“四位一体”的中小学机器人教育框架设计

【编者按】近年来,随着基础教育新课程改革的不断深入实施,我国中小学机器人教育也有了较快发展,其教育价值已获得社会认可。然而,审视我国中小学机器人教育,还存在诸多问题。南京师范大学教育科学院钟柏昌教授探讨了“四位一体”的中小学机器人教育框架与思路,在后续文章中将逐一介绍他们课题组在温州中学、温州实验中学等校开展的各项教学实验。

钟柏昌

(南京师范大学教育科学学院, 210097)

摘要: 中小学机器人教育是信息技术教育的生长点和制高点,如何推广普及尚有诸多需要探索的理论与实践难题,而“四位一体”的中小学机器人教育试图破解这些难题。所谓“四位一体”,涉及重创造的教学目标、聚类化的教学方法、整合性的教学内容和开源性的软硬件平台等四个维度,其基本含义是:为了充分发挥机器人教育的价值,应围绕创造能力的培养为中心,以聚类化的项目教学为重要教学方法,以多学科的整合为基本教学内容,以开源软硬件为基础教学平台。

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关键词 :四位一体 中小学机器人教育 STEM 教育

机器人教育强调手脑并用,是培养学生创新实践能力的重要途径,是实现“制造”大国迈向“智造”大国的教育基础之一。

一、国内外中小学机器人教育现状简述

在国外,机器人教育一直是个热点,而美国是当之无愧的引领者。早在1994 年麻省理工学院就设立了“设计和建造LEGO机器人”课程,目的是提高工程设计专业学生的设计和创造能力, 尝试机器人教育与理科实验的整合; 麻省理工学院媒体实验室“终身幼儿园”项目小组开发了各种教学工具, 通过与著名积木玩具商乐高公司的紧密合作,开发出可编程的乐高玩具,帮孩子们学会在数字时代进行设计活动。现阶段, 美国基础教育中的机器人教育主要有四种形式:一是机器人技术课程,主要为选修课;二是课外活动,类似我国的综合实践活动课程; 三是机器人主题夏令营等定期活动; 四是利用机器人来辅助其他课程的教学或者作为一种研究工具来培养学生的探究能力,同时学习机器人的技术知识。其中,把机器人教育列入课程,以课程为载体让学生系统地、有步骤地学习和应用机器人技术,是开展机器人教育的最佳形式,也是目前美国机器人教育的发展趋势。例如:南卡罗莱纳州在技术教育中,要求学生了解自动化技术与机器人技术; 加利福尼亚州在为高中生开设的工程与技术选修课程中,提供了ROBOTICS 课程。整体而言,美国的机器人教育具有如下特点: 机器人教育形式多样,“做中学” 培养学生自主创造的能力, 课程内容具有明显的学科整合性和应用性, 并涉及机器人技术的最新成果。这些特点对我国中小学机器人教育的普及具有启发意义。

国内基础教育领域有关机器人教育的实践可以追溯到2000 年, 北京市景山学校以科研课题的形式将机器人教育纳入信息技术课程中,在国内率先开展了中小学机器人课程教学。2001 年, 上海市西南位育中学、卢湾高级中学等学校开始以“校本课程”形式进行机器人普及教育的探索和尝试。随后,越来越多的学校开始了各具特色的机器人校本教育课程的实践探索。但整体而言,国内基础教育领域有关机器人教育的现状,竞赛模式依然占据绝对的主导地位。据统计,广州市有90%以上的学校希望开展机器人实验项目, 但广州市1605 所中小学、175万多名学生、10 万多名教师中, 目前只有116 所学校开展了机器人实验活动,569 名学生和152 位教师参加了机器人教学及竞赛。这说明即使在经济发达地区,中小学机器人教育的普及率依然很低;在已经开展了机器人实验的学校,也只限于在兴趣小组中开展教学和参加各种机器人竞赛,真正能接触到机器人的学生和教师相当少。这不仅浪费了教育资源,也有违教育公平。有意思的是,国内有关机器人教育的研究文献,也主要集中在对竞赛模式的反思,但囿于硬件平台等的阻碍, 在普及教育方面未有质的突破。正因为此,本研究将为此提供一种可供参照的实践思路。

