机器人课赛结合项目对创新设计素养的培养

常州市青少年活动中心 吴 强

一、机器人课赛结合项目的选立

（一）项目提出的背景

常州市青少年活动中心作为常州市初高中生的劳动实践基地，自2015年起一直施行以提高学生学科核心素养为主旨，以设计学习、操作学习为主要特征，立足实践、注重创造、体现科技与人文统一的课程。劳动教育不同于传统教育中教师为主导的教学方式，填鸭式的教学是无法在劳动教育课程中开展的，相比于书本，生活经验以及社会实际才是劳动教育要采用的教科书。机器人课程一般以技术性实操学习作为课程内容，教师示范讲解为主，如何让学生能自发主动地进行专业学习和探索，促使教师对教学形式以及内容进行思考和改变。

劳动教育本就应以现实生活为本位，教师的视角也要从狭小的课堂中向更为广阔的真实社会生活中转移，在机器人专业领域，机器人技术的发展与进步和机器人比赛息息相关。著名的机器人DARPA挑战赛就是旨在加快推进机器人的研发进度，推进机器人领域的技术创新发展。在该赛事的推动下，人形机器人的发展得到了提速，各项技术创新也不断涌现。而在职业类院校中，开展职业技能竞赛一直是作为提高教育教学质量的重要手段之一。因此课赛融合的教学模式在职业类院校中比较普及，以赛促教，以赛促学成为职业院校开展日常教学的大趋势。

（二）确立课赛结合项目

学生来常州市青少年活动中心参加完劳动实践后不会直接进入到机器人专业挑战赛或者职业技能比赛中进行角逐，这不是这门实践课程的目标，也不符合学生的实际能力水平。在江苏，每年由省科协、省教育厅、省科技厅、省发改委、省文明办、省生态环境厅、省体育局、团省委、省妇联、省知识产权局主办的江苏省青少年机器人竞赛为全省广大青少年机器人爱好者搭建成果展示和竞技交流平台，吸引了全省13个设区市上千名选手参加。常州市青少年活动中心每年都积极参加各级各类机器人竞赛活动，对于省机器人竞赛也极度重视，每年都会从中心的学员中选拔队伍参加比赛，课赛结合项目就着眼于中心参加竞赛中的赛项进行选择，设置课程内容，实施课堂教学。

机器人比赛如同大型的运动会，里面的赛项繁多，而不同赛项之间是没有兼容性的，中心从投入度、展开度、可实施性多角度来综合考虑，先后选择了WER（能力风暴机器人）和ENJOY AI（鲸鱼机器人）竞赛项目作为课赛结合的具体实施项目。在经过教程编写、投入试点、打磨精研之后，项目课程正式进行了近4年的实施。在实施过程中，接触了全市不同学校的学生，在培养青少年创新思维、实践能力和科学素质上得到了正面积极的反馈。

二、创新设计素养的培养

（一）创新设计素养内涵

在当前日益关注创新的环境下，设计素养被西方发达国家作为提高国家创新力和竞争力的关键要素，并作为公民的终身学习要素之一。国内外在艺术、技术学科中会去关注对学生设计能力的培养，在阐释学科素养或课程目标时，描述学生所需具备的设计能力，如英国“设计与技术”课程要求学生通过各种创造性和实践性的活动，参与设计与制作过程，具备一定的设计能力。

新课程标准中明确提出了通用技术课程的五大学科核心素养：技术意识、工程思维、创新设计、图样表达、物化能力。其对创新设计的描述是：基于技术问题进行创新性方案构思的一系列问题解决过程。所以，创新设计素养是针对创新设计的过程而言体现出来的知识水平与能力——是否对技术问题有技术分析能力，能否依据合理的人机关系通过常用构思方法进行方案构思，能否用技术语言将构思进行表达。在机器人课程中，教师培养学生的创新设计素养是培养学生能基于机器人的功能性要求，进行机器人的技术特点分析，完成具有一定创新性的方案构思，并将方案进行具象化进行技术验证。

（二）课赛结合与创新设计素养的契合点

（1）发现和挖掘用户需求：教师在课堂上作为举办方向学生布置机器人竞赛任务，对学生提出规则性的方案要求，学生作为参赛的机器人工程师要去了解教师提出竞赛的具体要求细节，明确自己的任务。

（2）发现与明确技术问题，并判断是否具备解决问题的技术能力和条件：学生根据实际领取的规则任务去明确机器人的功能结构组成，判断哪些功能是在目前的知识技能水平之下可以实现的，哪些功能需要经过再学习才能得以实现，通过教师提供的课件资源寻找技术问题的解决方法。

（3）根据设计要求和制约条件，运用测量、绘图、建模等设计方法和常用的创新技法，提出各种可能的构思方案：学生通过阅读了解竞赛详细规则，观察教室中的比赛实际场地环境，结合所提供的机器人制作材料，通过绘制草图，搭建机器人的功能模型进行方案的呈现，产生可能的机器人解决方案。

（4）运用实验、评估等方法，不断对多种方案进行权衡、优化和改进，综合考虑多种因素，选定满足设计要求的最佳方案：学生通过在场地上调试自行设计搭建的机器人，对自己的设计方案进行技术测试验证，根据测试结果不断对机器人进行针对性的改进和优化，综合考虑速度、稳定性、复杂程度和效率因素等，选定最佳的方案由教师进行验收评定。

