中小学机器人教育的困境与突围

　　钟柏昌

　　(南京师范大学教育科学学院，江苏南京，210097)

　　本文发表于《人民教育》2016年第12期。

　　我国中小学机器人教育的实践历史并不长，最早可以追溯到2000年，北京市景山学校以科研课题的形式将机器人教育纳入到信息技术课程中。随后，越来越多的学校开始了各具特色的机器人校本课程的实践探索。近年来，随着基础教育新课程改革的不断深入实施，我国中小学机器人教育有了较快发展，其教育价值已逐步获得社会认可。最近被社会各界广泛关注的创客空间与创客教育，由于使用的硬件平台相近，其基本内容也多是围绕机器人的设计与创作展开，因而为机器人教育提供了新的发展机遇。

　　客观说，国内中小学机器人教育形式，竞赛模式依然占据主导地位。即使在经济发达地区，中小学机器人教育的普及率依然很低。那些号称开展机器人普及教育的学校，也往往局限于1、2个班级规模的校本选修课，类似后文推介的无锡市南长实验中学那样全面开课的案例甚是鲜见。与之形成鲜明对比的是，校外机器人培训市场却异常火爆。例如，我们最近针对南京市主城区做的一个市场调研发现，主城围内有青少年机器人培训机构将近40家，年培训人数超过1.5万人次，要远远大于校内教育规模。

　　整体而言，我国中小学机器人教育尚处于起步阶段，条件建设、经验积累和代际传承还不够，有诸多问题需要直面和改善，尤其表现在教育装备、教育目标、教育内容、教学方法等方面还缺乏统一认识。

　　一、首选开源硬件，跨越经费门槛

　　毫无疑问，制约机器人教育普及的首要因素是教育经费。除了地区经济发展不平衡因素外，我国教育管理体制中教材与设备分头管理并分开投资的管理方式，也进一步限制了机器人教育经费的投入。但在微观层面，机器人设备本身更值得基层学校关注。我们注意到，目前中小学校所选用的机器人设备，主要有两类，一是乐高等著名厂商出品的机器人，一直以来，竞赛模式主要采用的就是这类设备，但竞赛模式给大家带来的高投入、高成本印象，一直是限制机器人教育普及的门槛，使众多普通学校望而怯步。另一类是教师自主开发的机器人。一些热衷技术设计和发明创造的信息技术教师，他们基于个人的兴趣爱好，也为了减少教育经费短缺的尴尬，自主开发了形态各异的简易机器人，并应用于教育实践。遗憾的是，此类机器人尽管减少了经费投入，但由于缺乏标准化技术和生产的支持，难以大规模推广。

　　现在，我们终于迎来了第三种机器人——以Arduino为代表的开源机器人。如同手机安卓系统一样，各大厂商都可以基于Arduino技术架构开发自己的机器人控制板和周边配套产品，因而与其他机器人品牌(闭源硬件)相比，开源机器人至少具有如下优势：一是遵循国际通用的技术标准，不仅便于国际交流与对话，还可以避免闭源产品技术标准不统一产生的兼容问题，以及由此带来的对特定产品的技术依赖或资源浪费。而且，由于不受单一厂商的约束，使机器人教育摆脱为某一产品服务的嫌疑，为找回教师尊严和教育价值奠定基础，避免了信息技术教育史上类似“微软培训班”的诟病，逃离“乐高培训班”的宿命。再者，由于统一的技术标准形成了成熟的产业链，无论是编程语言，还是电子元器件，均有丰富的配套产品或扩展模块，可以利用Arduino主控板控制各种传感器、电机、网络通信、3D打印机、激光雕刻机等，有利于开发多种多样的创新教学项目，这种扩展性使它不仅可以作为机器人课程的平台，还是当前创客教育的标配之一。此外，开源意味着共享，网络上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开源社区探讨技术问题和教学问题，可以为教师培训和教师专业发展提供丰富的资源。当然，最重要的还是它的价格，一个入门版的Arduino机器人套件，其价格不足500元，而1000元左右的高级套件可以满足中小学机器人普及教育的大部分需要，2-3万元即可装备一个适合大班教学的机器人实验室。

　　当然，Arduino机器人之于普及教育的意义不仅在于学校“买得起”，更在于“用得好”。对于基础教育而言，能否充分发挥教育价值是第一要件，而性能卓越是次要条件。尽管Arduino与某些高端机器人品牌相比存在一些性能上的差距(事实上此种差距正在不断缩小)，但就满足普及教育需要而言，两者并无二致。事实上，也正因为价格低廉，教师才能放手让学生摆弄而非小心翼翼的保护。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，以及那些经济条件有限的学校通过压缩其他教育投入而竞相采购名牌机器人，这两种情况都是对教育经费的浪费，只会加剧地区间教育经费投入和教育资源的失衡。

　　因此，这种廉价的开源机器人产品、设备和方案，对于地区差异明显的发展中大国而言显得尤为重要，为机器人教育从变味儿的竞赛和竞争走向均衡发展的普及教育提供了重要条件和可能性。今年，高中技术课程标准的修订版将正式发布，在新版课标中，机器人教育以类似“开源硬件机器人项目”选修模块的形式出现，其一个重要意图就是倡导以廉价的开源软硬件平台作为普及机器人教育的利器。

