机器人项目对青少年工程思维培养的促进作用

凌倩

摘 要：教育部2018年1月16日发布的《普通高中课程方案和语文等学科课程标准（2017年版）》中已将“机器人设计与制作”模块搬入高中信息技术教材，如今机器人教育逐渐成为教育界关注的热点。开展机器人项目教学究竟有什么实际意义？对青少年能力的培养有哪些增益？本文将从工程思维培养的角度，去阐述开展机器人项目教学的现实意义。

关键词：机器人项目;工程思维;培养与促进

中图分类号：TP24-4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）08-0239-02

1 培养青少年工程思维的重要意义

1.1 工程思维的概念

工程思维是指按照某一特定的目标，遵循一定的规范或标准进行设计投入生产或建设，直至制造出产品供应社会或建成设施投入运营，这类实践活动相应的思维方式。

如果说中国的基础学科教学注重的是科学家的培养，那么国外一些发达国家的基础教学理念更偏向于工程师的培养。科学家会证实这件事可以不可以做，工程师需要明白具体怎么做。正如机器人FLL工程挑战赛，每年9月份，FIRST LEGO League向全球参赛队伍公布年度挑战项目，鼓励孩子们通过对机器人的设计、搭建、编程工作来解决现实世界中的问题，从科学思维角度仅仅是需要验证这个方案能不能实现，而工程思维是需要了解用什么技术来实现它。我们不难看出，机器人项目的教学过程旨在培养一种解决问题的能力即培养工程思维的过程。

1.2 培养青少年工程思维的重要意义

1.2.1 是培养青少年综合素质的需要

素质教育是把人的全面发展作为教育的出发点和归宿点，提倡素质教育就是要使每一个青少年先天优势得以充分的发展，同时使他们获得各种优秀品质。以机器人教育为载体，开展青少年工程思维能力的培养是综合素质教育的需要。这种方式同样有利于培养青少年的科学精神和科学作风。机器人制作与实践所需要的严谨性、精确性、可靠性，不仅有严密的逻辑推理，还要经过反复的实践验证，有助于培养青少年形成治学严谨的作风。

1.2.2 是对未来人才提出的新要求

在我国，工程思维的缺乏导致不少初出茅庐的毕业生眼高手低，面临着就业难等问题。即使是大学培养出来的一些学生也还停留在按部就班的程度，却从未反思过为什么这么做？是否根据环境的变化，改进流程，提高效率？而今科学思维，也就是批判性思维被人们不断提起，但是工程思维却常常被忽略。特别是中小学生阶段，我们的青少年往往被灌输一种标准化的解题方式，这种被大多数人看来已经习以为常的教育，竟没有被深究过，殊不知社会上出现的问题，大多是没有标准答案的，这让孩子们长大后将何去何从？而良好的工程思维能力能够反映出来的这种解决问题的能力，正是我们需要从小培养的，是当今社会对未来人才提出的要求。

1.2.3 是提高教学有效性的关键

科技的发展日新月异，知识也在不断地推成出新，当今的有效教学应从“学会学习”这种能力着手。工程思维是基于真实的、实际的问题解决方案，有利于青少年主动地、目标明确地获取知识。因此解决了工程思维的培养问题即解决了教学的有效性。不难发现，机器人项目的开展一直是围绕着解决实际问题展开的探究式学习，在整个探究过程青少年通过不断思考、反复尝试，根据实际情况调整方案，解决矛盾冲突，合理利用现有资源与时间完成指定任务，需要具备动手能力与运用数据结构编写程序完成实际任务的能力。这种发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的学习过程即是我们所需的有效教学的过程。

1.2.4 是提高教学可操作性的途径

近年来，伴随着社会各界对科学教育质量要求的不断提升，美国国家研究协会出台了《K-12年级科学教育框架》，该框架围绕“科学和工程实践、跨学科的概念、学科核心观念”的维度组织，着重体现了注重实践操作并让青少年在较少内容上实现真正学习。该框架将工程教育纳入到了K-12年级的科学教育中，2017年颁布的《义务教育小学科学课程标准》中提出了“技术和工程”这一新的领域。为如何进行科学探究指明了实现途径，使抽象的理论找到了实践的落脚点，提高了教学的可操作性。

