漫谈：课堂里的机器人（一）

吴俊杰等

栏目寄语：新技术进入教育领域，加快了教育改革的步伐，新与旧的碰撞、前卫与传统的冲突引发了强烈的社会舆论，而身为教育者则需用更为理性、通透的眼光去审视现象的背后。本栏目将聚合你我他的观点，以开阔读者的思路，共同促进教育大发展。

随着信息技术及教育事业的发展，特别是人工智能与机器人技术的结合，机器人教育正在逐渐进入教育领域，显露出在培养学生综合素质方面的优势。

为推动全国中小学机器人的普及教育，推进机器人进课堂的步伐，2013年4月26日至27日，首届全国中小学机器人教学展示活动在北京景山学校举行。本次活动由中国教育技术协会信息技术教育专业委员会主办，活动期间，包括北京景山学校在内的全国9个省、直辖市的12名优秀中小学信息技术教师与景山学校学生一起，为大家奉献了12节精彩的机器人现场展示课。

课堂上，教师们使用的教学平台各具特色，既有方便的机器人仿真程序，也有注重培养学生综合实践能力的实物机器人；教学内容也是丰富多彩，《火星探险任务之到达岩石取样点》一课，学生通过机器人程序的参数设置来改变机器人运动路线，《认识传感器》一课，学生学习了传感器的定义及常见分类、理解各种传感器功能、练习传感器的测试方法、根据应用确立满足传感器触发条件数据；教学方法也是各有千秋，包括讲授法、演示法、讨论法、体验法、自主学习法、任务驱动法等，异彩纷呈。

随着课程改革的不断深入，机器人教育在信息技术课程中将占据越来越重要的地位，那么，今天的信息技术教师对机器人教学有怎样的认识？从小学习机器人，对于学生来讲有何益处？机器人教学方面又存在着哪些需要我们解决的问题呢？

本期我们请来参加本次展示活动的教师，一起漫谈那些在中小学生课堂里的机器人。

主持人：谈到机器人，我本身就对它有很多情结，参与了这次活动，看到老师们在课堂的真实教学情景，更是让我对机器人产生了一个特别奇怪的看法。

我觉得一方面机器人寄托了人们对科学、对技术的种种幻想，另一方面，它又是一种现实中的技术，而且只要我们稍加学习，就可以理解其中的基本原理。所以，我突然发现它就像是一个人的思维的完美写照，既有感性的幻想与联想，又有理性、客观的逻辑思维。在课堂上，学生的思维仿佛就附着在这些机器人身上，随着它们的运行，随着它们在不同场景的出现，让思维得到训练。所以机器人教学，也就更像是一门运动思维的艺术，因而会对教师的教学能力有一定的要求。

吴俊杰：机器人是一个综合了科学、技术、工程学、数学四个领域的综合领域。这种综合性导致了教学设计的难度，也是目前机器人课程体系难以建立的原因。所以，要想解决这些问题，应该先探讨以下问题。

我们知道，通用技术和信息技术有着天然的联系，那么在信息技术中使用机器人和在通用技术中使用机器人的区别是什么呢？

李岩：个人认为，无论是通用技术还是信息技术，它们都属技术领域，许多原因导致了现今科目分离的现实。如果从课程层面来说，通用技术涉及机器人有必修技术与设计2中的结构、系统、流程、控制等单元，以及选修简易机器人专题，当然它还会融入通用技术课程的能源、材料、工具和设计等内容。而信息技术则可能更多的在选修算法和程序设计部分较多涉及。机器人技术本身综合度很大，涉及的学科应当说是涵盖了信息技术和通用技术的基础内容。

机器人在信息技术和通用技术课程中可能更多的以智能技术制品（软硬一体）、复杂系统为代表，作为学生学习的典型性内容。就课程具体的使用来说，还要看教学目标的设定和学生发展的需求，选取机器人的某个方面作为学习内容，从结构设计、材料加工，到制作机器人的机械结构、自主设计机器人作品等。但将机器人作为技术课程的主体内容，或是自选材料自制机器人作品，这在课时、师资、资源以及可行性等方面还是很有挑战的。因而，传动、控制等核心部件可能仍然需要借助一些现有的教育资源和材料，这样会让机器人学习更多、更广泛地走进课堂。