　　二、深挖课程思想，重塑教育目标

　　以课程的形式开展机器人教育是一种重要方式。高中技术课程标准修订版也将为此留有空间。但是，机器人课程到底有何本质与内涵?或按当前课程改革的思路，它究竟能培养学生哪些核心素养?进一步说，我们应该围绕什么来构建一个相对完整的十二年一贯制的机器人教育课程体系?遗憾的是，由于缺乏小学和初中信息技术课程国家标准，高中技术课程对机器人课程的设计也才刚刚开始，同时又缺乏充分的实践经验积累，至今我们还没有看到一个较为成熟的中小学机器人课程体系，甚至对机器人器材的适用标准都语焉不详。可以说，当前的机器人课程，缺乏体系，缺乏衔接，更缺乏灵魂——学科思想的提炼。

　　应该说，从教育目标定位的角度看，人们都已认识到通过机器人教育来激发和培养学生创新实践能力的重要性，这个整体目标是没有争议的，而问题在于达成这一目标的具体手段。犹如素质教育目标之于应试手段的关系，机器人教育活动当中也存在目标与手段脱节的问题，在教学活动当中充斥着大量重复性实验、机械性模仿的学习活动。例如，以循迹、走迷宫等“老套”内容为主，或者局限于追求速度和精确性的设计，或者落入“示范-模仿操作”的窠臼，未能关注机器人技术更为广泛的社会应用，未能真正激发学生的发散思维和迁移应用能力。此类教学的长期持续，不可避免的会将机器人教育的核心目标演变为对机器人技术原理的理解和简单技能的操作，从而将创新实践能力的培养流于表面。

　　因此，除了教学方法上的改革，我们还需要思考机器人这门课程究竟可以给学生带来哪些可以终身受用的东西?换言之，每一门课程都应有其独特的课程内涵和教育价值，机器人课程也不例外。例如，在信息技术学科里面，多媒体制作课程的核心是设计思想，可以培养学生的设计思维和设计能力;程序设计课程的核心是算法思想，可以培养学生的算法思维或计算思维。那么，机器人课程的核心是什么?我们认为，它至少有三个核心概念需要提炼和彰显——自动控制理论(或智能控制理论)、工程思想、发明问题解决理论(TRIZ)。其中，自动控制理论是研究动态系统在变化的环境条件下如何自动保持平衡状态或稳定状态的科学思想，要自动保持平衡状态或稳定状态，需要建立系统观念并开展创造性的系统设计;工程思想的核心是利用工程方法创造新的人工制品，在机器人课程里面就是制作具有特定功能的自动或智能控制系统，而且这一创造过程受现实物理条件的制约，需要与现实妥协，因此，有关工程设计思想、逆向工程思想、工程复用思想、工程标准化思想、统筹思维和折中思维等应渗透其中;至于TRIZ，后文将有描述。总之，机器人教育不是为了培养新科技的操作者，而是旨在通过内涵建设，使之能够培养出具有“开物成务”智慧的新生代公民。

　　三、围绕工程教育，实现课程统整

　　当前机器人教育中的一个重要不足，就是局限于学科本位，视野狭隘，不利于学生创新能力的培养，需要向学科整合方向发展。“学科整合”说的是机器人作为一种创新教育平台，可以设计和开发出能解决实际问题的智能人造物，而这一设计和开发过程与我们所熟悉的程序设计不同，它常常需要涉及STEAM(Science、Technology、Engineering、Arts、Mathematics)等多个学科知识的综合应用。在国际范围内，机器人教育也被视作开展STEAM教育的重要工具和抓手。但是，机器人教育并不必然会促进STEAM知识的学习，关键在于能否将机器人教育当成一种工程教育，在面向实际的工程问题的解决过程中，才会卷入各相关学科知识的学习，如此，机器人教育就能成为联系各学科知识、建立整体的认识世界和改造世界的平台。反之，只是将机器人作为学习的对象，则达不到学科整合的效果。我们之所以说当前的机器人教育是学科本位的教学，一个重要的原因在于教学中采用的机器人产品，其结构和配件基本是固定的，学生主要用来学习编程控制的方法，无需做工程层面的设计，再加上要解决的都是所谓技术问题(典型如循迹问题)，而非指向实际生活的问题，导致学科本位的机器人技术内容成为机器人教育的主体甚至唯一内容。简言之，从课程内容的角度看，中小学机器人教育要避免片面强调对机器人技术本身的学习，而应将机器人视作建立学科联系的纽带和载体，树立机器人教育面向生活应用的特色，把学生学习到的零碎知识与机械工程经验转变成一个探究世界相互联系的不同侧面的过程，获得设计能力、合作能力、问题解决能力和实践创新能力的综合提升。

