基于核心素养的中小学机器人教材内容设计

钟柏昌　张禄

机器人课程强调手脑并用、知能并举，是开展创客教育的基础，更是培养中小学生科学素养和创新实践能力的重要载体。作为中小学机器人普及教育的推动者之一，我们最新承担了河北省小学和初中机器人教材的开发工作。在此，结合该套机器人教材的设计思路探讨基于核心素养的中小学机器人教材内容设计。

指导理念：核心素养的三层架构

经常有人问道，与科学课程、信息技术（此处特指计算机）课程相比，机器人课程有何独特性？或者更直白地说，如何辨别一堂课是否属于机器人课？其实，这些问题的背后，关心的是机器人课程到底有何独特的教育价值。

要回答这一问题，可以回到当前基础教育课程改革强调核心素养的语境中来。当下倡导课程改革的人士认为，基础教育的核心要义不是用以培养学生成为单纯的有知识、技能并掌握方法的人，而是使之成为有修养的人，有智慧的人，这样的人不妨暂时称之为有“核心素养”的人。至于何谓核心素养，由何构成，论者观点不一。在此，我们尝试将学科核心素养刻画为三个层次：最底层的“双基指向”（简称“双基层”），以基础知识和基本技能为核心；中间层的“问题解决指向”（简称“问题解决层”），以解决问题过程中所获得的基本方法和基本态度为核心；最上层的“学科思维指向”（可以简称“学科思维层”），指在系统的学科学习中通过体验、认识及内化等过程逐步形成的相对稳定的思考问题、解决问题的思维方法和价值观，实质上是初步得到学科特定的认识世界和改造世界的世界观和方法论。

核心素养的三层架构图

在核心素养的三层架构中，双基层为较低抽象层次的基础层，问题解决层为较高抽象层次的承上启下层，学科思维层为最高抽象层次的高级层；而双基层和问题解决层组成的“四基”，即基础知识、基本技能、基本方法和基本态度与价值观，成为学科思维层的基础，亦受学科思维层的指引，这样达到了向下层层包含、向上逐层归因。

以核心素养的三层架构为指引，我们希望学生能够在机器人课程中不仅学到与机器人相关的基础知识与基本技能，也能获得利用机器人技术解决实际问题的能力，更能形成利用机器人分析问题、解决问题的思维方法和价值观，初步得到利用智能装置改造生活的方法论和认识人工智能的世界观。这一描述，可以理解为中小学机器人课程的整体目标和核心价值所在。为方便理解，我们尝试做进一步描述如下。

双基层：掌握面向对象程序编写的基本方法；理解基于“控制—传感—通信—结构”框架下的机器人运作原理，掌握控制简易机器人的基本方法，知道常用的传感器及其使用方法，了解机器人的基本物理结构和传动机制，能够使用3D打印、激光雕刻等新技术设计结构件；理解测试与调试的工程设计方法。

问题解决层：能够根据实际需求出发，设计创意，搭建简易机器人解决问题；能够利用测试与调试的工程设计方法对机器人进行优化；初步尝试解决“工程”开发过程中的矛盾与冲突，能够运用统筹与折中、成本与效益等工程管理思想优化智能装置的开发过程。

学科思维层：感悟创意思维，形成创造意识，理解从单纯的数字产品的消费者转变为兼有数字产品制造者角色的社会意义；认识迭代思维的一般性并理解其普遍价值；能够认识到标准化构件及其复用之于提升工程质量和效率的重要性；理解抽象与建模是实现自动化求解的基本方法，能够认识到抽象与建模是人类认识和改造世界的基本方法；理解测试与调试、统筹与折中、成本与效益等工程思想，具备认识世界和改造世界的系统思维。

我们认为，具有这些核心素养的课程就可以称之为机器人课程，就可以认为是具有独特教育价值的课程。

平台选择：Arduino的四重优势

机器人教材与其他信息技术教材不同，需要依托某一特定的机器人器材。不同的器材，在教育价值的体现上存在差异。本套教材将采用Arduino套件，可以说，选择开源硬件作为中小学机器人教材的载体，将是政府许可的中小学教材中的第一次，也是一次颇具挑战性的尝试。那么，我们为什么选择Arduino而不是其他品牌？它能否有效承载上述核心素养的培养？

毋庸置疑，市场上面向教育的机器人产品丰富多样，据不完全统计，至少有二十多个品牌，但是哪些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机房中开展实验而无须专用教室，有适用不同年龄段使用的编程环境，有封装良好的电子元器件及函数库；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：具有通用的技术标准；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，就普及教育需要而言，以Arduino为代表的开源机器人套件应当是目前最符合要求的硬件平台。

事实上，就普及教育而言，相比其他品牌，Arduino的优势特别体现在如下四个方面。

开源硬件。与其他机器人品牌（闭源硬件）相比，作为开源硬件，Arduino有两方面的优势：一方面不受单一厂商的约束，可以避免产品、技术和价格上的垄断，避免信息技术教育历史上类似“微软培训班”的诟病，抑或逃离“乐高培训班”的宿命，可以正大光明地摆脱为某一产品服务的嫌疑，为找回教师尊严和机器人教育的普适价值回归奠定基础；另一方面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和借鉴，有成熟的Arduino开源社区（例如，论坛：http：//www.dfrobot.com.cn/community/forum.php，http：//www.geek-workshop.com/forum.php；QQ群：319059620，101680302）探讨技术问题和教学问题。

