协作学习、交流讨论等，以增强其科学探究能力。

2）学习形式层面，机器人教育作为一门可以支持多学科融合的活动课程，涉及任务的逻辑、系统处理、设计作品、测试与调试、迭代优化等。另外，学生在拼装、设计、程序的编写与运行、系统情境任务处理的过程中，能够培养自主设计开发能力、问题解决能力和计算思维，因此，机器人课程成为培养学生综合素质和问题解决能力的良好载体[9]。

3 协作问题解决能力培养模型设计

通过对问题解决能力的内涵与一般过程以及机器人教育进行分析，本研究以问题解决的一般流程为导向，按照教师行为和学生行为的双路径设计了协作问题解决能力模型。在此模型中，教师通过对机器人课程知识的梳理，选取合适的教学内容，创设学习情境，引导学生发现问题，开发配套资源，形成对问题的初步表征，通过设计不同的教学活动来丰富机器人教学过程，促进学生对问题解决策略的探索，制订解决方案，最后通过不同的评价活动以促进学生对问题解决过程进行反思。具体如图1所示。

设计配套资源，激发原有认知  学习者的已有认知结构是问题得以解决的先决条件[10]。面对同一问题，不同解决者的能力不同，高认知水平学习者和低认知水平学习者在解决问题时的最大不同就在于知识在其记忆中存储和提取的方式不同：认知水平较高的学习者善于将原有知识分层次按类别地组织，在提取时检索相关知识会更加清晰明确;而认知水平一般的学习者则是将原有认知杂乱无序地存储在记忆中，不便于提取和使用。另外，机器人教育课程本身所涉及的知识较为广泛复杂，不利于学习者对于知识的梳理。因此需要设计开发适应机器人课程学习的教学资源以帮助学生梳理知识，进而帮助学生解决问题。

1）课程前期。教师可以根据本节课所涉及的知识以书面文本、图片、视音频等形式进行整合，应包括模型搭建所需要的器材、模型所要呈现的功能和效果、涉及的编程程序、相关案例分析等。

2）课程后期。在学生完成作品时要为学生提供本节课程所涉及的内容总结。思维导图是一种能够将思维过程可视化的学习工具，可以帮助学生整理思维，组织知识结构。因此，可以在机器人课程结束时采用思维导图来梳理知识、总结课程内容，进一步帮助学生内化知识。

丰富教学过程，促进协作共享  要培养学生的协作交流能力，分组学习能够很好地解决这个问题。每位学生都是独立的个体，想要其进行合作协同解决问题，首先要将这些独立的学生分成多个小组，然后在分组合作学习的基础上组织一些能够促进学生进行知识共享的活动内容。如阶段性汇报，教师组织学生在特定的教学阶段进行阶段性汇报，阶段不同，所要汇报的内容亦不相同。例如：在课程中期，问题未得到解决之前，汇报内容应包括为解决问题所搜集到的材料、当前遇到的困难以及接下来要执行的计划方案等;在问题得以顺利解决之后，汇报内容则应包括解决问题所采用的策略方法，对问题解决过程产生的知识总结等。其他组内成员要对发表的观点提出建议或评价，该环节能够促进学生共享知识，保证每位小组成员不仅解决自己的问题，还参与其他成员的问题解决过程，以此大大增加每位学生接受的知识量。

多元评价交流，推动反思内化  反思是促进学生学习和发展学生能力的有效方式。在学生解决一定的问题之后，应引导他们对问题解决的过程、策略、方法和结果进行反思[6]。另外，机器人课程的评价内容具有特殊性且内容复杂，在知识技能方面包括对机器人基础知识的了解、对搭建零件的认识、模型的拼装和优化等;在思维能力方面包含团结协作，共同完成项目或竞赛的交流沟通能力、问题解决能力、模型搭建与改进的动手执行能力、方案设计的创新能力等。具体可以采用以下两种方式开展机器人课程的评价活动。

1）对知识技能方面进行评价时，教师可以设计与课程内容相匹配的作品评价表，评价表内容应包含学生基础知识的学习、模型的搭建和优化过程以及作品所实现的功能和效果，结合问题解决能力教师评价量表进行测量记录，并且将作品评价表和协作问题解决能力的测量结果反馈给每位学生，使学生能够清晰认识到机器人课程学习和问题解决情况。

2）对思维能力进行评价时，可以选择自我总结的评价方式。引导学生对本组作品进行分析，从机器人结构搭建过程、拼装优化、作品创新程度等方面进行分析汇报，回忆整个问题解决过程，并反思在整个问题解决过程中是否存在不足或者是否存在更好的解决方法。通过多种评价方式促进学生对问题解决过程进行反思，使本次问题解决所产生的知识能够迁移到下一次问题的解决过程中。

4 结语

协作问题解决能力作为当代社会人才的一种必备技能，也是一种促进学生终身学习和适应复杂工作环境的基础技能。本研究在对协作问题解决的内在机制以及学生协作问题解决的一般过程进行分析的基础上，设计了培养学生协作问题解决能力模型。但本研究目前尚处于理论分析阶段，在后续的研究中会进行机器人教学案例设计并进行实验验证，期望能够为教育创新和培养新型人才提供更多参考和帮助。

参考文献

[1]檀慧玲，李文燕，万兴睿.国际教育评价项目合作问题解决能力测评：指标框架、评价标准及技术分析[J].电化教育研究，2018（9）：123-128.

[2]Griffin P， Care E. Assessment and teaching of 21stCentury skills： Methods and Approach[M].Dordrecht： Springer，2015：3-33.

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

[4]杨学敬，徐斌艳.问题解决内涵的重构：来自PISA的启示[J].教育科学，2007（2）：32-35.

[5]马云鹏.小学数学教学论[M].北京：人民教育出版社，2013.

[6]伍远岳，谢伟琦.问题解决能力：内涵、结构及其培养[J].教育研究与实验，2013（4）：48-51.

[7]张屹，董学敏，陈蓓蕾，等.智慧教室环境下的APT教学对小学生问题提出与问题解决能力的培养研究[J].中国电化教育，2018（4）：57-65.

[8]吴永和，李彤彤.机器智能视域下的机器人教育发展现状、实践、反思与展望[J].远程教育杂志，2018（4）：79-87.

[9]杨玉芹，龙彦文，孙钰峰.小学生计算思维培养的过程和策略研究：基于对武汉市从事机器人教育的26位教师的深度访談[J].电化教育研究，2019（12）：115-121.

[10]樊雅琴，黄若琳，崔迎，等.STEM教育背景下学生问题解决能力的培养[J].现代教育技术，2019（1）：114-119.