機器人項目對青少年工程思維培養的促進作用
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摘 要：教育部2018年1月16日發布的《普通高中課程方案和語文等學科課程標準（2017年版）》中已將“機器人設計與制作”模塊搬入高中信息技術教材，如今機器人教育逐漸成為教育界關注的熱點。開展機器人項目教學究竟有什么實際意義？對青少年能力的培養有哪些增益？本文將從工程思維培養的角度，去闡述開展機器人項目教學的現實意義。
關鍵詞：機器人項目;工程思維;培養與促進
中圖分類號：TP24-4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）08-0239-02
1 培養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，遵循一定的規范或標準進行設計投入生產或建設，直至制造出產品供應社會或建成設施投入運營，這類實踐活動相應的思維方式。
如果說中國的基礎學科教學注重的是科學家的培養，那么國外一些發達國家的基礎教學理念更偏向于工程師的培養?？茖W家會證實這件事可以不可以做，工程師需要明白具體怎么做。正如機器人FLL工程挑戰賽，每年9月份，FIRST LEGO League向全球參賽隊伍公布年度挑戰項目，鼓勵孩子們通過對機器人的設計、搭建、編程工作來解決現實世界中的問題，從科學思維角度僅僅是需要驗證這個方案能不能實現，而工程思維是需要了解用什么技術來實現它。我們不難看出，機器人項目的教學過程旨在培養一種解決問題的能力即培養工程思維的過程。
1.2 培養青少年工程思維的重要意義
1.2.1 是培養青少年綜合素質的需要
素質教育是把人的全面發展作為教育的出發點和歸宿點，提倡素質教育就是要使每一個青少年先天優勢得以充分的發展，同時使他們獲得各種優秀品質。以機器人教育為載體，開展青少年工程思維能力的培養是綜合素質教育的需要。這種方式同樣有利于培養青少年的科學精神和科學作風。機器人制作與實踐所需要的嚴謹性、精確性、可靠性，不僅有嚴密的邏輯推理，還要經過反復的實踐驗證，有助于培養青少年形成治學嚴謹的作風。
1.2.2 是對未來人才提出的新要求
在我國，工程思維的缺乏導致不少初出茅廬的畢業生眼高手低，面臨著就業難等問題。即使是大學培養出來的一些學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？是否根據環境的變化，改進流程，提高效率？而今科學思維，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。特別是中小學生階段，我們的青少年往往被灌輸一種標準化的解題方式，這種被大多數人看來已經習以為常的教育，竟沒有被深究過，殊不知社會上出現的問題，大多是沒有標準答案的，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的，是當今社會對未來人才提出的要求。
1.2.3 是提高教學有效性的關鍵
科技的發展日新月異，知識也在不斷地推成出新，當今的有效教學應從“學會學習”這種能力著手。工程思維是基于真實的、實際的問題解決方案，有利于青少年主動地、目標明確地獲取知識。因此解決了工程思維的培養問題即解決了教學的有效性。不難發現，機器人項目的開展一直是圍繞著解決實際問題展開的探究式學習，在整個探究過程青少年通過不斷思考、反復嘗試，根據實際情況調整方案，解決矛盾沖突，合理利用現有資源與時間完成指定任務，需要具備動手能力與運用數據結構編寫程序完成實際任務的能力。這種發現問題、提出問題、分析問題和解決問題的學習過程即是我們所需的有效教學的過程。
1.2.4 是提高教學可操作性的途徑
近年來，伴隨著社會各界對科學教育質量要求的不斷提升，美國國家研究協會出臺了《K-12年級科學教育框架》，該框架圍繞“科學和工程實踐、跨學科的概念、學科核心觀念”的維度組織，著重體現了注重實踐操作并讓青少年在較少內容上實現真正學習。該框架將工程教育納入到了K-12年級的科學教育中，2017年頒布的《義務教育小學科學課程標準》中提出了“技術和工程”這一新的領域。為如何進行科學探究指明了實現途徑，使抽象的理論找到了實踐的落腳點，提高了教學的可操作性。
2 開展機器人項目對青少年工程思維培養的促進作用
2.1 中小學階段機器人項目教學的內容與形式
工程思維培養必須從娃娃抓起，中小學階段機器人項目教學的內容包括機械搭建、傳感技術、工藝設計、程序編程等。形式主要有：機器人競賽項目，比如全國青少年機器人競賽、全國中小學電腦制作活動;另一方面在教育部的推動下，“機器人設計與制作”模塊陸續搬入信息技術課堂;再者，近年來在全國范圍內全面鋪開的校內課后服務活動中，開展了各種以培養青少年綜合能力為目的的機器人項目。機器人項目教學的普及讓神秘又遙不可及的機器人技術走進校園，對青少年工程思維的培養起到很好的促進作用。
2.2 機器人項目實踐有效促進了青少年工程思維的培養
工程是指人類為實現自己的需要，對已有的物質材料和生活環境加以系統性的開發、生產、加工、建造等實踐活動。其中，工程設計就是指導這整個過程的方案，而這個方案不僅要涉及自然科學和技術專業的知識和經驗，并且還會涉及社會科學、人文科學、環境科學等。機器人項目實踐則是運用指定品牌的機器人設備以實現某項任務目標去設計拼裝機器人，并輸入編寫好的程序在控制器與傳感器的配合下去達到完成任務的目的。而這個過程教會青少年能夠把學到的知識應用于解決問題方面，是技術與工程領域的一個核心內容。