向金：我也觉得，机器人本身是一个综合学科，在机器人的学习中涉及的很多内容是完全割裂的，我认为很不可取。当然，在不同的学科中，机器人教学的侧重点会有所不同。在信息技术中，更多的是对于使用现代信息技术来综合解决一个关于机器人的问题，如机器人的信息处理、逻辑思维甚至于模糊算法等人工智能。通用技术中，则更多的是关注机器人基本原理上的学习，如结构设计上的、程序策略上的。其实，这些在信息技术中都可能有所体现。从这个角度上说，信息技术中的机器人落脚点，应该是综合利用信息技术来解决一个综合的机器人问题。而通用技术，更多是在“通用”二字：是寻找机器人的基本制作规律、工作规律等。

吴俊杰：可见，综合的机器人课程，需要建立在系统的分科机器人课程的基础之上。“信息技术中的机器人+通用技术中的机器人=STEM视野中的机器人教育”。

李岩：但建立体系所面临的困难，也有可能是分科过细所致。

吴俊杰：怎么理解分科过细呢？

李岩：STEM可以选取机器人的主题，但不是必然。技术课程应当是一个整体，整体的课程框架、内容、教学组织等，现在它们虽属于同一领域，却是分开的两个科目。

吴俊杰：技术领域应该是四个基本领域中的一个大领域，但是技术领域随着工程实现的门槛降低，面临着萎缩的可能性。所以教学的内容还不够丰富。

李岩：就基础教育领域而言，一门中小学生课程，它会也应当基于一个更宽广的视野，面向情况更为多样的教育实际，与北京相比，全国的情况还是很多样化的。

吴俊杰：同意，特别需要这种多样化，它是对现有课程体系的一个重要的补充。

我的意思是，在信息技术中学好机器人程序设计后，在通用技术学科的机器人学习中把能源和结构的问题搞清楚，最后在综合的STEM技术课程当中以多种形式应用机器人，但如果这样做，现有的技术领域的课时和学分都是不够的。

在信息技术和通用技术当中机器人都是教具，信息技术当中用来讲解通讯技术和智能技术，感测技术和控制技术，要偏理论一些。如此看来，信息技术当中的机器人更像一个物理实验室的仪器，所以才会有信息技术实验这个领域。

向金：没错，信息技术中的机器人教学，机器人只是一个载体（信息技术的具体载体），通过这个载体，学生的学习重点是如何利用信息技术来解决问题，从而提升信息技术素养，这其中特别是信息的整理、搜集能力。而通用技术中的机器人，更多的是偏重于通过机器人发现和学习相关的通用性技术。

吴俊杰：但通用技术当中的机器人，不应该是一个独立的内容，机器人的套件是一种高级的材料教学内容，机器人的马达和连接杆是一种结构教学内容，机器人的能量来源，电池的寿命，能够提供的功率是能源的教学内容，而综合使用机器人完成一个任务，如“智能风扇”等，则属于设计的内容。

向金：通用技术分得更细致一些。而且通用技术是国家课程，信息技术是地方课程，矮了一截！但是现在看来，如果高中才有通用技术课的话，我觉得不利于学生的学习。

主持人：两位老师提到机器人是教学的载体，那么机器人与书本、计算机等教学载体相比，有怎样的差别呢？

向金：首先机器人作为一个教育载体，从本质上讲，和其他教具没有区别。但是，它的特别之处在于：它是一个综合性的载体，这其中承载了很多知识和能力的学习，不是课本、计算机所具有的。还有，学习机器人除了理论上的支撑外，还需要实践及动手能力。

吴俊杰：是这样的。课堂中机器人的独特性，也跟教师的能力很有关系。谈到作为教具的机器人我也有自己的观点。

1.机器人是信息技术中讲解感测与控制技术的很好的教具，但是作为教具出现的机器人需要重新设计，要注意适合大班教学，适合原理教学，易于维护，体积要小。

2.机器人是信息技术当中讲解程序设计的教具，但是不能用机器人简单地替代程序设计。机器人程序语言相对于一般的程序设计语言有其特殊性，程序设计语言有其特殊的案例，如数据库的检索、排序之类的案例是很少出现在现行的机器人程序当中的。另外，作为一个相对于计算机更加高级和成本更高的教具，一定要用在必须用的案例和情境下，节约教学成本，维持学生兴趣的稳步提升。不要让教师变成一个不断地拿出新鲜玩意儿的“魔术师”，而要让教师做一个沉稳老练理性地用程序和恰当合理的外设提供解决方案的“工程师”。

