鐘柏昌　張祿

機(jī)器人課程強(qiáng)調(diào)手腦并用、知能并舉，是開展創(chuàng)客教育的基礎(chǔ)，更是培養(yǎng)中小學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新實(shí)踐能力的重要載體。作為中小學(xué)機(jī)器人普及教育的推動(dòng)者之一，我們最新承擔(dān)了河北省小學(xué)和初中機(jī)器人教材的開發(fā)工作。在此，結(jié)合該套機(jī)器人教材的設(shè)計(jì)思路探討基于核心素養(yǎng)的中小學(xué)機(jī)器人教材內(nèi)容設(shè)計(jì)。

指導(dǎo)理念：核心素養(yǎng)的三層架構(gòu)

經(jīng)常有人問道，與科學(xué)課程、信息技術(shù)（此處特指計(jì)算機(jī)）課程相比，機(jī)器人課程有何獨(dú)特性？或者更直白地說，如何辨別一堂課是否屬于機(jī)器人課？其實(shí)，這些問題的背后，關(guān)心的是機(jī)器人課程到底有何獨(dú)特的教育價(jià)值。

要回答這一問題，可以回到當(dāng)前基礎(chǔ)教育課程改革強(qiáng)調(diào)核心素養(yǎng)的語(yǔ)境中來。當(dāng)下倡導(dǎo)課程改革的人士認(rèn)為，基礎(chǔ)教育的核心要義不是用以培養(yǎng)學(xué)生成為單純的有知識(shí)、技能并掌握方法的人，而是使之成為有修養(yǎng)的人，有智慧的人，這樣的人不妨?xí)簳r(shí)稱之為有“核心素養(yǎng)”的人。至于何謂核心素養(yǎng)，由何構(gòu)成，論者觀點(diǎn)不一。在此，我們嘗試將學(xué)科核心素養(yǎng)刻畫為三個(gè)層次：最底層的“雙基指向”（簡(jiǎn)稱“雙基層”），以基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能為核心；中間層的“問題解決指向”（簡(jiǎn)稱“問題解決層”），以解決問題過程中所獲得的基本方法和基本態(tài)度為核心；最上層的“學(xué)科思維指向”（可以簡(jiǎn)稱“學(xué)科思維層”），指在系統(tǒng)的學(xué)科學(xué)習(xí)中通過體驗(yàn)、認(rèn)識(shí)及內(nèi)化等過程逐步形成的相對(duì)穩(wěn)定的思考問題、解決問題的思維方法和價(jià)值觀，實(shí)質(zhì)上是初步得到學(xué)科特定的認(rèn)識(shí)世界和改造世界的世界觀和方法論。

核心素養(yǎng)的三層架構(gòu)圖

在核心素養(yǎng)的三層架構(gòu)中，雙基層為較低抽象層次的基礎(chǔ)層，問題解決層為較高抽象層次的承上啟下層，學(xué)科思維層為最高抽象層次的高級(jí)層；而雙基層和問題解決層組成的“四基”，即基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能、基本方法和基本態(tài)度與價(jià)值觀，成為學(xué)科思維層的基礎(chǔ)，亦受學(xué)科思維層的指引，這樣達(dá)到了向下層層包含、向上逐層歸因。

以核心素養(yǎng)的三層架構(gòu)為指引，我們希望學(xué)生能夠在機(jī)器人課程中不僅學(xué)到與機(jī)器人相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)與基本技能，也能獲得利用機(jī)器人技術(shù)解決實(shí)際問題的能力，更能形成利用機(jī)器人分析問題、解決問題的思維方法和價(jià)值觀，初步得到利用智能裝置改造生活的方法論和認(rèn)識(shí)人工智能的世界觀。這一描述，可以理解為中小學(xué)機(jī)器人課程的整體目標(biāo)和核心價(jià)值所在。為方便理解，我們嘗試做進(jìn)一步描述如下。

雙基層：掌握面向?qū)ο蟪绦蚓帉懙幕痉椒?；理解基于“控制—傳感—通信—結(jié)構(gòu)”框架下的機(jī)器人運(yùn)作原理，掌握控制簡(jiǎn)易機(jī)器人的基本方法，知道常用的傳感器及其使用方法，了解機(jī)器人的基本物理結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)制，能夠使用3D打印、激光雕刻等新技術(shù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件；理解測(cè)試與調(diào)試的工程設(shè)計(jì)方法。

問題解決層：能夠根據(jù)實(shí)際需求出發(fā)，設(shè)計(jì)創(chuàng)意，搭建簡(jiǎn)易機(jī)器人解決問題；能夠利用測(cè)試與調(diào)試的工程設(shè)計(jì)方法對(duì)機(jī)器人進(jìn)行優(yōu)化；初步嘗試解決“工程”開發(fā)過程中的矛盾與沖突，能夠運(yùn)用統(tǒng)籌與折中、成本與效益等工程管理思想優(yōu)化智能裝置的開發(fā)過程。

