原创 马勇 通用技术创造与发明 1周前
客观来说，目前国内中小学机器人教育形式依然停留在以竞赛模式为主。即使在经济发达地区，中小学机器人教育的普及率仍然很低。那些号称开展机器人普及教育的学校，也往往局限于一两个班级规模的校本选修课。与之形成鲜明对比的是，校外机器人培训市场却异常火爆。整体而言，我国中小学机器人教育尚处起步阶段，条件建设、经验积累和代际传承还不够，有诸多问题需要直面和改善，尤其在教育装备、教育目标、教育内容、教学方法等方面还缺乏统一认识。毫无疑问，制约机器人教育普及的首要因素是教育经费问题。除了地区经济发展不平衡因素外，我国教育管理体制中教材与设备分头管理并分开投资的管理方式，也进一步限制了机器人教育经费的投入。但在微观层面，机器人设备本身更值得基层学校关注。我们注意到，目前中小学校所选用的机器人设备，主要有两类，一是乐高等知名厂商出品的机器人，这类设备投入高、成本高，主要在竞赛中使用，对普通学校而言，使用门槛较高，使众多普通学校望而却步。另一类是教师自主开发的机器人。一些热衷技术设计和发明创造的信息技术教师，他们基于个人的兴趣爱好，也为了减少教育经费短缺的尴尬，自主开发了形态各异的简易机器人，并应用于教育实践。遗憾的是，此类机器人尽管减少了经费投入，但由于缺乏标准化技术和生产的支持，难以进行大规模普及和推广。现在，我们终于迎来了第三种机器人——以Arduino为代表的开源机器人。如同手机安卓系统一样，Arduino的技术架构设置了统一的硬件平台，各大厂商在此基础上可以进一步开发自己的机器人控制板和周边配套产品。与闭源硬件相比，开源机器人至少具有如下优势：第一，遵循国际通用的技术标准，不仅便于国际交流与对话，还可以避免闭源产品技术标准不统一产生的兼容问题以及由此带来的对特定产品的技术依赖或资源浪费。而且，由于不受单一厂商的约束，使机器人教育摆脱了为某一产品服务的嫌疑，避免类似“微软培训班”“乐高培训班”的诟病。第二，由于统一的技术标准形成了成熟的产业链，无论是编程语言，还是电子元器件，均有丰富的配套产品或扩展模块，由此可以利用Arduino主控板来控制各种传感器、电机、网络通信、3D打印机、激光雕刻机等，有利于开发多种多样的创新教学项目。这种扩展性使它不仅可以作为机器人课程的平台，还是当前“创客教育”的标配之一。此外，开源意味着共享。网络上有丰富的开源共享资源可资利用，有大量的作品创意和代码可供模仿、借鉴，有成熟的Arduino开源社区探讨技术问题和教学问题，可以为教师培训和教师专业发展提供丰富的资源。最重要的还是它的价格，2万-3万元即可装备一个适合大班教学的机器人实验室。Arduino机器人之于普及教育的意义不仅在于学校“买得起”，更在于“用得好”。就满足普及教育需要而言，Arduino机器人与某些高端机器人相比并无二致。对于基础教育而言，能否充分发挥教育价值是第一要件，而性能卓越是次要条件。事实上，正因为价格低廉，教师才可能放手让学生摆弄而非小心翼翼地保护。对于地区差异明显的发展中大国而言，廉价的开源机器人产品、设备和方案为机器人教育正本清源提供了重要条件——使从变味儿的竞赛、竞争走向均衡发展的普及教育成为可能。今年，高中技术课程标准的修订版将正式发布，在新版课标中，机器人教育以类似“开源硬件机器人项目”选修模块的形式出现，一个重要意图就是倡导以价廉的开源软硬件平台作为普及机器人教育的利器。以课程的形式开展机器人教育是一种重要方式，《普通高中通用技术课程标准（修订版）》也将为此留有空间。那么，机器人课程到底有何本质与内涵？或按当前课程改革的思路，它究竟能培养学生哪些核心素养？进一步说，我们应该围绕什么来构建一个相对完整的12年一贯制的机器人教育课程体系？由于缺乏小学和初中信息技术课程国家标准，高中技术课程对机器人课程的设计也才刚刚开始，我们至今还没有看到一个较为成熟的中小学机器人课程体系。当前机器人课程的现状是，缺乏体系，缺乏衔接，更缺乏灵魂——学科思想的提炼。从教育目标定位角度，人们都已认识到通过机器人教育来激发和培养学生创新实践能力的重要性，这个整体目标没有争议，问题在于达成这一目标的具体手段。机器人教育活动中存在目标与手段脱节的问题，具体表现为在教学活动当中充斥着大量重复性实验、机械性模仿的学习活动。例如，以循迹、走迷宫等“老套”的内容为主，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。如果此类教学长期持续，机器人教育的核心目标不可避免地将演变为对机器人技术原理的理解和简单技能的操作，从而让创新实践能力的培养流于表面。因此，除了教学方法的改革，我们还需要思考机器人课程究竟可以给学生带来哪些可以终身受用的东西？换言之，每一门课程都应有其独特的课程内涵和教育价值，机器人课程也不例外。我们认为，它至少有三个核心概念需要提炼和彰显，即：自动控制理论（或智能控制理论）、工程思想和发明问题解决理论（TRIZ）。