機(jī)器人項(xiàng)目對青少年工程思維培養(yǎng)的促進(jìn)作用

凌倩

摘 要：教育部2018年1月16日發(fā)布的《普通高中課程方案和語文等學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中已將“機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作”模塊搬入高中信息技術(shù)教材，如今機(jī)器人教育逐漸成為教育界關(guān)注的熱點(diǎn)。開展機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)究竟有什么實(shí)際意義？對青少年能力的培養(yǎng)有哪些增益？本文將從工程思維培養(yǎng)的角度，去闡述開展機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人項(xiàng)目;工程思維;培養(yǎng)與促進(jìn)

中圖分類號：TP24-4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）08-0239-02

1 培養(yǎng)青少年工程思維的重要意義

1.1 工程思維的概念

工程思維是指按照某一特定的目標(biāo)，遵循一定的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)投入生產(chǎn)或建設(shè)，直至制造出產(chǎn)品供應(yīng)社會或建成設(shè)施投入運(yùn)營，這類實(shí)踐活動相應(yīng)的思維方式。

如果說中國的基礎(chǔ)學(xué)科教學(xué)注重的是科學(xué)家的培養(yǎng)，那么國外一些發(fā)達(dá)國家的基礎(chǔ)教學(xué)理念更偏向于工程師的培養(yǎng)?？茖W(xué)家會證實(shí)這件事可以不可以做，工程師需要明白具體怎么做。正如機(jī)器人FLL工程挑戰(zhàn)賽，每年9月份，F(xiàn)IRST LEGO League向全球參賽隊(duì)伍公布年度挑戰(zhàn)項(xiàng)目，鼓勵孩子們通過對機(jī)器人的設(shè)計(jì)、搭建、編程工作來解決現(xiàn)實(shí)世界中的問題，從科學(xué)思維角度僅僅是需要驗(yàn)證這個(gè)方案能不能實(shí)現(xiàn)，而工程思維是需要了解用什么技術(shù)來實(shí)現(xiàn)它。我們不難看出，機(jī)器人項(xiàng)目的教學(xué)過程旨在培養(yǎng)一種解決問題的能力即培養(yǎng)工程思維的過程。

1.2 培養(yǎng)青少年工程思維的重要意義

1.2.1 是培養(yǎng)青少年綜合素質(zhì)的需要

素質(zhì)教育是把人的全面發(fā)展作為教育的出發(fā)點(diǎn)和歸宿點(diǎn)，提倡素質(zhì)教育就是要使每一個(gè)青少年先天優(yōu)勢得以充分的發(fā)展，同時(shí)使他們獲得各種優(yōu)秀品質(zhì)。以機(jī)器人教育為載體，開展青少年工程思維能力的培養(yǎng)是綜合素質(zhì)教育的需要。這種方式同樣有利于培養(yǎng)青少年的科學(xué)精神和科學(xué)作風(fēng)。機(jī)器人制作與實(shí)踐所需要的嚴(yán)謹(jǐn)性、精確性、可靠性，不僅有嚴(yán)密的邏輯推理，還要經(jīng)過反復(fù)的實(shí)踐驗(yàn)證，有助于培養(yǎng)青少年形成治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)。

1.2.2 是對未來人才提出的新要求

在我國，工程思維的缺乏導(dǎo)致不少初出茅廬的畢業(yè)生眼高手低，面臨著就業(yè)難等問題。即使是大學(xué)培養(yǎng)出來的一些學(xué)生也還停留在按部就班的程度，卻從未反思過為什么這么做？是否根據(jù)環(huán)境的變化，改進(jìn)流程，提高效率？而今科學(xué)思維，也就是批判性思維被人們不斷提起，但是工程思維卻常常被忽略。特別是中小學(xué)生階段，我們的青少年往往被灌輸一種標(biāo)準(zhǔn)化的解題方式，這種被大多數(shù)人看來已經(jīng)習(xí)以為常的教育，竟沒有被深究過，殊不知社會上出現(xiàn)的問題，大多是沒有標(biāo)準(zhǔn)答案的，這讓孩子們長大后將何去何從？而良好的工程思維能力能夠反映出來的這種解決問題的能力，正是我們需要從小培養(yǎng)的，是當(dāng)今社會對未來人才提出的要求。

