针对中学生问题解决能力培养的机器人课程教学模式探究

谢涵雨　曹蕾

摘 要：问题解决能力是学生在不同环境中应对内在矛盾和外在矛盾的必备能力之一，也是21世纪人才核心素养要点之一。我国中学机器人教育存在教学模式单一、学生能力培养指向性不明确等问题，作者据此提出适合中学生的机器人教学模式。文章分析了机器人课程在中学生问题解决能力培养中发挥的价值，提出一种通过“学、做、思”等环节，引导中学生发现问题、分析问题、生成策略和实施计划的机器人课程教学模式，并以避障机器人课程为例进行教学流程设计。该研究的价值：一在于清晰表明机器人教育问题解决能力的构成，提高中学教师对于学生能力培养的指向性；二在于模式设计关注学生认知心理发展，促进学生高效学习；三明确评价范畴，提高评价的有效性。

关键词：机器人教育；问题解决；培养措施

中图分类號：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2018）16-0037-05

随着社会不断的发展，全球化趋势加剧，问题解决能力已经成为各个国家人才素养要点之一。因为高考的指挥棒，传统高中教学呈现知识单向性、学科壁垒高，片面强调言语信息掌握，不注重学生实际解决问题的能力。机器人教育作为素质教育的重要实施路径以及STEAM教育的最佳载体，其教育价值巨大，本文建立了一个适合中学生的机器人教育模式，并且提出问题解决能力的具体组成成分，为中学机器人教学提供可行的教学模式，丰富了机器人教育理论，促进了机器人教育的发展。

一、机器人教育基本理念与价值

1.机器人教育基本理念

2003年教育部将“简易机器人制作”设为技术领域的选修模块，表明我国机器人教育在中等教育上迈向大众化。2002年，彭绍东教授发表的《论机器人教育（上）》和《论机器人教育（下）》，标志着我国机器人教育的开端。随后我国学者也相继对机器人教育进行研究，通过学者们的观点可以总结出机器人教育的学习对象是机器人的基本知识和技能，它的目的是优化教学和师生劳动方式，学习方式为自主学习和协作学习，其意义为通过学生做中学、思、反馈，培养学生的问题解决能力。

2.机器人教育与STEAM教育

2016年，《教育信息化“十三五”规划》指出，有条件的地区要积极探索信息技术在“众创空间”、STEAM教育、创客教育等新的教育模式中的应用。STEAM教育是融合科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Art）和数学（Mathematics）等多学科知识，打破学科界限，通过对学科素养的综合应用解决实际问题，培养综合性的人才。国内外不少学者认为机器人教育是实现STEAM教育的最佳途径之一。

（1）跨学科学习。机器人教育需要运用学科的知识，契合了STEAM教育的打破学科界限，培养学生运用多学科知识解决问题的能力。

（2）做中学。机器人教育与STEAM教育都强调“做”，强调学生的动手能力，让学生在实践中真正运用知识，不断加深对知识的理解。

（3）多方式学习。机器人教育是基于问题/项目的学习，引导学生自主探究，同时也注重培养学生的协作能力，以小组学习为单位开展。美国 STEAM教育知名学者格雷特·亚克门教授说：“STEAM教育立足于实际问题，鼓励学生通过协作和实践完成项目、解决问题，有助于培养学生的综合素养和问题解决能力，形成具有创新能力的优秀人力资源。”[1]

机器人教育真正做到以学生为中心，课堂不再是以知识传授为中心，而是培养学习者获取知识的能力，教学内容不是单一学科的教学，而是将知识融入到问题解决过程中，从而培养学习者的问题解决能力，学习方式不再是单一的“传递-接受”，而是从做中学、做中思考、做中反馈，STEAM教育的教学组织形式丰富多样，既强调小组间的良性竞争，更注重团队协作能力和沟通能力的培养，这是传统教育片面强调个人竞争所不能比拟的。

3.机器人教育与素质教育

1985年，《中共中央关于教育体制改革的决定》提出了教育的根本目的是提高民族素质。1993年，《中国教育改革和发展纲要》明确提出，中小学要从“应试教育”转向提高国民素质轨道，面向全体学生，全面提高学生的思想道德、文化科学、劳动技能和身体心理素质，促进学生生动活泼地发展，办出各自的特色。

殷蔚明等人[2]明确指出机器人的出现为创新素质教育提供了一个崭新的平台，几乎没有一种技术平台比智能机器人更适合创新素质教育。机器人教育为学生提供实践机会，让学生通过自己亲手做获得经验，在做的过程中，以个人探究和小组协作开展，真正做到促进学生德智体美劳全面发展。