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，要自动保持平衡状态或稳定状态，需要建立系统观念并开展创造性的系统设计；工程思想的核心是利用工程方法创造新的人工制品，在机器人课程里就是制作具有特定功能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，需要与现实妥协，因此有关工程设计思想、逆向工程思想、工程复用思想、工程标准化思想、统筹思维和折中思维等应渗透其中；至于发明问题解决理论（TRIZ）主要研究人类进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理和法则，它是一种建立在技术系统进化规律基础上的问题解决系统，包括各种理论、方法、工具和程序，同时也是创新能力培养体系的理论。总之，机器人教育不是为了培养新科技的操作者，而是旨在通过内涵建设，培养出具有“开物成务”智慧的新一代公民。当前机器人教育中的一个不足，就是局限于学科本位，视野狭隘。学生主要学习编程控制的方法，着力解决如循迹问题等方面的技术问题，并不指向实际生活的需要，这种单一的技术学习，局限于学科本位的做法，不利于学生创新能力的培养，需要向学科整合方向发展。“学科整合”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STEAM（Science、Technology、Engineering、Arts、Mathematics）等多个学科知识的综合应用。在国际范围内，机器人教育也被视作开展STEAM教育的重要工具和抓手。但是，机器人教育并不必然会促进STEAM知识的学习，其关键在于能否将机器人教育当成一种工程教育，在面向实际问题的解决过程中，卷入各相关学科的学习。如此，机器人教育就能成为联系各学科知识、建立整体的认识世界和改造世界系统的平台。反之，只是将机器人作为学习的对象，则达不到学科整合的效果。之所以说当前的机器人教育是学科本位的教学，一个重要的原因在于教学中采用的机器人产品，其结构和配件基本是固定的，学生主要用来学习编程控制的方法，无须做工程层面的设计。再加上要解决的都是所谓技术问题，而非指向实际生活的问题，导致学科本位的机器人技术内容成为机器人教育的主体甚至唯一内容。需要注意的是，当前流行的“创客教育”就是一种将机器人教育与STEAM教育紧密结合的实现途径。它是以造物的形式培养学生综合实践能力的工程教育。大量的研究表明，在“创客空间”中自然发生的STEAM教育，不是把学生“封闭”在某一个学科里，它有效改变了学生的学习内容和学习方式。但这里的学科整合，并不以学会或者掌握系统的各学科知识为目标，它仅仅是作为学科教育的一种有效补充形式，为学生综合应用学科知识提供空间和机会。无论如何，围绕工程教育实现课程统整是机器人教育走向未来的重要方向。从教学方法的角度看，当前的机器人教育侧重模仿实验，重基础轻应用。具体表现在教师基本沿袭信息技术课堂惯用的讲练结合或封闭式任务教学法，以模拟实验或模仿再现生产生活中的科技产品作为主要教学任务；教师通过讲解制作步骤，让学生亦步亦趋完成预定机器人的制作，重在基础知识和基本技能的掌握，学生作品缺少个性化设计，更谈不上创新设计。因此教学方法的改革势在必行，以下四种教学模式值得进一步探索。第一，实验模拟型教学（Learning to Imitate via Robot）。此类教学的基本特点是以机器人相关技术作为教学内容的主体，将机器人本身作为学习的对象，以掌握机器人本体知识为导向。其基本教学过程表现为，根据任务要求，引导学生使用自己的机器人平台构建具有自主控制能力的智能装置，以模拟再现生产生活中既有科技产品的功能和工作过程，在此过程中获得机器人的基础知识和基本技能，并有可能提高学生的逆向工程能力，因此其核心价值表现为培养学生学会利用机器人模拟再现事物。第二，趣味交互型教学（Learning to Interact via Robot）。它是以开发有趣、好玩的机器人联机交互系统为主要任务的教学。其基本形态是在计算机中编写和运行程序，将Arduino作为控制端，通过Arduino与程序交互，而非鼠标与键盘。例如，采用Scratch设计一个趣味小游戏，利用Arduino搭载的各种传感器与游戏进行交互。与实验模拟型教学一样，这是一类以机器人相关技术（含程序设计）为主要内容的教学。第三，科学探究型教学（Learning to Inquire via Robot）。它以科学问题为导向，将机器人作为开展科学探究的载体和工具，为探究性学习提供数据收集、加工的技术支持。其教学过程一般为，从生活中的科学问题出发，利用机器人建模，制订科学探究方案，开展科学探究实践，利用机器人收集数据，利用程序设计或其他数据统计软件分析数据，使学生在获得机器人本体知识的同时提高科学探究能力，并习得科学知识和科学的思维过程与方法。其核心价值是培养学生学会利用机器人进行科学探究。第四，发明创造型教学（Learning to Invent via Robot）。它以实际需求为基本导向、以项目教学为基本方法、以创新实践为核心目标的教学，要求学生通过教学能够制作出具有创新性的智能人造物，这也触及了“创客教育”的本质。但是，在当下机器人教育领域，目前还没形成指导学生开展发明创造活动的理论和方法，我们认为，国际流行的TRIZ理论是一个可资借鉴的理论基础。〔本文系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”（批准号CCA130133）的研究成果。〕