1.2.3 是提高教學(xué)有效性的關(guān)鍵

科技的發(fā)展日新月異，知識也在不斷地推成出新，當(dāng)今的有效教學(xué)應(yīng)從“學(xué)會學(xué)習(xí)”這種能力著手。工程思維是基于真實(shí)的、實(shí)際的問題解決方案，有利于青少年主動地、目標(biāo)明確地獲取知識。因此解決了工程思維的培養(yǎng)問題即解決了教學(xué)的有效性。不難發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人項(xiàng)目的開展一直是圍繞著解決實(shí)際問題展開的探究式學(xué)習(xí)，在整個(gè)探究過程青少年通過不斷思考、反復(fù)嘗試，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整方案，解決矛盾沖突，合理利用現(xiàn)有資源與時(shí)間完成指定任務(wù)，需要具備動手能力與運(yùn)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編寫程序完成實(shí)際任務(wù)的能力。這種發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題和解決問題的學(xué)習(xí)過程即是我們所需的有效教學(xué)的過程。

1.2.4 是提高教學(xué)可操作性的途徑

近年來，伴隨著社會各界對科學(xué)教育質(zhì)量要求的不斷提升，美國國家研究協(xié)會出臺了《K-12年級科學(xué)教育框架》，該框架圍繞“科學(xué)和工程實(shí)踐、跨學(xué)科的概念、學(xué)科核心觀念”的維度組織，著重體現(xiàn)了注重實(shí)踐操作并讓青少年在較少內(nèi)容上實(shí)現(xiàn)真正學(xué)習(xí)。該框架將工程教育納入到了K-12年級的科學(xué)教育中，2017年頒布的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中提出了“技術(shù)和工程”這一新的領(lǐng)域。為如何進(jìn)行科學(xué)探究指明了實(shí)現(xiàn)途徑，使抽象的理論找到了實(shí)踐的落腳點(diǎn)，提高了教學(xué)的可操作性。

2 開展機(jī)器人項(xiàng)目對青少年工程思維培養(yǎng)的促進(jìn)作用

2.1 中小學(xué)階段機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)的內(nèi)容與形式

工程思維培養(yǎng)必須從娃娃抓起，中小學(xué)階段機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)的內(nèi)容包括機(jī)械搭建、傳感技術(shù)、工藝設(shè)計(jì)、程序編程等。形式主要有：機(jī)器人競賽項(xiàng)目，比如全國青少年機(jī)器人競賽、全國中小學(xué)電腦制作活動;另一方面在教育部的推動下，“機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作”模塊陸續(xù)搬入信息技術(shù)課堂;再者，近年來在全國范圍內(nèi)全面鋪開的校內(nèi)課后服務(wù)活動中，開展了各種以培養(yǎng)青少年綜合能力為目的的機(jī)器人項(xiàng)目。機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)的普及讓神秘又遙不可及的機(jī)器人技術(shù)走進(jìn)校園，對青少年工程思維的培養(yǎng)起到很好的促進(jìn)作用。

2.2 機(jī)器人項(xiàng)目實(shí)踐有效促進(jìn)了青少年工程思維的培養(yǎng)

工程是指人類為實(shí)現(xiàn)自己的需要，對已有的物質(zhì)材料和生活環(huán)境加以系統(tǒng)性的開發(fā)、生產(chǎn)、加工、建造等實(shí)踐活動。其中，工程設(shè)計(jì)就是指導(dǎo)這整個(gè)過程的方案，而這個(gè)方案不僅要涉及自然科學(xué)和技術(shù)專業(yè)的知識和經(jīng)驗(yàn)，并且還會涉及社會科學(xué)、人文科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等。機(jī)器人項(xiàng)目實(shí)踐則是運(yùn)用指定品牌的機(jī)器人設(shè)備以實(shí)現(xiàn)某項(xiàng)任務(wù)目標(biāo)去設(shè)計(jì)拼裝機(jī)器人，并輸入編寫好的程序在控制器與傳感器的配合下去達(dá)到完成任務(wù)的目的。而這個(gè)過程教會青少年能夠把學(xué)到的知識應(yīng)用于解決問題方面，是技術(shù)與工程領(lǐng)域的一個(gè)核心內(nèi)容。