二、机器人教育中学生问题解决能力构成

1.问题解决能力与人才素养

随着社会不断的发展，全球化趋势加剧，问题解决能力已经成为各个国家竞争人才素养要点之一。北京师范大学林崇德教授等人[3]历时3年多，在2016年9月13日提出中国学生发展核心素养包含的三大领域六种素养十八个要点，提出实践创新核心素养的要点之一为问题解决；美国的21世纪核心素养框架在学习和创新能力维度提到对于学习者的问题解决能力的培养。问题解决能力已成为各国人才培养核心要点之一。机器人教育通过“学、做、思”三角循环（意指边学边做、边做边思、边思边学），形成稳固的三角循环。课堂由以教师传授为中心转向以学生探究为主，真正做到了以学生为中心，教师不再是传授者，而是学生学习的指导者和辅助者，学生在基于问题或者项目导向下进行独立探究与协作学习，培养了其沟通能力、问题解决能力以及创新能力。

2.中学生问题解决能力构成

问题解决能力在我们的生活中具有非常重要的作用，可以说，生活就是由无数个大大小小的问题构成，而我们每天的任务就是去解决问题。加涅说过，问题解决能力实质上就是教育活动的主要目的。问题解决由三个部分组成[4]：①认知，指问题解决者对问题的理解与表征、有效的评价与元认知等活动；②态度，指促进问题解决者完成任务的内在必要条件，包括需要、动机、情感和意志等；③操作，是指使学生完成目标的内隐性操作（思维）和外显操作（动作）。

问题解决能力的组成成分因学科的不同而不同，如语文学科教学就很少涉及到操作性技能。笔者认为在机器人教育中问题解决能力的认知成分包含学生发现问题、分析问题、沟通交流、评价以及自我调控和管理的能力，操作能力包括策略选择与制定、实践能力、协作能力以及创造性思维。明确问题解决能力的构成，不但有助于教师明确教学目的，而且也是教学评价的重要依据。

三、培养中学生问题解决能力的机器人课程教学模式设计

Smith[5]指出，影响问题解决的因素可分为内因和外因，内因包括学习者先前的经验、知识储备或者解决问题的方法策略等，外因包括问题结构、情景、复杂性、动态性和领域特殊性，问题解决随外因（本体本生的性质）和内因（学习者如何构想和解决问题）的不同而不同。所以，当教师在建立问题库时或者从问题库搜索合适的问题时，既要依据维果茨基的最近发展区理论，也要考虑问题本质是否能够契合当下教育情景。

在机器人教育过程中，为了更好地培养学生的问题解决能力，我们要遵循科学性、艺术性、设计性、非良构型、迁移性、针对性等原则。笔者结合以上原则，提出机器人教育培养学生问题解决能力的教学模式，见图1。

问题库是各类问题的集合，大致可以看成良构问题、劣构问题两大类。通常在正规教育中，我们选取良构问题作为对象，它被认为是已经转换好的问题，包括良好定义的初始状态、已知的状态和一系列限定好的逻辑操作符[6]。其实，劣构问题对于实际生活更有价值，它是生活中遇见的没有特定解决方法的问题，Hong[7]等人认为解决劣构问题需要掌握必备技能，包括元认知和论证。总而言之，劣构问题是更复杂的问题，在问题库中，这类问题处于高端，需要学生获得必备技能才能够解决，而教育最终的指向就是这类问题。

教师从问题库中选择合适的问题作为教学出发点，开始构建合适的教学场景，在这里，我们要着重突出故事的重要性，创建合适的情景与问题的结构是可以互补的，同时，有助于增加学生对于问题的兴趣，从而增强其内部动机，如贾斯伯系列基于视频的故事问题能够成功吸引学生参与到对复杂数学问题的解决当中，并且促进学生的知识迁移。

教师创设了合适的教学情境之后，要将学生引入情景中，分组或者集体思考讨论本节课所要解决的问题是什么，当学生当前的认知不足以明白问题是什么的情况下，我们就要考虑提供支架，这里的支架包括提问、案例、提示和查询。教师可以通过逐层问答帮助学生弄清楚需要解决的问题是什么，或者通过类似案例的讲解促进学生的迁移，或者提供某些关键性信息，同时教师也可以让学生自己在网上搜索相关信息。

通过以上方法，学生确定问题是什么之后，开始搜集资料和制定相应的计划，在这里，教师要综合考虑学生各个方面实现最佳组合，坚持组间竞争、组内合作的原则，同时，组内任务安排要考虑到学生气质，按照学生气质的不同给予不同类型的任务。