国际标准。Arduino具有通用、开放的技术标准，有大批的国内外厂商设计和制作基于Arduino技术标准的机器人产品或相关电子产品。采用Arduino作为机器人教育平台，一方面方便国际交流与对话，可以借鉴国际同行的机器人教育研究与实践经验，缩小与发达国家的技术积累和教育经验积累差距，形成可能的后发优势；另一方面，可以避免闭源产品因各自为政而产生的技术标准不一的问题。技术标准不统一，自成体系，互不兼容，不仅导致零配件无法通用而造成技术依赖或重新采购新品牌而造成的浪费，而且容易出现不利于基础教育的科学性问题，如相当部分的闭源产品包括某些国际著名品牌配套的编程语言甚至不能正确表达三种基本程序结构，给知识结构尚不成熟、不稳定的中小学生带来不必要的误导或认知冲突。显然，这样的机器人品牌不适合基础教育的需要。

价格低廉。毫无疑问，对于中小学机器人普及教育而言，价格低廉是一个重要优势，特别是对于地区差异明显的发展中大国而言尤为重要。那些价格动辄几千甚至上万元的名牌机器人显然不符合当下普及机器人教育的条件。当然，Arduino机器人价格低廉之于普及教育的意义显然不仅在于学校“买得起”，更在于“用得好”。其潜在的逻辑是，对于普及教育而言，能否充分发挥教育价值是第一原则，而性能卓越是第二原则。尽管Arduino与某些高端机器人品牌相比可能存在性能上的差距（事实上此种差距正在不断缩小），但是就教育价值而言，Arduino完全可以保证上述核心素养的教育。因此，基于第一原则，我们有理由相信Arduino将成为后起之秀，占据基础教育市场的半壁江山，事实上，在大学教育领域，Arduino早已“占山为王”。换言之，某些发达地区的学校因在经济上较为充裕而采购价格高昂的名牌机器人，或者某些经济能力有限的地区和学校，为了追求“高大上”的“形象工程”需要，压缩其他教育投入而竞相采购名牌机器人，这两种做法本质上都是对教育经费的浪费，是不必要的奢侈投入，只会加剧地区之间教育经费投入的失衡。相反，选用Arduino机器人，实质上是对无序竞争的教育经费投入的一种约束，从这个意义上说，选择Arduino机器人而不是高端机器人品牌，是促进教育公平的一种表现。

扩展性好。Arduino的扩展性体现在两个方面，一是因技术上具有良好的兼容性而形成了成熟的产业链；二是嵌入式特性使其能够广泛应用于各种电子产品原型的开发中。技术层面，源于开源硬件的特性，具有通用技术标准，Arduino平台具有很好的兼容性，不仅可以与Scratch、Flash、Android、Processing等编程环境结合，还可以与其他电子元配件结合，甚至由于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。应用层面，因技术上的兼容性，Arduino具有丰富的功能强大的扩展模块，可以控制各种传感器、电机、网络通信、3D打印机、激光雕刻机等，有利于开发各种各样的创新教学项目，因此在教育领域，它不仅可以作为机器人课程的平台，还可以借由机器人课程自然过渡到创客教育，Arduino本身也是目前创客教育的标配之一。而其他机器人产品往往缺乏这种扩展性，难以开展自由、开放的创意设计和制作。也正因为此，我们认为Arduino相比其他机器人品牌，在上述机器人课程核心素养的承载上更具优势。

内容设计：内容串联的两条线索

在具体教材内容的设计层面，我们采用了明、暗两条线索串联整体内容。下文将以我们正在编写的小学机器人教材（共2册）和初中机器人教材（共1册）为例，介绍其主要设计思路。

明线方面，主要以聚类思想为指导设计教材内容的整体框架和章节结构。所谓聚类，又可理解为类聚，即根据事物具有的某种相似的属性，将其聚集为一类。聚类化课程设计思想，就是依据某种线索组合一系列教学项目，形成具有内在联系、螺旋上升和发散结构的教学单元，循序渐进地展开课程。根据已有研究，大致有三种聚类方式：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。在本套教材中，三册内容的顶层聚类线索为：“计算机控制机器人—机器人控制计算机—机器人的自主控制”。其中，六年级上册侧重“计算机控制机器人”，其二级主题以机器人组成为线索，按“控制器—驱动器和执行器—传感器”分别聚类设计各单元课时；六年级下册侧重“机器人控制计算机”，即侧重计算机与机器人之间的通信与交互，但也会适当兼顾到“计算机控制机器人”与“机器人的自主控制”，实现上下衔接；八年级下册侧重“机器人的自主控制”（即输入与输出的自动化），按输入与输出为线索由易到难进行二级主题（单元）的聚类，如“数字输出与模拟输出（LED）—数字输入（电子骰子）—模拟输入（蜂鸣器）—单电机控制（风扇）—双电机控制（小车）”。

暗线部分，即将核心素养渗透于每个单元和每节课当中。以蜂鸣器单元（第七课：机器人唱歌、第八课：火灾报警装置）为例，其核心素养如下。

双基：了解蜂鸣器、火焰传感器的工作原理，知道模拟传感器的一般使用方法，能够根据音频对应的数值编写音乐程序；了解模拟输入的概念，能够正确插线；了解串口监视器的作用和使用方法。

问题解决：能够设计创意制作有趣的机器人发声互动作品；能够根据生活需求设计创意制作有应用价值的报警装置。

学科思维：感悟创意思维；掌握同类问题的建模思想和方法，以及测试与调试方法。

注：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”（项目编号：CCA130133）的阶段性研究成果。

（作者单位：南京师范大学教育科学学院）