在機(jī)器人教育中，機(jī)器人主體設(shè)計(jì)能夠很好地鍛煉青少年的工程思維。期間青少年必須根據(jù)目標(biāo)要求系統(tǒng)地、綜合地、有創(chuàng)造性地完成主體設(shè)計(jì)，然后使用機(jī)器人套裝的組件去完成主體的搭建工作，而搭建組裝的過程會涉及到機(jī)械、電子、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)控制理論、傳感檢測、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多門學(xué)科的綜合運(yùn)用，而這僅僅是第一步。機(jī)器人主體設(shè)計(jì)還需要在接下來調(diào)試機(jī)器人的過程中不斷修改完善。這整個(gè)過程不僅能夠很好地體現(xiàn)工程設(shè)計(jì)的思想，同時(shí)也是訓(xùn)練工程思維的有效途徑。

程序編寫是機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)的核心。程序編寫本身就需要掌握程序語言、算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等諸多領(lǐng)域的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)。而在機(jī)器人競賽項(xiàng)目中青少年還需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)行線路，根據(jù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)編寫相應(yīng)的程序，以達(dá)到完成競賽任務(wù)的目的。程序編寫的過程可以鍛煉青少年嚴(yán)謹(jǐn)仔細(xì)的個(gè)性，能夠增強(qiáng)青少年的邏輯思維能力，對工程思維的培養(yǎng)亦有很好的促進(jìn)作用。

系統(tǒng)調(diào)試是機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)的關(guān)鍵，也是最能培養(yǎng)青少年能力的環(huán)節(jié)。青少年可以通過反復(fù)測試，分析現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題，提出修改方案及時(shí)調(diào)整，使機(jī)器人表現(xiàn)出最佳狀態(tài)。系統(tǒng)調(diào)試可以從實(shí)踐性、實(shí)用性、綜合性視角有效地培訓(xùn)青少年的工程思維。

3 機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)對培養(yǎng)青少年工程思維需避開的誤區(qū)

3.1 忽視了對青少年能力的培養(yǎng)

機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)綜合了機(jī)械、電子、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)及人工智能領(lǐng)域的各種最新成果，機(jī)器人競賽從機(jī)器人項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試到參賽，具有實(shí)踐性強(qiáng)、探索性強(qiáng)和綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)。旨在加強(qiáng)青少年對各方面知識的綜合理解與運(yùn)用，激發(fā)青少年求知欲，提高青少年團(tuán)隊(duì)合作能力，以達(dá)到進(jìn)一步開發(fā)青少年工程思維能力的目的。但目前很多實(shí)施機(jī)器人教育的學(xué)校與機(jī)構(gòu)以競賽成績作為主，吸引兒童與青少年參與。從機(jī)器人的設(shè)計(jì)到編程基本上都是由老師來完成，青少年只管比賽時(shí)候開機(jī)擺位置。盡管在短期內(nèi)能獲得所謂的成績及名次，但這種“投機(jī)取巧式”的賽前準(zhǔn)備也限制了對青少年創(chuàng)新能力的開發(fā)和培養(yǎng)，對于機(jī)器人教育的長遠(yuǎn)發(fā)展是不利的。

3.2 缺乏專職機(jī)器人教育的輔導(dǎo)教師

由于編制、職稱、政策、待遇等問題，大多數(shù)學(xué)校不會專門招聘有機(jī)器人教育資質(zhì)的科技輔導(dǎo)教師，一般都由信息技術(shù)教師或物理教師兼任，或只是委托學(xué)校年輕教師擔(dān)任，老師們?yōu)榱寺毞Q評審的需要，也僅僅是短暫從事青少年機(jī)器人教育工作。另一方面，國家對機(jī)器人教師尚沒有專門的職稱評定，對相關(guān)機(jī)構(gòu)的開設(shè)也沒有專門的資質(zhì)要求。導(dǎo)致機(jī)構(gòu)中擔(dān)任機(jī)器人指導(dǎo)教師的這一批年輕人，大部分沒有經(jīng)過專業(yè)的機(jī)制培訓(xùn)，知識技能還是在師傅帶徒弟這種傳統(tǒng)的模式下學(xué)習(xí)的。從事該方面教育的輔導(dǎo)員不僅對機(jī)器人教學(xué)沒有一個(gè)比較統(tǒng)一的理念和教學(xué)目的，還存在著流動性大，責(zé)任心不強(qiáng)等問題。這對以培養(yǎng)青少年工程思維為目的的青少年機(jī)器人教育是極為不利的。