二、我国中小学机器人教育中存在的问题分析

根据前期文献调研,以及通过组织开展全国中小学机器人教学展评活动所了解到的一手信息,我们认为我国中小学机器人教育主要存在如下问题:

其一,机器人产品缺乏规范。目前国内生产教育机器人的厂商比较多,各品牌大多自成体系,互不兼容。针对不同的实验项目,学校往往要购买不同的产品,而且要年年购买,重复性投资,这就使得学校器材的配备和更新难度增大; 并且机器人产品形式固定,开拓性和扩展性不够,不能充分展现学生的创造性。有些学校选取了虚拟机器人平台,但是虚拟机器人在提高学生动手能力和空间发展能力上略有不足。

其二,教学内容过于强调机器人学科本位的知识和技术。机器人是一门涉及运动学和动力学、系统结构、传感技术、控制技术等多领域的交叉学科,其教育实施正是促使学生整合科学、技术、数学领域的知识,然而我国的机器人教育还处在以传授机器人知识和技术为核心的初步发展阶段,而很少关注机器人所涉及的其他学科内容。

其三,机器人实验项目的重复性。学校在开展机器人教学时教师一般会参考当前比较流行的机器人竞赛项目来开展教学,或者局限于循迹、避障等学科本位的内容为教学项目。尽管这些项目可以让学生习得一定的机器人知识和技术,但是这些教学项目是重复性的、验证性的,并不利于学生创造力的培养。

其四,机器人教学以竞赛获奖为价值取向。目前学校在开展机器人教学时,通常的做法是由学校购买几套机器人器材,在教师的指导下组织学生进行机器人的硬件搭建以及程序的编写,然后参加一些相关的机器人竞赛;而竞赛的获奖措施又使得比赛具有较强的功利性,其公平、公正以及对学生能力的考核面临着质疑,也不利于学生创新能力的培养。换言之,当前中小学机器人教育主要以兴趣班或竞赛形式开展, 受益面窄,无法惠及大多数学生且不利于学生全面发展。究其原因,一方面是因为开展机器人教育所需要的硬件平台比较昂贵甚至需要专用教室,不适合大面积普及;另一方面,机器人教学以竞赛获奖为价值追求,本身也是应试教育大环境的必然产物,是功利教育价值观的一种体现。

因此,要实现机器人的普及教育,首先需要研究机器人平台环境的设计要求和评估指标, 选择适合普及教育的机器人产品;其次,需要选择和设计满足创新教育需求的机器人教育内容和教学方法;最后,必须要有合理的教育目标定位,摆脱竞赛训练主导的应试教育模式。基于这样一个背景和认识,我们提出了“四位一体”的机器人教育框架,并通过对机器人产品的市场调研、测评和不同维度的教育实验,为我国中小学机器人教育实践提供示范案例与经验启示。

三、“四位一体”的中小学机器人教育框架解析

所谓“四位一体”,涉及重创造的教学目标、聚类化的教学方法、整合性的教学内容和开源性的软硬件平台等四个维度。其基本含义是: 为了充分发挥机器人教育的价值,应围绕创造能力的培养为中心,以聚类化的项目教学为重要教学方法,以多学科的整合为基本教学内容,以开源软硬件为基础教学平台,如下图所示。

