浅议机器人教育中 高中生认知模型的优化

摘要：本文作者通过强化机器人教育的教学重点环节，构建理论与实践的“通路”，避免以往理论+解题技巧的“机械”模式，而采用理论+实践的“试错”模式，在即时错对的反馈之中，刺激认知模式的修正，以达到认识模式的优化效果。通过这类教学模式来深化三层认知理论结构，即直觉—逻辑—意义。在直觉与意义中，强化逻辑思考的能力、反思的能力，从而培养学生的计算思维，发展学生的核心素养。

关键词：机器人教育;教学模式;认知模式

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2021）08-0088-03

● 背景研究

1.新高考改革学生核心素养的培养

教育部印发的《关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》中，第一次提出“核心素养体系”这个概念。核心素养是指学生在接受相应学段的教育过程中，逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。核心素养的提出，明确了学校要培养什么样的人以及怎么培养。

2.学校教育存在实践教育的缺失

研究表明，学习的本质是迁移。而传统教育依托的是工业时代的教学模式，仅仅注重理论习得，不断通过“原理—习题—反思”这一模式培养学生的逻辑思维能力。随着大数据、人工智能、物联网等新兴技术的兴起，如今的时代对人才的需求以单一型转向复合型，即需要在理论中有钻研，同时又能在实践中有发挥的人才，也就是STEM型人才。

3.机器人教育在中学开展存在的误区

机器人教育是一门综合性的学科，涵蓋电子、技术、工程、数学、物理等各方面知识，开设机器人教育这一课程，目的是提升学生的反思能力，促进学生自主创新精神。但是学校或家长，往往将机器人教育功利化，将机器人教育作为便捷进入名校的敲门砖，忽视了机器人教育课程本身的魅力。

● 机器人教育及认知模型概念界定

高中阶段机器人教育的主要任务为指导学生设计自主运行的机器人并完成规定任务。内容包括两个方面：①机器人物理框架设计，包括材料、结构、电路等;②软件功能设计，包括任务的建模，算法的设计，程序的编写及调试、优化等。软件功能设计内容涉及计算机编程、牛顿运动力学、数学概率和统计等高中阶段的必修知识。因此，笔者将高中阶段的机器人教育聚焦于物理、数学与编程知识的融合。

认知模型是一个人在获得教育之后逐渐形成的对待周边的人或事的思考方式的规则。将这些规则组合在一起，就形成了个人的认知模型。由此可见，认知模型是学习者通过不断的实践，并且反思后形成的后天习得观念。因此，这种认知模型一旦建立，便很难动摇。人对事物的看法，经认知模型解释后，就会变成自身的行动纲要。高中生的认知模型正在由感性经验逐步提升至理性思考，可以将诸多问题统归为一类，思考解决方案，并设计和实现这一类问题的通用解决方案。传统的教育模式往往是通过讲道理、摆事实等方式提升学生的认知模型。定理—习题模式训练下的认知模型，往往会导致学生思维的僵化。因此，笔者尝试在机器人教育课程中，通过学生自主实践，逐渐了解认知模型的基本框架，寻找出其理性和非理性的要素，通过增强学生的反思能力，倒逼学生对原理的思考。

● 高中阶段机器人教育的实践研究

研究指出，学习是把个人经验放在社会规范中，与前人、他人的经验、理论进行比较和反思，由此获得清醒的“自我意识”，这是学习的本质和真谛。而实践则是完成迁移最有效的途径，也是获得自我意识、清晰观察自我认知模型的方法。实践的终极意义在于比较和反思，也就是将认知模型不断进行打磨，使之能更有效地抓住问题的关键。

从以上理论出发，笔者将高中机器人教育分成三个部分：①理论知识部分。②实践知识部分。③理论与实践相互验证的反思部分。理论部分向学生介绍机器人的工作原理、判断与识别、巡线与转弯、误差分析;实践部分则分为组装与调试、功能模块的实际测试、判断与模块组合运用、观察机器人运行情况与纠错;验证反思部分则强调将观察到的现象，运用自己已经掌握的理论知识（高中物理、数学、信息技术等学科知识），去解释误差缘由，并进行纠偏与调整。

在此过程中不难发现，高中阶段的机器人教育课程，更能体现出实践到理论的认知基本规律。在这个过程中，理论与实践相互验证的反思部分也能得到很好的锻炼，这有别于传统教学的模式。通过原理与实践的矛盾，倒逼学生进行反思，同时不断强化反思过程，提高反思能力，这是笔者通过机器人实践教学总结出来的一种行之有效的教学方法。

按照上述设想，理论搭建认知框架，实践检验认知程度。学生在理论课的认真程度、理解程度，会在实际操作中完全体现出来。很多学生发现机器人无法跟着自己设计的程序执行，不能巡线，不会转弯，甚至不会停止，状况百出。以机器人转弯问题为例，其关键的判断条件在于开始转弯的光电状态判断条件和停止转弯的光电状态判断条件。如果对基础原理，也就是黑白线的识别原理认识不清楚，会导致两类明显情况发生：①机器人根本没转弯;②机器人原地打转，无法停止。而此时学生能否反思和回溯问题本源，往往是解决问题关键。

在这一认知模式优化过程中，存在4个关键环节，如下图所示。

①发现问题。关键在于能仔细观察现象，并具体描述这一现象。

描述方法：感觉经验描述法（直觉法）、视频记录法（无限重复观察）、数学量化法（数学抽象与数据处理）。

②定位问题。关键在于能否运用认知模式去解释问题，也就是运用所学的物理、数学、计算机理论等知识去解释问题发生的原因。

例如，轮式机器人速度慢的问题，认知中心模型给出的直觉是提高马达的输出功率，但一个马达的输出功率是固定的，极限为100%输出。那么，在马达不变的情况下（机器人比赛限定机器人使用电压），能否加快速度？由此引出牛顿第二定律：F=ma。速度变化的快慢用加速度来衡量，通过牛顿第二定律可以发现加速度a与物体的质量成反比，因此，可以对轮式机器人的车体结构进行优化，减轻质量。

③解决问题。上述问题中轮式机器人的车体结构优化、减轻质量的策略被学生罗列了出来，紧接着螺丝质量问题、轮子质量问题、车体结构问题、舵机质量问题等一系列的思考也体现了出来。

④更新认知模式。通过“理论—实践—反思”构造了习得模式，更强化了学生运用现阶段的理论知识，而不是通过直觉经验来指导行为模式，从而优化了学生的认知模式。其最终效果是提升学生的综合素养。

● 高中阶段机器人教育实践的反思

从观察现象到解释原因（理论）再到应用（新现象）的过程符合教书育人的终极目标——让学生学会思考。黑格尔的肯定否定的矛盾辩证法认为，认知过程要经历肯定（教师理论知识讲解）、否定（实践运行的各类故障），通过仔细分析理论部分和自我的知识体系，得出改进的方法，最后又回到肯定这一认知。由此可见，在教育教学的过程中，学生的认知过程也需要否定，想让学生更好地掌握知识，有效的方式之一是将知识放置于一个矛盾的框架中，通过肯定、否定，不断促进学生反思，这是认知的矛盾发展，也是认知模式的优化过程。

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作者简介：廖作东，信息技术副高级教师，硕士，研究方向为教育技术。

基金项目：江门市教育科学“十三五”规划2019年课题“以机器人教育为依托的学科融合模式研究”（课题编号：jme19045）。