　　需要注意的是，当前逐步流行的创客教育就是一条将机器人教育与STEAM教育紧密结合的实现途径。所谓创客教育，是在创客空间(环境)中开展的培养青少年创客(目的)的一种教育类型，是以造物(手段)的形式培养学生综合实践能力(目标)的一种工程教育(本质)。创客教育的学科整合特性，究其根本在于创客教育是一种面向真实的工程问题的解决过程。大量的研究表明，在创客空间中自然的发生着STEAM教育，有效改变了学生在STEAM中习得的内容和学习的方式，而不是把学生“封闭”在某一个学科里面。但是，这里的学科整合，并不以学会或者掌握系统的各学科知识为目标，它仅仅是作为学科教育的一种有效补充形式，为学生综合应用学科知识提供空间和机会，以感悟知识的力量与价值，获得学习的愉悦与成就感，真正达到“学而时习之不亦乐乎”的状态(注：按南怀瑾先生的注释，此处“习”应理解为“践习”而非“复习”、“练习”)。

　　前述高中技术课程标准修订版所设计的“开源硬件机器人”模块，也将明确强调以开源机器人为基础平台包容STEAM教育和创客教育理念，为学科本位的机器人教育拓展新的空间，赋予其更丰富的教育价值。无论如何，围绕工程教育实现课程统整是机器人教育走向未来的一个重要方向。

　　四、改革教学方法，突破模仿实验

　　从教学方法的角度看，当前的机器人教育侧重模仿实验，重基础轻应用。具体表现在教师基本沿袭信息技术课堂惯用的讲练结合或封闭式任务教学法，以模拟实验或模仿再现生产生活中的科技产品作为主要教学任务，教师通过讲解制作步骤让学生则亦步亦趋完成预定机器人的制作，重在基础知识和基本技能的掌握，学生作品缺少个性化设计，更谈不上创新设计。改革教学方法势在必行，如下四种教学模式值得进一步探索。

　　第一，实验模拟型教学(Learning to Imitate via Robot)。此类教学的基本特点是以机器人相关技术作为教学内容的主体，将机器人本身作为学习的对象，以掌握机器人本体知识为导向。其基本教学过程表现为，根据任务要求，引导学生使用自己的机器人平台构建具有自主控制能力的智能装置，以模拟实验或模拟再现生产生活中既有科技产品的功能或工作过程，在此过程中获得机器人的基础知识和基本技能，并有可能提高学生的逆向工程能力。因此，其核心价值表现为培养学生学会利用机器人模拟再现事物。

　　第二，趣味交互型教学(Learning to Interact via Robot)。所谓趣味交互型教学是指以开发有趣、好玩的机器人联机交互系统为主要任务的教学。其基本形态是在计算机中编写和运行程序，将Arduino作为控制端，通过Arduino与程序交互，而非鼠标与键盘。例如，采用Scratch设计一个趣味小游戏，利用Arduino搭载的各种传感器与游戏进行交互。可见，与实验模拟型教学一样，这是一类以机器人相关技术(含程序设计)为主要内容的教学。

　　第三，科学探究型教学(Learning to Inquire via Robot)。科学探究型教学是另外一类需要设计联机交互系统的教学类型。它以科学问题为导向，将机器人作为开展科学探究的载体和工具，为探究性学习提供数据收集、加工的技术支持。其教学过程一般为，从生活中的科学问题出发，利用机器人建模，制定科学探究方案，开展科学探究实践，利用机器人收集数据，利用程序设计或其他数据统计软件分析数据，使学生在获得机器人本体知识的同时提高科学探究能力，并习得科学知识和科学的思维过程与方法。因此，其核心价值是培养学生学会利用机器人进行科学探究。

　　第四，发明创造型教学(Learning to Invent via Robot)。发明创造型教学，是以实际需求为基本导向、以项目教学为基本方法、以创新实践为核心目标的教学，要求学生通过教学能够制作出具有创新性的智能人造物，这也触及了当下流行的创客教育的本质。但是，在机器人教育领域，目前还没形成指导学生开展发明创造活动的理论和方法。我们认为，国际流行的TRIZ理论是一个可资借鉴的理论基础。TRIZ是俄文缩写，对应的英文缩写为TIPS(Theory of Inventive Problem Solving)，即“发明问题解决理论”。其主要研究人类进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理和法则，它是一种建立在技术系统进化规律基础上的问题解决系统，包括各种理论、方法、工具和程序，同时也是—个创新能力培养体系理论。

　　五、小结

　　普及之路并非坦途，值得庆幸的是，政府和政策层面的支持力度在不断加大，社会和家庭层面对机器人教育的接纳度也在不断上升。随着高中新课标的发布，机器人的普及教育将迎来新的发展机遇。我们的基本判断是，如同上世纪80年代计算机课程刚进入中小学一样，机器人课程也将以必修课、必选课、选修课以及课外科技活动等多种形态共存，并已初现端倪。就当下而言，教育行政部门和学校管理者应该充分认识到机器人普及教育的价值，为机器人教育的普及提供条件支持;机器人教育的研究者和实践者则需要努力积累经验，不断提高机器人教育的思想内涵和品质品味。

　　基金项目：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”(批准号CCA130133)。