2 开展机器人项目对青少年工程思维培养的促进作用

2.1 中小学阶段机器人项目教学的内容与形式

工程思维培养必须从娃娃抓起，中小学阶段机器人项目教学的内容包括机械搭建、传感技术、工艺设计、程序编程等。形式主要有：机器人竞赛项目，比如全国青少年机器人竞赛、全国中小学电脑制作活动;另一方面在教育部的推动下，“机器人设计与制作”模块陆续搬入信息技术课堂;再者，近年来在全国范围内全面铺开的校内课后服务活动中，开展了各种以培养青少年综合能力为目的的机器人项目。机器人项目教学的普及让神秘又遥不可及的机器人技术走进校园，对青少年工程思维的培养起到很好的促进作用。

2.2 机器人项目实践有效促进了青少年工程思维的培养

工程是指人类为实现自己的需要，对已有的物质材料和生活环境加以系统性的开发、生产、加工、建造等实践活动。其中，工程设计就是指导这整个过程的方案，而这个方案不仅要涉及自然科学和技术专业的知识和经验，并且还会涉及社会科学、人文科学、环境科学等。机器人项目实践则是运用指定品牌的机器人设备以实现某项任务目标去设计拼装机器人，并输入编写好的程序在控制器与传感器的配合下去达到完成任务的目的。而这个过程教会青少年能够把学到的知识应用于解决问题方面，是技术与工程领域的一个核心内容。

在机器人教育中，机器人主体设计能够很好地锻炼青少年的工程思维。期间青少年必须根据目标要求系统地、综合地、有创造性地完成主体设计，然后使用机器人套装的组件去完成主体的搭建工作，而搭建组装的过程会涉及到机械、电子、运动学、动力学控制理论、传感检测、计算机技术等多门学科的综合运用，而这仅仅是第一步。机器人主体设计还需要在接下来调试机器人的过程中不断修改完善。这整个过程不仅能够很好地体现工程设计的思想，同時也是训练工程思维的有效途径。

程序编写是机器人项目教学的核心。程序编写本身就需要掌握程序语言、算法、数据结构等诸多领域的基础学习。而在机器人竞赛项目中青少年还需要根据实际情况设计机器人运行线路，根据机器人的结构编写相应的程序，以达到完成竞赛任务的目的。程序编写的过程可以锻炼青少年严谨仔细的个性，能够增强青少年的逻辑思维能力，对工程思维的培养亦有很好的促进作用。

系统调试是机器人项目教学的关键，也是最能培养青少年能力的环节。青少年可以通过反复测试，分析现象，发现问题，提出修改方案及时调整，使机器人表现出最佳状态。系统调试可以从实践性、实用性、综合性视角有效地培训青少年的工程思维。

3 机器人项目教学对培养青少年工程思维需避开的误区

3.1 忽视了对青少年能力的培养

機器人项目教学综合了机械、电子、传感技术、计算机及人工智能领域的各种最新成果，机器人竞赛从机器人项目的设计、制作、调试到参赛，具有实践性强、探索性强和综合性强的特点。旨在加强青少年对各方面知识的综合理解与运用，激发青少年求知欲，提高青少年团队合作能力，以达到进一步开发青少年工程思维能力的目的。但目前很多实施机器人教育的学校与机构以竞赛成绩作为主，吸引儿童与青少年参与。从机器人的设计到编程基本上都是由老师来完成，青少年只管比赛时候开机摆位置。尽管在短期内能获得所谓的成绩及名次，但这种“投机取巧式”的赛前准备也限制了对青少年创新能力的开发和培养，对于机器人教育的长远发展是不利的。