制定計划之后，开始实施，学生需要获得必备的技能，比如，制作一个机器人把游泳池的垃圾捡起来时，学生需要掌握多学科知识，包括电气、机械、机电一体化、工业工程以及计算机科学等方面的知识。初步完成机器人的制作，要对它进行测试和调节，教师需要准备相对应的测量表，以便于学生能根据相应标准进行计算，如果数据不合格，还需要学生进行修改再调试。

最后一步是全班学生和教师共同参与评价，评价方式有教师对学生的评价、学生对教师的评价和学生之间的评价，评价类目主要包含学生发现问题、分析问题、沟通交流、评价以及自我调控和管理的能力，策略选择与制定、实践能力、协作能力以及创造性思维。这时，组内通过他人的意见进行再一次改善，通过多方评价之后，学生可以将成品用于解决实际问题。所以，当教师在选取需要解决的问题时，一定要多方考虑，这里，教师可以参照日本作家粟津恭一郎[8]在著作《学会提问》提出的5W1H和3V相结合的法则，5W1H分别是who（谁）、when（什么时间）、where（什么地点）、what（干什么）、why（为什么）、how（怎么做），3V分别指vision（愿景，个人希望达到的状态）、value（价值，个人在判断事物时重视的价值是什么）、vocabulary（词汇，个人平时交流的常用语）。通过以上法则，教师可以明确提出与教学目标相符合的问题，有助于快速高效地实现教学目标。

四、避障机器人专题设计

小鱼下课后从学校回到家有三条不同的路线，如图2，由于路上停放了车等障碍物，小鱼如何能够避免与障碍物相撞而安全到家呢？教学模式见表1。

教师创设情景，学生分小组进行讨论思考，首先确定问题是需要机器人越过不同的障碍物平安到家。学生通过讨论机器人越过障碍物所需条件，确定本节课问题的重点是传感器的选择和程序编写，如果学生不能确定，教师要通过提示引导学生：“怎样才能使机器人不撞上障碍物呢？我们可以使用什么传感器进行探测呢？”或者教师可以让学生自主查询，或者给予学生一个案例提示，这样在教师的帮助下，学生可以确定本课的重点就是传感器的使用。

小组成员由小组长带领开始进行计划，分工合作，首先确定如何解决问题，然后制定策略，分工到位。将此任务分为两大板块：①硬件板块需要准备哪几个模块，比如接口模块、驱动模块电源模块、检测模块等，本节课重点探测知识为检测模块，小组成员通过上网或者教师提供的资料搜集整理关于传感器的资料，获得关于传感器的知识，包括传感器的发展历史、定义、特点、功能、种类等。具体到相关传感器，在避障过程中，我们可能会选择光敏传感器、触碰传感器、音量传感器、超声波传感器、红外发射与接受器等多种传感器，学生需要整理并且选择合适的传感器。②软件模块采用什么算法。

之后，小组成员开始进行机器人的制作，程序编写，不断进行调试和修正，教师作为帮助者为每个需要帮助的小组提供支持，小组成员完成之后，需要在组内先进行评价、修改，最后在全班进行成果展示。

由此，我们可以总结出机器人教学的优点如下：

（1）激发兴趣。以实际问题为导向，引起学生的兴趣，激发学生的思维。

（2）学生为主。真正体现了学生的“中心”地位，全程体现了“主动”，包括学生主动发现问题、分析问题、确定问题、自主获取资料、计划和实施、调节测试评价。

（3）教师为辅。整个教学过程中，教师扮演学生的帮助者、促进者和引导者，在学生需要帮助的时候给予帮助，不需要时放手让学生去做、去发现、去讨论。

（4）多元化发展。在机器人教育过程中，需要学生紧密的配合，学生在小组中担任不同的任务，促进学生多元化发展。同时，也体现尊重学生学习的个性化，学生可以选择多种方式进行学习或者寻求帮助，不再局限于教师单方面的传授。

（5）问题解决能力的培养。从确定问题到解决问题，体现出学生全程的主动性，学生在学习过程中学会处理内在矛盾和外在矛盾。

（6）多种能力并行发展。学生进行小组协作学习，促进沟通交流能力；学生提出不同的解决问题的方案，培养其创新思维；任务的完成需要动手，培养了他们的实践能力。

（7）多种评价方式。评价方式为过程性评价和结果性评价，分别以个人和小组为单位，既注重学生个人能力的评价，又重视小组成果，有效促进学生展示自我和团队协作，让学生明白合作共赢的理念。