學(xué)科思維層：感悟創(chuàng)意思維，形成創(chuàng)造意識(shí)，理解從單純的數(shù)字產(chǎn)品的消費(fèi)者轉(zhuǎn)變?yōu)榧嬗袛?shù)字產(chǎn)品制造者角色的社會(huì)意義；認(rèn)識(shí)迭代思維的一般性并理解其普遍價(jià)值；能夠認(rèn)識(shí)到標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件及其復(fù)用之于提升工程質(zhì)量和效率的重要性；理解抽象與建模是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化求解的基本方法，能夠認(rèn)識(shí)到抽象與建模是人類認(rèn)識(shí)和改造世界的基本方法；理解測(cè)試與調(diào)試、統(tǒng)籌與折中、成本與效益等工程思想，具備認(rèn)識(shí)世界和改造世界的系統(tǒng)思維。

我們認(rèn)為，具有這些核心素養(yǎng)的課程就可以稱之為機(jī)器人課程，就可以認(rèn)為是具有獨(dú)特教育價(jià)值的課程。

平臺(tái)選擇：Arduino的四重優(yōu)勢(shì)

機(jī)器人教材與其他信息技術(shù)教材不同，需要依托某一特定的機(jī)器人器材。不同的器材，在教育價(jià)值的體現(xiàn)上存在差異。本套教材將采用Arduino套件，可以說，選擇開源硬件作為中小學(xué)機(jī)器人教材的載體，將是政府許可的中小學(xué)教材中的第一次，也是一次頗具挑戰(zhàn)性的嘗試。那么，我們?yōu)槭裁催x擇Arduino而不是其他品牌？它能否有效承載上述核心素養(yǎng)的培養(yǎng)？

毋庸置疑，市場(chǎng)上面向教育的機(jī)器人產(chǎn)品豐富多樣，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，至少有二十多個(gè)品牌，但是哪些產(chǎn)品適合課堂普及教育，需要有一些關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)其電子元器件、編程環(huán)境、外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)評(píng)。我們認(rèn)為，教育機(jī)器人除應(yīng)滿足《國(guó)家玩具安全技術(shù)規(guī)范》等強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)外，結(jié)合基礎(chǔ)教育的特點(diǎn)，可重點(diǎn)考察如下指標(biāo)：①經(jīng)濟(jì)性：機(jī)器人及其配件價(jià)格低廉，甚至部分配件可由教師自制或進(jìn)行二次開發(fā)；②方便性：方便裝備和使用，甚至可以在現(xiàn)有學(xué)校計(jì)算機(jī)機(jī)房中開展實(shí)驗(yàn)而無(wú)須專用教室，有適用不同年齡段使用的編程環(huán)境，有封裝良好的電子元器件及函數(shù)庫(kù)；③功能性：交互性強(qiáng)，配件豐富，編程環(huán)境友好，運(yùn)行速度快，可以支持各種創(chuàng)意設(shè)計(jì)；④穩(wěn)定性：搭建的機(jī)器人結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，材質(zhì)較好，接口不易磨損，元器件性能穩(wěn)定；⑤規(guī)范性：具有通用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；⑥教育性：元器件封裝程度和功能設(shè)計(jì)符合科學(xué)性和教育性要求，能正確地向?qū)W生傳遞科學(xué)知識(shí)，適應(yīng)適用學(xué)段學(xué)生的認(rèn)知水平，并有豐富的共享資源供師生學(xué)習(xí)、參考。以這些指標(biāo)為參考基礎(chǔ)，就普及教育需要而言，以Arduino為代表的開源機(jī)器人套件應(yīng)當(dāng)是目前最符合要求的硬件平臺(tái)。