3.3 國內(nèi)環(huán)境影響制約著機(jī)器人教育的發(fā)展

受國內(nèi)大環(huán)境的影響，國產(chǎn)硬件及機(jī)器人系統(tǒng)上遠(yuǎn)落后于一些國際一線品牌。比如樂高的NXT、EV3、EV5機(jī)器人教育套裝，以其專利積木為核心，零件種類多達(dá)2000多種，質(zhì)量要求嚴(yán)格，具有非常高的靈活度和可塑性，自由發(fā)揮的空間很大，同時(shí)該教育套裝編程環(huán)境豐富、上手快，適合不同的年齡層次。因此，從2001年中國青少年機(jī)器人競賽創(chuàng)辦初期，西覓亞科技有限公司可以說在很長時(shí)間內(nèi)一直獨(dú)霸中國機(jī)器人市場。這也是導(dǎo)致機(jī)器人設(shè)備價(jià)格長期高居不下的原因之一。隨著機(jī)器人教育的蓬勃發(fā)展，國內(nèi)各種機(jī)器人廠商如雨后春筍般層出不窮，但這些以競賽為目的生產(chǎn)、研發(fā)的機(jī)器人系統(tǒng)通用性、組合性較差，且編程環(huán)境選擇面窄，局限性大。有些競賽項(xiàng)目如二對二機(jī)器人足球項(xiàng)目和二對二機(jī)器人籃球項(xiàng)目甚至是需年年更新，重復(fù)性投資且價(jià)格昂貴。機(jī)器人競賽項(xiàng)目為了扶持國內(nèi)企業(yè)，近年來新增賽事已逐步向國內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)品傾斜。而在利益的刺激下有些商家將原本以培養(yǎng)青少年工程思維等綜合能力為目的的競賽變成各種設(shè)備的財(cái)力比拼。更甚者有搭配比賽項(xiàng)目方案進(jìn)行更新捆綁銷售，這種現(xiàn)狀會將“機(jī)器人教育以培養(yǎng)青少年工程思維能力為目的”徹徹底底變成了一種有名無實(shí)的噱頭，最終將制約著機(jī)器人教育的健康成長。

3.4 對機(jī)器人教育存在片面認(rèn)識

在輔導(dǎo)機(jī)構(gòu)遍地開花的中國，青少年學(xué)習(xí)壓力大時(shí)間少。機(jī)器人教育在很多家長眼中變成了與學(xué)習(xí)對立的一種學(xué)科。在每一個(gè)被沉甸甸的書包壓住的孩子心里，他們或許已經(jīng)擠不出更多的時(shí)間去探索機(jī)器人的奧秘。雖然近幾年來，我們機(jī)器人教育也在蓬勃發(fā)展，相關(guān)機(jī)構(gòu)層出不窮。但大部分家長和孩子都是秉著偶然玩玩、練練動手能力的心態(tài)參加，往往很快就放棄了。若沒有中高考加分，沒有特長生錄取，能鼓勵孩子堅(jiān)持學(xué)習(xí)機(jī)器人的家長寥寥無幾。工程思維的培養(yǎng)過程需要調(diào)動各種感官去經(jīng)歷，用自己的心靈去感悟，經(jīng)過失敗與成功的磨練。而機(jī)器人項(xiàng)目探究經(jīng)歷的這種由思考到實(shí)踐，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)確定方案到最后實(shí)施完成的過程恰是提升青少年工程思維能力的煉金爐。但這種培養(yǎng)是需要反復(fù)去磨練的，時(shí)間的缺失讓原本需要親力親為的探究過程變成照樣畫葫蘆或人云亦云，很大程度制約了青少年的創(chuàng)造力，減少了應(yīng)有的挫折感，從而弱化了對兒童及青少年工程思維的培養(yǎng)。

4 結(jié)語

機(jī)器人技術(shù)已走進(jìn)我國大部分的省市中小學(xué)信息技術(shù)課程，截至至2018年全國開設(shè)機(jī)器人專業(yè)的大學(xué)院校多達(dá)87所。但作為新興學(xué)科，機(jī)器人項(xiàng)目尚缺乏對該項(xiàng)目核心價(jià)值的界定與研究，而如何運(yùn)用機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)手段培養(yǎng)青少年工程思維，將素質(zhì)教育落實(shí)到實(shí)處，是一項(xiàng)很有意義的事業(yè)。

參考文獻(xiàn)

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