所谓“重创造”,涉及机器人教育目标的定位。应该说,从教育目标定位的角度看,人们都已认识到通过机器人教育来激发和培养学生创新能力的重要性,这个整体目标是没有争议的,而问题在于达成这一目标的具体手段往往欲速而不达。犹如素质教育目标之于应试手段的关系,机器人教育活动当中也存在目标与手段脱节的问题,一个典型的表现即在教学活动中充斥着大量重复性实验、机械性模仿的学习活动。例如,教学活动以循迹、走迷宫等“老套”内容为主,或者局限于追求速度和精确性的设计, 或者落入“示范—模仿操作”的窠臼,未能关注机器人技术更为广泛的社会应用,未能真正激发学生的发散思维和迁移应用能力。此类教学的长期持续,不可避免地会将机器人教育的核心目标演变为对机器人技术原理的理解,从而将创造性能力的培养束之高阁或流于表面,犹如中小学信息技术课程发展之初的状态。我们认为,有必要将目标重新定位为通过创造来发现机器人技术的价值,使机器人教育真正成为培养学生创造能力的一个重要阵地。以常规的循迹实验为例,我们可以使学生理解机器人循迹的技术原理,却没有引导学生走向生活应用,体验机器人的技术魅力与社会价值,而如果在循迹的基础上做创新设计,如引导学生设计自动黑板擦或自动吸尘器的原型,对学生创新能力的培养将更具价值。当然,这并不表明我们试图培养具有“类创造”(超越人类社会既有人造物的创造)能力的发明家,而是希望鼓励学生在“内创造”(基于个体经验范围内的创造)的过程中获得发散思维和实践创作能力的提升。进一步说,机器人教育与其他载体的信息技术教育的最大不同,在于其蕴含了独特的教育价值。在信息技术课程里面,每个部分都应有其独特的技术思想和教育价值。比如说多媒体制作课程, 其核心是设计思想,可以培养学生的设计思维和设计能力;程序设计课,其核心是算法思想,可以培养学生的算法思维或者说狭义层面的计算思维。那么机器人课程呢? 它至少有两个核心思想———自动控制理论(或智能控制理论)与工程思想。其中,自动控制理论是研究动态系统在变化的环境条件下如何自动保持平衡状态或稳定状态的科学思想;而工程思想的核心就是利用工程方法创造新的人工制品(人造物),在机器人课程里面就是创造新的自动或智能控制系统,而且这一创造过程受现实物理条件的制约,需要考虑边界条件和可能失败的情形,需要决定哪些细节需要强调哪些细节可以忽略, 需要与现实妥协。机器人课程要体现这些本质,必须鼓励学生开展多样化的创新实践,以培养学生的创造能力作为第一要义。

所谓“开源性”,涉及机器人平台环境的选择。市场中面向教育的机器人产品多种多样,没有哪一种产品可以独步天下,应允许多样化的存在,但是哪些类型的产品适合课堂普及教育,需要有一些关键指标对其电子元器件、编程环境、外形结构进行测评。我们认为,教育机器人除应满足《国家玩具安全技术规范》等强制性国家标准外,结合基础教育的特点,可重点考察如下指标:(1)经济性。机器人及其配件价格低廉,甚至部分配件可由教师自制或进行二次开发。(2)方便性。方便装备和使用,甚至可以在现有学校计算机房中开展实验而无需专用教室。(3)功能性。交互性强,配件丰富,编程环境友好,运行速度快,可以支持各种创意设计。(4)稳定性。搭建的机器人结构稳定,材质较好,接口不易磨损,元器件性能稳定。(5)规范性。具有统一的技术标准。(6)教育性。元器件封装程度和功能设计符合科学性和教育性要求,能正确地向学生传递科学知识,适应适用学段学生的认知水平,并有丰富的共享资源供师生学习、参考。以这些指标为参考基础,我们认为,就普及教育需要而言, 以Arduino 为代表的开源机器人套件是目前最为理想的选择。Arduino 有诸多优势,如有统一的技术标准,且国际通用;开源的软硬件平台,不被某个厂商所垄断,且有丰富的应用案例可借鉴;性能卓越,而价格低廉;操作简单,有代码式和可视化的编程环境(如S4A 和ArduBlock)供选择,即使没有编程经验的人也容易操控Arduino 机器人;具有很好的兼容性,不仅可以与Scratch、Flash、Android、Processing 等编程环境结合,还可以与3D 打印机和其他品牌机器人套件结合起来制作有创意的作品。事实上, 由于Arduino的良好兼容性,已有不少机器人品牌公司已在或计划在原有产品基础上开发Arduino版本的机器人套件;此外,它还具有很多功能强大的扩展模块, 可以控制直流电机、网络通信等,有利于开发个性化的创新教学项目,等等。