事實(shí)上，就普及教育而言，相比其他品牌，Arduino的優(yōu)勢(shì)特別體現(xiàn)在如下四個(gè)方面。

開源硬件。與其他機(jī)器人品牌（閉源硬件）相比，作為開源硬件，Arduino有兩方面的優(yōu)勢(shì)：一方面不受單一廠商的約束，可以避免產(chǎn)品、技術(shù)和價(jià)格上的壟斷，避免信息技術(shù)教育歷史上類似“微軟培訓(xùn)班”的詬病，抑或逃離“樂高培訓(xùn)班”的宿命，可以正大光明地?cái)[脫為某一產(chǎn)品服務(wù)的嫌疑，為找回教師尊嚴(yán)和機(jī)器人教育的普適價(jià)值回歸奠定基礎(chǔ)；另一方面有豐富的開源共享資源可資利用，有大量的作品創(chuàng)意和代碼可供模仿和借鑒，有成熟的Arduino開源社區(qū)（例如，論壇：http：//www.dfrobot.com.cn/community/forum.php，http：//www.geek-workshop.com/forum.php；QQ群：319059620，101680302）探討技術(shù)問題和教學(xué)問題。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。Arduino具有通用、開放的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，有大批的國(guó)內(nèi)外廠商設(shè)計(jì)和制作基于Arduino技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器人產(chǎn)品或相關(guān)電子產(chǎn)品。采用Arduino作為機(jī)器人教育平臺(tái)，一方面方便國(guó)際交流與對(duì)話，可以借鑒國(guó)際同行的機(jī)器人教育研究與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)積累和教育經(jīng)驗(yàn)積累差距，形成可能的后發(fā)優(yōu)勢(shì)；另一方面，可以避免閉源產(chǎn)品因各自為政而產(chǎn)生的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不一的問題。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，自成體系，互不兼容，不僅導(dǎo)致零配件無(wú)法通用而造成技術(shù)依賴或重新采購(gòu)新品牌而造成的浪費(fèi)，而且容易出現(xiàn)不利于基礎(chǔ)教育的科學(xué)性問題，如相當(dāng)部分的閉源產(chǎn)品包括某些國(guó)際著名品牌配套的編程語(yǔ)言甚至不能正確表達(dá)三種基本程序結(jié)構(gòu)，給知識(shí)結(jié)構(gòu)尚不成熟、不穩(wěn)定的中小學(xué)生帶來不必要的誤導(dǎo)或認(rèn)知沖突。顯然，這樣的機(jī)器人品牌不適合基礎(chǔ)教育的需要。

價(jià)格低廉。毫無(wú)疑問，對(duì)于中小學(xué)機(jī)器人普及教育而言，價(jià)格低廉是一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)，特別是對(duì)于地區(qū)差異明顯的發(fā)展中大國(guó)而言尤為重要。那些價(jià)格動(dòng)輒幾千甚至上萬(wàn)元的名牌機(jī)器人顯然不符合當(dāng)下普及機(jī)器人教育的條件。當(dāng)然，Arduino機(jī)器人價(jià)格低廉之于普及教育的意義顯然不僅在于學(xué)校“買得起”，更在于“用得好”。其潛在的邏輯是，對(duì)于普及教育而言，能否充分發(fā)揮教育價(jià)值是第一原則，而性能卓越是第二原則。盡管Arduino與某些高端機(jī)器人品牌相比可能存在性能上的差距（事實(shí)上此種差距正在不斷縮?。蔷徒逃齼r(jià)值而言，Arduino完全可以保證上述核心素養(yǎng)的教育。因此，基于第一原則，我們有理由相信Arduino將成為后起之秀，占據(jù)基礎(chǔ)教育市場(chǎng)的半壁江山，事實(shí)上，在大學(xué)教育領(lǐng)域，Arduino早已“占山為王”。換言之，某些發(fā)達(dá)地區(qū)的學(xué)校因在經(jīng)濟(jì)上較為充裕而采購(gòu)價(jià)格高昂的名牌機(jī)器人，或者某些經(jīng)濟(jì)能力有限的地區(qū)和學(xué)校，為了追求“高大上”的“形象工程”需要，壓縮其他教育投入而競(jìng)相采購(gòu)名牌機(jī)器人，這兩種做法本質(zhì)上都是對(duì)教育經(jīng)費(fèi)的浪費(fèi)，是不必要的奢侈投入，只會(huì)加劇地區(qū)之間教育經(jīng)費(fèi)投入的失衡。相反，選用Arduino機(jī)器人，實(shí)質(zhì)上是對(duì)無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)的教育經(jīng)費(fèi)投入的一種約束，從這個(gè)意義上說，選擇Arduino機(jī)器人而不是高端機(jī)器人品牌，是促進(jìn)教育公平的一種表現(xiàn)。