3.使用机器人从事信息技术教学的时候，可以适当弱化机器人“长得像人一样”的日常概念，事实上有一些比较复杂的，有十几个舵机的机器人，只是长得像人的“机械装置”，而且这种对“人形”的追求，会造成成本的虚高。当然这也不是否定人形机器人，只不过看如何应用，景山学校学生曾经开发过人形机器人，这个过程很痛苦，包括人行走运动的建模，数据的测量，舵机的选用，单片机控制程序的编写，成本的核算，装置稳定性的测试等一系列的工作，如果学生的工作量比较大，教学过程中用到的综合能力比较全面，完全可以将人形机器人作为一个学生需要攀登的“高峰”，这是非常有教学价值的，但是如果仅仅是一些控制指令的调试，用一套现成的设备做一个“舞蹈”，这样投入和产出的比例就不太理想。

主持人：您谈得很细致，充分说明了机器人作为教具的重要性，以及它如何做好一个教具。但是我们还需要在此之前解决另一个问题，就是我要替学生问一下，为什么我们要在信息技术课程中开这门机器人课？或者说机器人对于信息技术教学有怎样的意义？

吴俊杰：这也正是我想继续谈的内容。我想机器人对于信息技术的教学意义在于，在信息技术各学段和各种教学内容当中机器人都可以当作教具使用，教具有强教具和弱教具之分，强教具就是小学和初中大概一个学期的“机器人程序设计”课程，教具本身是实验仪器；弱教具就是指在其他的信息技术教学内容当中的教学情境设计，案例要求，录制短片的拍摄对象，通信实验的实验仪器，这些教学需求当中都可以把机器人当作是一种弱教具来处理。在掌握程序编写和简单的机器人操作之后，学生在弱教具使用的情境当中，同样可以编写程序制作实验仪器，这时弱教具就变成了强教具。以上是机器人在信息技术课程中合法性分析的第一个观点：机器人可以成为信息技术教学的重要教具。

那么为什么要在小学和初中开设一个学期的“机器人程序设计”课程呢？原因首先是机器人程序设计是一个软硬结合的程序设计，这门课程可以把之前学习的只在计算机或者计算机之间应用的普通程序，拓展到物理世界当中来；其次，机器人程序设计有其自身的特点，如环境因素对程序参数的影响，走迷宫，巡线，足球对战，机器人之间的通讯配合，这些机器人的程序是很有特点的，有其特定的教学价值；最后，机器人程序设计的应用领域很广泛，从智能家居、到物联网，从工程应用到科学研究，从竞技比赛到装置艺术，这种在艺术、研究和工程等多个领域的应用案例，拓展了信息技术的应用领域和表现力。回答信息技术中机器人的教学合法性的问题，首先要回答“信息技术学科”的教学合法性问题，信息技术学科植根于人在技术的“加持”之下能力的提升，如果说计算机是对人思维层面的提升，机器人就是对人的行为层面的提升，最终都是为了提高人的“自我效能感”。

通用技术当中的机器人教学的合法性的原因是什么呢？通用技术学科的主线有这样几条，第一条是“设计”，第二条是“材料”，第三条是“工具”，第四条是“自动化”。小学和初中的程序教学和机器人程序设计教学要解决通用技术课程当中“自动化”环节当中的基本的程序设计问题。机器人的设计是通过高级的二级材料，用比较高级的工具来完成一个自动化装置的设计过程。这个过程是通用技术多条主线的综合提升。

主持人：您说完以后，我最大的感触就是下期咱们又有好的话题可聊了！我想其他嘉宾也想谈谈自己对以上问题的看法，而且您其中用到很多名词，如装置艺术、人的“自我效能感”等，我觉得分析一下，对于人们对技术和教育理解方面都会有帮助。

向金：看了吴老师的发言，获益匪浅。迫不及待谈谈我的一些看法：目前机器人教学还处在初级阶段，因为机器人进课堂是一个很复杂的命题。从国际以及全国来看，能做到普及的并不是很多，究其原因，除了费用的问题之外，我觉得还有很多就是这个学科的定位问题，教学目标问题。