所谓“整合性”,涉及机器人教学内容的定位。“整合性”一方面说的是机器人作为一个科技产品本身就是多学科综合的产物,对于机器人的学习和了解需要涉及多个学科的知识; 另一方面说的是机器人作为一种创新教育平台, 可以设计和开发出能解决实际问题的智能人造物, 而这一设计和开发过程与我们所熟悉的程序设计不同,它常常需要涉及Science(科学)、Technology,(技术)、Engineering(工程)、Mathematics(数学)等多个学科知识的综合应用,因此也是开展STEM 教育的重要抓手。换言之,我们所主张的中小学机器人教育,要避免片面强调对机器人技术本身的学习(如机器人竞赛教学模式),不局限于循迹、避障等机器人学科本位的内容, 而是将机器人视作建立学科联系的纽带和载体,树立机器人教育面向生活应用的特色,树立以培养学生运用机器人感知世界和改造世界为目标的机器人教育的整合取向,把学生学习到的零碎知识与机械工程经验转变成一个探究世界相互联系的不同侧面的过程,获得设计能力、合作能力、问题解决能力和实践创新能力的综合提升。

所谓“聚类化”,涉及机器人教学方法的选择。人类学习具有“聚类”特点,不管是新知识的获取还是原有知识的同化,都习惯以“类”为依据进行加工、存储和提取。教学设计与实施也理应体现这种逻辑,以某种聚类方式将相关学习内容连成组块,从而在局部上聚类知识内容,在宏观上形成课程内容的集合,逐步呈现给学习者,从而达到较好的教学效果。根据我们已有研究,大致有三种聚类方式:以相似的功能、相似的技术思想、相似的目标聚类;而从教学组织形式的角度看,基于项目的学习不仅符合这种有可视化成果产出的教学, 而且具有广泛的包容性,能够根据需要选择任何一种聚类方式。例如,以相似的功能(实现台灯的自动开启和关闭)来聚类设计智能台灯项目,可以分别采用光敏、声控、温控等单一传感器或不同传感器组合来实现,将机器人的各种元器件及解决问题所需的相关学科知识逐一卷入项目的学习中。以此为例,还可设计出智能热水器、智能风扇、自动浇水花盆等创意项目,引导学生在举一反三的基础上产生自己的创意作品。

四、“四位一体”指导下的机器人教学的特点分析

本研究在吸取实验教学和项目教学两种教学优势的基础上,结合最近发展区的理论,构建了一种改进型的项目教学———基于聚类化项目的教学(简称“聚类化项目教学”),即将具有内在联系的一系列项目集合成一个完整的、具有螺旋上升和发散结构的教学单元,让学生在最近发展区中不断扩散出新的创意,循序渐进地进行项目式学习。

也就是说,从教学形式的角度看,聚类化项目教学具有项目化和聚类化两大特点。

项目化,就是将机器人教学内容以项目的形式呈现,强调学生的实践创作和解决实际问题的能力;聚类化,就是根据教学项目的内在联系,以某种线索将教学项目集合成一个完整的、具有螺旋上升和发散结构的教学单元,学生在一类项目中可以自由发散和迁移所学到的知识,实现“聚”与“散”的辩证统一。前文提到,聚类大致有三种线索:以相似的功能聚类,以相似的目标聚类,以相似的技术思想聚类。其中,以相似的功能聚类,是通过设计某些问题解决任务,将技术工具所具有的相似功能集合在一起,达到功能操作和问题解决的融会贯通; 以相似的目标聚类,即使用不同的技术工具解决相同或相类似的问题,以问题为依据聚类不同的技术工具及其使用方法; 以相似的技术思想聚类,是将具有相同技术思想的技术工具挖掘出来,以丰富多样的技术活动表达出来,可以达到举一反三的效果。在聚类化思想下,我们目前已经设计了LED 灯、风扇以及小车三个聚类化项目,以相似功能(智能灯)聚类的LED 灯项目为例,可以分别采用光控、声控、按钮等单一传感器或不同传感器组合来实现,将机器人的各种元器件及解决问题所需的相关学科知识逐一卷入项目的学习中。

从内容选择的角度看,聚类化项目教学关注了知识的完整性和系统性。本研究参考中国教育技术协会信息技术教育专业委员会研制的《基础教育信息技术课程标准(2012)》所设计的机器人模块内容,使整个教学项目合理覆盖相关知识点,使聚类不仅发生在教学项目层面,在知识点层面也有合理聚类,并尽量减少项目之间知识点重复学习的问题。