（三）项目中创新设计素养培养的举措

1.进行启发性的任务引导

万事开头难，学生如果从一开始就茫然无措，之后创新设计的过程也就无法顺利执行，培养学生的素养也就无从谈起，所以在项目开始的时候就要进行正确引导。在解读“教是为了不需要教”时会有人出现偏差，以为就是课堂不需要教师去教，只需要学生完全自主学习，这就曲解了这句话的含义。教师是为了以不教的目的进行教学，将知识进行凝练，用启发的方式让学生自主通过练习去了解掌握这些知识。

在机器人课赛结合的课堂开始，教师不是甩手将比赛任务扔给学生，而是要给学生讲解机器人需要达成的哪些技术要点，如巡线功能、机械臂的驱动，这些软硬件的技术实现就是引导学生要去完成的任务。为了完成机器人的设计组装，学生必定会利用身边的教学资源去攻克这一系列的技术问题。

为了激发学生的设计思路，有一个更加明确的目标方向，学生正式开始前会有观看前一年比赛方案视频的环节，虽然无法直接去完成课堂上的任务，但是通过视频会让学生受到一定的启发，学习到一些设计思路和方法。在设计时，教师也会启发让学生利用自己的生活经验，将生活中的一些机械结构进行迁移使用。

2.设置机器人方案设计构思表

素养不仅包含认知与技能等后天可教可学的能力，更凸显态度、情感、价值观的重要性，强调品评、判断，其隐形特质需要潜移默化地长期培养，以形成适当的行为自觉与自律。评价学生创新设计素养无法靠一般的量性总结评价直接判断，因为创新设计不是只指向最终的设计结果，而是围绕技术问题而展开设计的整个过程，因此，在项目中教师应该更加关注学生在活动过程中所体现出来的设计素养，而不是仅对于学生最后制作的机器人进行技术性能性的判定。

机器人方案设计构思表就是为了更好地了解学生在设计过程中的素养呈现而设置的，这也很好地弥补了教师无法全面对全体学生进行过程性关注这一缺点。毕竟教师的精力也是有限的，无法做到对每个学生都能自始而终的观察。反之，构思表也让学生更加关注自己的整个设计制作流程，整理自己针对机器人的技术问题如何解决的思路，利用技术图样将自己的设计方案具象表现出来，继而去将方案付诸实际，对方案进行验证和再发现问题重新进行分析。这是学生自我总结归纳提升的过程，也是培养学生创新设计素养经历的步骤。

3.为学生创新设计素质设置水平梯度评价

与以往结果性导向的评价体系不同，此项目培养学生创新设计素养是从学生的整体性的培养去考虑的，将过程性与结果性相协调，根据新课程标准的核心素养水平划分，结合项目的具体实施情况，对创新设计素养进行分级，设置了5个水平梯度的评价，见表1。

表1 水平梯度评价

学生和教师都可以通过这张梯度表去找到相对应的水平，教师可以了解目前学生所达到的在创新设计素养上的等级，并根据不同的发展状况提供相对应的指导，学生则可以有清晰的能力达成目标，从而有的放矢地进行自我提升。

4.从课堂走入真实比赛

如果说将机器人竞赛项目引入到课堂上进行整合教学是“贴近生活”，那让学生在课堂之后进行延伸，参加真正的机器人竞赛活动就是“融入生活”。正如之前说的素养需要潜移默化地长期培养，课堂有限的时间可以开发学生的创新性，后续参加竞赛活动则能让学生自身的创新设计素养得到不断的培养和展示，其水平梯度自然也会慢慢得到提升。

三、课赛结合对创新设计素养培养的表现

（一）机器人设计方案构思表反馈

为了能具象化学生的创新设计素养表现，进而了解到学生的素养水平，教师可在课堂上给每一个小组发放构思表，以便学生将自己的方案构思清晰直观地表现出来，图1为其中一些小组的构思表。

图1 构思表

从学生反馈的构思表中可以直观了解到学生在设计制作过程中的所思所想，他们根据每个任务的要求进行机器人性能结构的分析和设计，并将脑中的设计方案用草图的形式呈现出来。最终设计制作的机器人也是利用他们的设计方案制作而成的，并且不同小组针对同一个任务，设计的思路和实现的方式不同就会产生出不同的方案，学生会有自己独特的创新想法，在解决了一系列技术问题之后最终得到了实现，学生在取得成功的过程中同时也提高了自身的素养。

（二）机器人竞赛收获

在实施课赛结合项目的这些年里，常州市青少年活动中心每年都从课堂中选拔学生去参加常州市教育局、江苏省教育厅组织的机器人大赛中的ENJOY AI竞赛项目，并且每年都获得了优异的成绩。2022年7月，常州市青少年活动中心代表队喜获省青少年机器人竞赛ENJOY AI挑战赛初中组一等奖（冠军），这是此竞赛项目在江苏省内最高的奖项。通过课赛结合项目的实施，学生在课堂上培养了自身创新设计素养，同时到了真正的机器人赛场上更是体现了课程项目给他们根植下的优秀素养。

四、结语

机器人课赛结合项目切实贴合创新设计素养培养的要求，培养了学生解决问题的能力、编程实践能力以及创新设计能力，凸显学生自主探究的主人翁意识。常州市青少年活动中心多年的课程实施以来，对来自全市不同学校学生的创新设计素养都起到了明显的培养作用，无论从课堂上的综合表现还是在课堂外的机器人竞赛中，都能看出学生自身素养的提升。