机器人是创新教育的载体：从我们学校来看，当初设定机器人课程作为学校的校本课程，主要目的并不是为了让学生掌握多少关于机器人的知识，而是为了给他们创设一个创新的环境和思维。机器人是一个非常好的创新载体，尤其是在小学信息技术课程中，我不知道其他地区的信息技术的教材如何，陕西省内的信息技术教材更多关注的是对于计算机的操作，而操作无创新。机器人则不同：学生可以根据自己的喜好进行广泛的设计和创意，虽然很多时候会失败，但是学生在失败中总是在寻找着一些规律。

机器人是非常好的解决问题、能力培养的工具：在机器人教学中，雷同的作品一般很少，解决方案也各有不同，从这一点上来说：其创新教育的成分大于技术教育的成分。在机器人教学中，我们一般都要先进行项目的分析；然后制定自己的项目方案；接下来则是实际的搭建、编程，接着是验证自己的方案；通过验证，再次发现问题，修订自己解决问题的方案。这其实就是一套完整的系统学习能力、解决问题能力的培养。

张立新：谈到机器人的教学我也来讲几句，就目前的国情来看，大面积开展以机器人实体为载体的机器人教学尚有一定的困难，资金问题是一方面，单就课堂教学来讲，四十多人的课堂如果是一位教师教学的话很难进行，另外还牵扯到场地的问题，所以我认为机器人教学只能以小班的方式进行。但是可以考虑机器人虚拟环境下的教学，就我们学校来讲就是在课堂中以虚拟机器人的方式进行的。据我所知北京市西城区在教研员朱慧老师的带领下也是这样做的。

向金：其实机器人的经费投入是很头疼的事情。我们现在的校本课程分为好几个层面。实体机器人和虚拟机器人都有，从学校来看，比较倾向于虚拟的：一次投入，不需要太多的后续费用。但是实体的不行，我们用的是乐高的，每年补充器材就需非常大的经费投入。

主持人：那么如果像以上两位老师说的，我们采用虚拟机器人来替代机器人，这两者之间会有怎样的区别呢？这次活动中就有用虚拟机器人教学的老师，如果有软件公司的介入，虚拟机器人教学的空间岂不是更大吗？

陈杰：两者之间还是有很大差别的，不能比。例如，最近我在搞ARDUINO，在电路的连接上就存在这样的问题。如果你用虚拟的软件来模拟电路安装，你是无法了解实际电路走线的。下页图1是用微动开关控制的LED灯，是理想的线路图，但是实际操作却未必这样连接，下页图2为实际的线路连接方法。我们此前做实验遇到了这个问题，我们用万用表测量出微动开关出现了问题，但是这种情况，如果是放在虚拟软件中，就不一定能接触到。软件是理想环境，只要你的线路连接正确，就会给出正确实验结果。现实中要考虑的因素太多了，而这些在虚拟中不一定都能体现。这就是虚拟实验室无法取代真实实验的原因。

主持人：也就是说机器人教学中学生动手实操的过程是非常重要的。现实中如何解决这些问题，也是学生要掌握的内容，甚至只有经历了这些，学生才能独立地解决问题，教学才能达到效果。

向金：而且，虚拟最大的问题是学生的创新还是会有局限性，最起码受软件的限制。学生更喜欢真实的东西，这也是我上课最大的感受。

张立新：目前，机器人教学不能搞一刀切，要根据各地各校的情况灵活开展，可以做出几套不同的方案，有钱就做有钱的，没钱就做没钱的。有条件的话当然还是机器人实体优先，但是目前大多数学校还是无法做到，特别是西部地区的教学条件很艰苦，很难实现。

主持人：但机器人作为教具是可以转化其形式的，这次活动中，吴老师讲课就没有特别具体的机器人，而是自己制作了一些小教具，也可以让学生学到其中的原理，更有趣味性，学生也可以自己动手做。

陈杰：是的，目前出现的机器人都是各大厂家做好的东西，我更倾向使用类似电子积木的东西。

主持人：话题既然落在这里，我想下期可聊的内容就更多了，为了让想开机器人课却没有资金或不知道怎么开展的学校和老师，能够顺利开展课程，让好学的孩子学到这门综合性很强的课程。咱们可以来谈一谈自己的高招，说说这些年教学的心得体会，以及这次活动的收获！下期《视点·圆桌》，不见不散！