擴(kuò)展性好。Arduino的擴(kuò)展性體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是因技術(shù)上具有良好的兼容性而形成了成熟的產(chǎn)業(yè)鏈；二是嵌入式特性使其能夠廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品原型的開發(fā)中。技術(shù)層面，源于開源硬件的特性，具有通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，Arduino平臺(tái)具有很好的兼容性，不僅可以與Scratch、Flash、Android、Processing等編程環(huán)境結(jié)合，還可以與其他電子元配件結(jié)合，甚至由于Arduino的良好兼容性，已有不少機(jī)器人品牌公司已在或計(jì)劃在原有產(chǎn)品基礎(chǔ)上開發(fā)Arduino版本的機(jī)器人套件。應(yīng)用層面，因技術(shù)上的兼容性，Arduino具有豐富的功能強(qiáng)大的擴(kuò)展模塊，可以控制各種傳感器、電機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、3D打印機(jī)、激光雕刻機(jī)等，有利于開發(fā)各種各樣的創(chuàng)新教學(xué)項(xiàng)目，因此在教育領(lǐng)域，它不僅可以作為機(jī)器人課程的平臺(tái)，還可以借由機(jī)器人課程自然過渡到創(chuàng)客教育，Arduino本身也是目前創(chuàng)客教育的標(biāo)配之一。而其他機(jī)器人產(chǎn)品往往缺乏這種擴(kuò)展性，難以開展自由、開放的創(chuàng)意設(shè)計(jì)和制作。也正因?yàn)榇?，我們認(rèn)為Arduino相比其他機(jī)器人品牌，在上述機(jī)器人課程核心素養(yǎng)的承載上更具優(yōu)勢(shì)。

內(nèi)容設(shè)計(jì)：內(nèi)容串聯(lián)的兩條線索

在具體教材內(nèi)容的設(shè)計(jì)層面，我們采用了明、暗兩條線索串聯(lián)整體內(nèi)容。下文將以我們正在編寫的小學(xué)機(jī)器人教材（共2冊(cè)）和初中機(jī)器人教材（共1冊(cè)）為例，介紹其主要設(shè)計(jì)思路。

明線方面，主要以聚類思想為指導(dǎo)設(shè)計(jì)教材內(nèi)容的整體框架和章節(jié)結(jié)構(gòu)。所謂聚類，又可理解為類聚，即根據(jù)事物具有的某種相似的屬性，將其聚集為一類。聚類化課程設(shè)計(jì)思想，就是依據(jù)某種線索組合一系列教學(xué)項(xiàng)目，形成具有內(nèi)在聯(lián)系、螺旋上升和發(fā)散結(jié)構(gòu)的教學(xué)單元，循序漸進(jìn)地展開課程。根據(jù)已有研究，大致有三種聚類方式：以相似的功能聚類，以相似的目標(biāo)聚類，以相似的技術(shù)思想聚類。在本套教材中，三冊(cè)內(nèi)容的頂層聚類線索為：“計(jì)算機(jī)控制機(jī)器人—機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)—機(jī)器人的自主控制”。其中，六年級(jí)上冊(cè)側(cè)重“計(jì)算機(jī)控制機(jī)器人”，其二級(jí)主題以機(jī)器人組成為線索，按“控制器—驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行器—傳感器”分別聚類設(shè)計(jì)各單元課時(shí)；六年級(jí)下冊(cè)側(cè)重“機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)”，即側(cè)重計(jì)算機(jī)與機(jī)器人之間的通信與交互，但也會(huì)適當(dāng)兼顧到“計(jì)算機(jī)控制機(jī)器人”與“機(jī)器人的自主控制”，實(shí)現(xiàn)上下銜接；八年級(jí)下冊(cè)側(cè)重“機(jī)器人的自主控制”（即輸入與輸出的自動(dòng)化），按輸入與輸出為線索由易到難進(jìn)行二級(jí)主題（單元）的聚類，如“數(shù)字輸出與模擬輸出（LED）—數(shù)字輸入（電子骰子）—模擬輸入（蜂鳴器）—單電機(jī)控制（風(fēng)扇）—雙電機(jī)控制（小車）”。

暗線部分，即將核心素養(yǎng)滲透于每個(gè)單元和每節(jié)課當(dāng)中。以蜂鳴器單元（第七課：機(jī)器人唱歌、第八課：火災(zāi)報(bào)警裝置）為例，其核心素養(yǎng)如下。

雙基：了解蜂鳴器、火焰?zhèn)鞲衅鞯墓ぷ髟?，知道模擬傳感器的一般使用方法，能夠根據(jù)音頻對(duì)應(yīng)的數(shù)值編寫音樂程序；了解模擬輸入的概念，能夠正確插線；了解串口監(jiān)視器的作用和使用方法。

問題解決：能夠設(shè)計(jì)創(chuàng)意制作有趣的機(jī)器人發(fā)聲互動(dòng)作品；能夠根據(jù)生活需求設(shè)計(jì)創(chuàng)意制作有應(yīng)用價(jià)值的報(bào)警裝置。

學(xué)科思維：感悟創(chuàng)意思維；掌握同類問題的建模思想和方法，以及測(cè)試與調(diào)試方法。

注：本文系國(guó)家社科基金教育學(xué)青年項(xiàng)目“多平臺(tái)、跨學(xué)科、聚類化、重創(chuàng)造的中小學(xué)機(jī)器人教育研究”（項(xiàng)目編號(hào)：CCA130133）的階段性研究成果。

（作者單位：南京師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院）