3.2 缺乏专职机器人教育的辅导教师

由于编制、职称、政策、待遇等问题，大多数学校不会专门招聘有机器人教育资质的科技辅导教师，一般都由信息技术教师或物理教师兼任，或只是委托学校年轻教师担任，老师们为了职称评审的需要，也仅仅是短暂从事青少年机器人教育工作。另一方面，国家对机器人教师尚没有专门的职称评定，对相关机构的开设也没有专门的资质要求。导致机构中担任机器人指导教师的这一批年轻人，大部分没有经过专业的机制培训，知识技能还是在师傅带徒弟这种传统的模式下学习的。从事该方面教育的辅导员不仅对机器人教学没有一个比较统一的理念和教学目的，还存在着流动性大，责任心不强等问题。这对以培养青少年工程思维为目的的青少年机器人教育是极为不利的。

3.3 国内环境影响制约着机器人教育的发展

受国内大环境的影响，国产硬件及机器人系统上远落后于一些国际一线品牌。比如乐高的NXT、EV3、EV5机器人教育套装，以其专利积木为核心，零件种类多达2000多种，质量要求严格，具有非常高的灵活度和可塑性，自由发挥的空间很大，同时该教育套装编程环境丰富、上手快，适合不同的年龄层次。因此，从2001年中国青少年机器人竞赛创办初期，西觅亚科技有限公司可以说在很长时间内一直独霸中国机器人市场。这也是导致机器人设备价格长期高居不下的原因之一。随着机器人教育的蓬勃发展，国内各种机器人厂商如雨后春笋般层出不穷，但这些以竞赛为目的生产、研发的机器人系统通用性、组合性较差，且编程环境选择面窄，局限性大。有些竞赛项目如二对二机器人足球项目和二对二机器人篮球项目甚至是需年年更新，重复性投资且价格昂贵。机器人竞赛项目为了扶持国内企业，近年来新增赛事已逐步向国内机器人产品倾斜。而在利益的刺激下有些商家将原本以培养青少年工程思维等综合能力为目的的竞赛变成各种设备的财力比拼。更甚者有搭配比赛项目方案进行更新捆绑销售，这种现状会将“机器人教育以培养青少年工程思维能力为目的”彻彻底底变成了一种有名无实的噱头，最终将制约着机器人教育的健康成长。

3.4 对机器人教育存在片面认识

在辅导机构遍地开花的中国，青少年学习压力大时间少。机器人教育在很多家长眼中变成了与学习对立的一种学科。在每一个被沉甸甸的书包压住的孩子心里，他们或许已经挤不出更多的时间去探索机器人的奥秘。虽然近几年来，我们机器人教育也在蓬勃发展，相关机构层出不穷。但大部分家长和孩子都是秉着偶然玩玩、练练动手能力的心态参加，往往很快就放弃了。若没有中高考加分，没有特长生录取，能鼓励孩子坚持学习机器人的家长寥寥无几。工程思维的培养过程需要调动各种感官去经历，用自己的心灵去感悟，经过失败与成功的磨练。而机器人项目探究经历的这种由思考到实践，总结经验确定方案到最后实施完成的过程恰是提升青少年工程思维能力的炼金炉。但这种培养是需要反复去磨练的，时间的缺失让原本需要亲力亲为的探究过程变成照样画葫芦或人云亦云，很大程度制约了青少年的创造力，减少了应有的挫折感，从而弱化了对儿童及青少年工程思维的培养。

4 结语

机器人技术已走进我国大部分的省市中小学信息技术课程，截至至2018年全国开设机器人专业的大学院校多达87所。但作为新兴学科，机器人项目尚缺乏对该项目核心价值的界定与研究，而如何运用机器人项目教学手段培养青少年工程思维，将素质教育落实到实处，是一项很有意义的事业。

参考文献

[1] 王荣良.机器人教育与工程思维关系之研究[J].中国教育信息化.基础教育，2008（12）：27-29.

[2] 薛清平.青少年机器人教育的误区[J].价值工程，2012，31（7）：147-148.