从内容组织的角度看,聚类化项目教学强调基础性和拓展性的结合。本研究将采取“基础项目+ 拓展项目”的方式,确保知识学习具有一定的深度和广度。每类项目都包括若干基础项目和若干拓展项目。基础项目是针对所有学生的,只需要运用较少数目元器件就可以进行机器人设计,以适应绝大多数学生的学习需求;拓展项目主要是针对能力较高的或对项目学习内容有特殊兴趣的学生设计。

五、中小学机器人普及教育的价值展望

综上所述,本研究主张的四位一体的机器人普及教育,与STEM 教育思想有高度的契合。STEM 教育着眼于复合型创新性人才的培养和劳动力水平的提高, 其重要性不言而喻, 乃至美国政府将其视为一种国家战略。

尽管STEM 教育如此重要,但要在我国基础教育阶段开展STEM 教育还存在诸多的困难, 甚至有不少人认为,STEM 所涉及的课程内容并非新鲜, 我国也有类似STEM教育的内容。例如,我们中小学课程中也有数学、科学、技术课程等,但是,这与STEM教育至少有三个方面的不同:(1) 我们的这些课程主要是分科课程, 是学科本位的课程, 而非STEM 提倡的跨学科的整合课程;(2) 我们的基础教育中缺少工程教育的建制;(3) 我们的基础教育普遍重视科学类课程,而技术类课程也包括工程类课程的教育价值并没有得到应有的重视。

我国基础教育课程改革也主张改变课程结构过于强调学科本位、门类过多和缺乏整合的现状,淡化学科界线,使分科课程和综合课程有机联系、合理并存,并设置了八个学习领域和综合实践活动课程,但成效甚微,不仅学习领域形同虚设,而且综合实践活动也几成鸡肋。其中一个重要的原因就在于缺乏开展课程整合的抓手,以谁为中心进行整合? 整合的目的和意义如何彰显? 如何评价? STEM 教育提供了一个很好的思路,所谓跨学科的课程整合,需要通过工程实践体现出来,在面向实际的工程问题的解决过程中, 自然会卷入各相关学科知识,那么,工程教育就成为联系各学科知识、建立整体的认识世界和改造世界的平台,而且这样的学习总会产生可视化的人造物成果,能够激发和维持学生学习的成就感和主动性。因此,从这个意义上说,开展STEM 教育,不仅有利于弥补我国中小学技术教育、工程教育的短板,而且可以有效促进课程的整合化趋势。

当然,我们更关注的是如何使STEM 教育思想从理论走向实践,中小学技术教育工作者又当扮演何种角色。事实上,STEM 教育所包含的“技术”和“工程”两个范畴本身就表明与技术教育密切相关,只不过,这种密切关系在不同研究方向的学者那里存在理解上的分歧。美国的技术教育者通常认为STEM 中的“T”代表的就是“技术教育”,是一类重要的学习对象,然而,更多的人并不这样认为。例如,在美国《教育周刊》2008 年3 月27 日出版的《STEM 深度报道》中,详细解读了STEM 的思想与案例,其中所罗列的大部分成功案例,所提到的“T”更多表现为教育技术或信息技术的应用, 而不是技术教育的实践; 甚至在美国关于STEM 教育的国家评分卡报告(national2 scorecard2 reports)中,对“T”的测评也主要是依据学校中供学生使用的计算机数量。可见,在STEM 教育中有机嵌入技术类课程特别是信息技术课程,以技术类课程为主体(如中小学机器人教育) 开展STEM 课程整合实践(如同本研究那样),以及发挥信息技术的优势, 开展信息技术支持下的STEM 教育,是落实STEM 教育的两个主要着眼点,而前者无疑更具有可操作性。

简言之,中小学机器人教育将可能成为撬动我国STEM 教育的第一个杠杆, 如是,则大有所为。

* 本文系教育部人文社会科学研究青年基金项目“义务教育STEM 校本课程的开发与应用研究”(项目编号:13YJC880121);国家社科基金教育学青年项目“多平台、跨学科、聚类化、重创造的中小学机器人教育研究”(项目编号:CCA130133);国家社科基金教育学重点课题“信息化促进优质教育资源共享研究”(项目编号:ACA120005) 等多项课题的综合性研究成果之一。

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