在機器人教育中，機器人主體設計能夠很好地鍛煉青少年的工程思維。期間青少年必須根據目標要求系統地、綜合地、有創造性地完成主體設計，然后使用機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械、電子、運動學、動力學控制理論、傳感檢測、計算機技術等多門學科的綜合運用，而這僅僅是第一步。機器人主體設計還需要在接下來調試機器人的過程中不斷修改完善。這整個過程不僅能夠很好地體現工程設計的思想，同時也是訓練工程思維的有效途徑。 程序編寫是機器人項目教學的核心。程序編寫本身就需要掌握程序語言、算法、數據結構等諸多領域的基礎學習。而在機器人競賽項目中青少年還需要根據實際情況設計機器人運行線路，根據機器人的結構編寫相應的程序，以達到完成競賽任務的目的。程序編寫的過程可以鍛煉青少年嚴謹仔細的個性，能夠增強青少年的邏輯思維能力，對工程思維的培養亦有很好的促進作用。
系統調試是機器人項目教學的關鍵，也是最能培養青少年能力的環節。青少年可以通過反復測試，分析現象，發現問題，提出修改方案及時調整，使機器人表現出最佳狀態。系統調試可以從實踐性、實用性、綜合性視角有效地培訓青少年的工程思維。
3 機器人項目教學對培養青少年工程思維需避開的誤區
3.1 忽視了對青少年能力的培養
機器人項目教學綜合了機械、電子、傳感技術、計算機及人工智能領域的各種最新成果，機器人競賽從機器人項目的設計、制作、調試到參賽，具有實踐性強、探索性強和綜合性強的特點。旨在加強青少年對各方面知識的綜合理解與運用，激發青少年求知欲，提高青少年團隊合作能力，以達到進一步開發青少年工程思維能力的目的。但目前很多實施機器人教育的學校與機構以競賽成績作為主，吸引兒童與青少年參與。從機器人的設計到編程基本上都是由老師來完成，青少年只管比賽時候開機擺位置。盡管在短期內能獲得所謂的成績及名次，但這種“投機取巧式”的賽前準備也限制了對青少年創新能力的開發和培養，對于機器人教育的長遠發展是不利的。
3.2 缺乏專職機器人教育的輔導教師
由于編制、職稱、政策、待遇等問題，大多數學校不會專門招聘有機器人教育資質的科技輔導教師，一般都由信息技術教師或物理教師兼任，或只是委托學校年輕教師擔任，老師們為了職稱評審的需要，也僅僅是短暫從事青少年機器人教育工作。另一方面，國家對機器人教師尚沒有專門的職稱評定，對相關機構的開設也沒有專門的資質要求。導致機構中擔任機器人指導教師的這一批年輕人，大部分沒有經過專業的機制培訓，知識技能還是在師傅帶徒弟這種傳統的模式下學習的。從事該方面教育的輔導員不僅對機器人教學沒有一個比較統一的理念和教學目的，還存在著流動性大，責任心不強等問題。這對以培養青少年工程思維為目的的青少年機器人教育是極為不利的。
3.3 國內環境影響制約著機器人教育的發展
受國內大環境的影響，國產硬件及機器人系統上遠落后于一些國際一線品牌。比如樂高的NXT、EV3、EV5機器人教育套裝，以其專利積木為核心，零件種類多達2000多種，質量要求嚴格，具有非常高的靈活度和可塑性，自由發揮的空間很大，同時該教育套裝編程環境豐富、上手快，適合不同的年齡層次。因此，從2001年中國青少年機器人競賽創辦初期，西覓亞科技有限公司可以說在很長時間內一直獨霸中國機器人市場。這也是導致機器人設備價格長期高居不下的原因之一。隨著機器人教育的蓬勃發展，國內各種機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、研發的機器人系統通用性、組合性較差，且編程環境選擇面窄，局限性大。有些競賽項目如二對二機器人足球項目和二對二機器人籃球項目甚至是需年年更新，重復性投資且價格昂貴。機器人競賽項目為了扶持國內企業，近年來新增賽事已逐步向國內機器人產品傾斜。而在利益的刺激下有些商家將原本以培養青少年工程思維等綜合能力為目的的競賽變成各種設備的財力比拼。更甚者有搭配比賽項目方案進行更新捆綁銷售，這種現狀會將“機器人教育以培養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的噱頭，最終將制約著機器人教育的健康成長。
3.4 對機器人教育存在片面認識
在輔導機構遍地開花的中國，青少年學習壓力大時間少。機器人教育在很多家長眼中變成了與學習對立的一種學科。在每一個被沉甸甸的書包壓住的孩子心里，他們或許已經擠不出更多的時間去探索機器人的奧秘。雖然近幾年來，我們機器人教育也在蓬勃發展，相關機構層出不窮。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，能鼓勵孩子堅持學習機器人的家長寥寥無幾。工程思維的培養過程需要調動各種感官去經歷，用自己的心靈去感悟，經過失敗與成功的磨練。而機器人項目探究經歷的這種由思考到實踐，總結經驗確定方案到最后實施完成的過程恰是提升青少年工程思維能力的煉金爐。但這種培養是需要反復去磨練的，時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造力，減少了應有的挫折感，從而弱化了對兒童及青少年工程思維的培養。
4 結語
機器人技術已走進我國大部分的省市中小學信息技術課程，截至至2018年全國開設機器人專業的大學院校多達87所。但作為新興學科，機器人項目尚缺乏對該項目核心價值的界定與研究，而如何運用機器人項目教學手段培養青少年工程思維，將素質教育落實到實處，是一項很有意義的事業。
參考文獻
[1] 王榮良.機器人教育與工程思維關系之研究[J].中國教育信息化.基礎教育，2008（12）：27-29.
[2] 薛清平.青少年機器人教育的誤區[J].價值工程，2012，31（7）：147-148.
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