五、问题解决能力培养的措施

加强学生问题解决能力的培养是机器人教育的优势之一，它可以基于现实存在的问题或者项目，极大激发学生的好奇心和兴趣，学生通过自己设计问题解决方案和实施方案，不但培养了学生思维的严谨性和科学性，也加强了动手能力。同时，学生也学会如何评价实施结果，通过多方面和多手段的评价方式，提高了学生思维的思辨性，面对一个问题或是项目，协作学习起着至关重要的作用，使学生明白合作的重要性，提高其沟通交流能力。

培养学生的问题解决能力，教师要做到以下几点：

（1）合理构造问题空间。教师提出的问题必须能够有效帮助学生构造该问题的心理模型，同时能够激发学生的发散性思维，促使学生从多角度思考问题并给出不同的解决方案。

（2）依据学习者特征合理分组。协作学习[9]对提高学生学习成绩、形成批判性思维与创新性思维、增强交流沟通能力等都有明显的作用。

（3）适当采用认知学徒制教学。它是将传统学徒制与学校教育相结合，其任务和情境的真实性可以极大地激发学生的学习兴趣，认知学徒制[10]侧重的是概念知识与实际知识在解决问题和完成任务过程中的应用。

（4）为学生创造成功体验环境。成功体验[11]是指个体在学习活动中，取得成功后产生的自我满足和积极愉快的情绪感受。为学生提供成功的条件，让学生通过努力获得成功，能够进一步增强自信心，获得满足感，从而激发学习动力，形成良好的循环效应。

（5）合理及时的评价以及反馈。及时有效的评价可以促进学生元认知能力的发展，教学中可以采取“多层次、多过程、多元化”的评价方式，多层次代表学生能力、知识储备等的分类，多过程代表要进行多次有效评价，包括诊断性评价、过程性評价和总结性评价，多元化代表评价指标，可以从知识掌握、能力提高、情感获得等方面进行。

（6）注重学习能力的迁移。学习迁移[12]是指将所学的知识、技能、思维方法、原理、情感、态度、价值观等应用到新的情境活动中去。培养学生的学习迁移，可促进学生运用已获得的思维方法在新的情境下分析问题和解决问题。

（7）灵活使用不同的教学方法。不同的教学内容适合不同的教学方法，教师要根据学生、教学内容、教学环境以及教学目标选择合适的教学方法，有效促进教师的教和学生的学。

学生通过机器人教育可以获得多方面的知识和能力，它既是STEAM教育的最佳载体，也契合了我国素质教育的理念，注重培养学生对于实际问题解决能力，提高学生的沟通、交流、合作能力，提供良性竞争和合作共赢的环境，有效促进了学生个人发展和社会发展。促进机器人教育的发展，我们的努力空间还很大。

参考文献：

[1]赵慧臣，陆晓婷.开展STEAM教育，提高学生创新能力——访美国STEAM教育知名学者格雷特·亚克门教授[J].开放教育研究，2016，22（5）：4-10.

[2]殷蔚明，谢靖，许鸿文等.普及机器人教育：工科高校创新教育的一剂良方[J].成功（教育），2007（8）：160-161.

[3]林崇德.构建中国化的学生发展核心素养[J].北京师范大学学报（社会科学版），2017（1）：66-73.

[4]程良道，廖洁敏.简论问题与问题解决的实质——问题解决心理探索之一[J].湖北师范学院学报（哲学社会科学版），2002（4）：16-19.

[5]Smith，M.U.Toward a unified theory of problem solving ： a view from biology[J].Biological Sciences，1988：14.

[6]戴维·H·乔纳森.学会解决问题：支持问题解决的学习环境设计手册[M].上海：华东师范大学出版社，2015.

[7]Hong，N.S.，Jonassen，D.H.，&McGee;，S.Predictors of well-structured and ill-structured problem solving in an astronomy simulation[J]. Journal of Research in Science Teaching，2003，40（1）：6-33.

[8]粟津恭一郎.学会提问：实践篇[M].北京：北京联合出版公司，2017.

[9]郑宁国，严月萍.协作学习小组活动模式研究[J].中国远程教育，2003（17）：46-47.

[10]陈春燕.“认知学徒制”教学模式下学习环境设计的原则[J].职业教育研究，2007（5）：136-137.

[11]赵连城.“成功体验”原理与数学教学[J].中学数学，1995（4）：1-3.

[12]季海涛，凌和军.学习迁移能力研究综述[J].扬州大学学报（高教研究版），2013，17（S1）：3-6.

（编辑：鲁利瑞）