漫談：課堂里的機器人（一）

吳俊杰等

欄目寄語：新技術進入教育領域，加快了教育改革的步伐，新與舊的碰撞、前衛與傳統的沖突引發了強烈的社會輿論，而身為教育者則需用更為理性、通透的眼光去審視現象的背后。本欄目將聚合你我他的觀點，以開闊讀者的思路，共同促進教育大發展。

隨著信息技術及教育事業的發展，特別是人工智能與機器人技術的結合，機器人教育正在逐漸進入教育領域，顯露出在培養學生綜合素質方面的優勢。

為推動全國中小學機器人的普及教育，推進機器人進課堂的步伐，2013年4月26日至27日，首屆全國中小學機器人教學展示活動在北京景山學校舉行。本次活動由中國教育技術協會信息技術教育專業委員會主辦，活動期間，包括北京景山學校在內的全國9個省、直轄市的12名優秀中小學信息技術教師與景山學校學生一起，為大家奉獻了12節精彩的機器人現場展示課。

課堂上，教師們使用的教學平臺各具特色，既有方便的機器人仿真程序，也有注重培養學生綜合實踐能力的實物機器人；教學內容也是豐富多彩，《火星探險任務之到達巖石取樣點》一課，學生通過機器人程序的參數設置來改變機器人運動路線，《認識傳感器》一課，學生學習了傳感器的定義及常見分類、理解各種傳感器功能、練習傳感器的測試方法、根據應用確立滿足傳感器觸發條件數據；教學方法也是各有千秋，包括講授法、演示法、討論法、體驗法、自主學習法、任務驅動法等，異彩紛呈。

隨著課程改革的不斷深入，機器人教育在信息技術課程中將占據越來越重要的地位，那么，今天的信息技術教師對機器人教學有怎樣的認識？從小學習機器人，對于學生來講有何益處？機器人教學方面又存在著哪些需要我們解決的問題呢？

本期我們請來參加本次展示活動的教師，一起漫談那些在中小學生課堂里的機器人。

主持人：談到機器人，我本身就對它有很多情結，參與了這次活動，看到老師們在課堂的真實教學情景，更是讓我對機器人產生了一個特別奇怪的看法。

我覺得一方面機器人寄托了人們對科學、對技術的種種幻想，另一方面，它又是一種現實中的技術，而且只要我們稍加學習，就可以理解其中的基本原理。所以，我突然發現它就像是一個人的思維的完美寫照，既有感性的幻想與聯想，又有理性、客觀的邏輯思維。在課堂上，學生的思維仿佛就附著在這些機器人身上，隨著它們的運行，隨著它們在不同場景的出現，讓思維得到訓練。所以機器人教學，也就更像是一門運動思維的藝術，因而會對教師的教學能力有一定的要求。

吳俊杰：機器人是一個綜合了科學、技術、工程學、數學四個領域的綜合領域。這種綜合性導致了教學設計的難度，也是目前機器人課程體系難以建立的原因。所以，要想解決這些問題，應該先探討以下問題。

我們知道，通用技術和信息技術有著天然的聯系，那么在信息技術中使用機器人和在通用技術中使用機器人的區別是什么呢？

李巖：個人認為，無論是通用技術還是信息技術，它們都屬技術領域，許多原因導致了現今科目分離的現實。如果從課程層面來說，通用技術涉及機器人有必修技術與設計2中的結構、系統、流程、控制等單元，以及選修簡易機器人專題，當然它還會融入通用技術課程的能源、材料、工具和設計等內容。而信息技術則可能更多的在選修算法和程序設計部分較多涉及。機器人技術本身綜合度很大，涉及的學科應當說是涵蓋了信息技術和通用技術的基礎內容。

機器人在信息技術和通用技術課程中可能更多的以智能技術制品（軟硬一體）、復雜系統為代表，作為學生學習的典型性內容。就課程具體的使用來說，還要看教學目標的設定和學生發展的需求，選取機器人的某個方面作為學習內容，從結構設計、材料加工，到制作機器人的機械結構、自主設計機器人作品等。但將機器人作為技術課程的主體內容，或是自選材料自制機器人作品，這在課時、師資、資源以及可行性等方面還是很有挑戰的。因而，傳動、控制等核心部件可能仍然需要借助一些現有的教育資源和材料，這樣會讓機器人學習更多、更廣泛地走進課堂。

向金：我也覺得，機器人本身是一個綜合學科，在機器人的學習中涉及的很多內容是完全割裂的，我認為很不可取。當然，在不同的學科中，機器人教學的側重點會有所不同。在信息技術中，更多的是對于使用現代信息技術來綜合解決一個關于機器人的問題，如機器人的信息處理、邏輯思維甚至于模糊算法等人工智能。通用技術中，則更多的是關注機器人基本原理上的學習，如結構設計上的、程序策略上的。其實，這些在信息技術中都可能有所體現。從這個角度上說，信息技術中的機器人落腳點，應該是綜合利用信息技術來解決一個綜合的機器人問題。而通用技術，更多是在“通用”二字：是尋找機器人的基本制作規律、工作規律等。

吳俊杰：可見，綜合的機器人課程，需要建立在系統的分科機器人課程的基礎之上。“信息技術中的機器人+通用技術中的機器人=STEM視野中的機器人教育”。

李巖：但建立體系所面臨的困難，也有可能是分科過細所致。

吳俊杰：怎么理解分科過細呢？

李巖：STEM可以選取機器人的主題，但不是必然。技術課程應當是一個整體，整體的課程框架、內容、教學組織等，現在它們雖屬于同一領域，卻是分開的兩個科目。

吳俊杰：技術領域應該是四個基本領域中的一個大領域，但是技術領域隨著工程實現的門檻降低，面臨著萎縮的可能性。所以教學的內容還不夠豐富。

李巖：就基礎教育領域而言，一門中小學生課程，它會也應當基于一個更寬廣的視野，面向情況更為多樣的教育實際，與北京相比，全國的情況還是很多樣化的。

吳俊杰：同意，特別需要這種多樣化，它是對現有課程體系的一個重要的補充。

我的意思是，在信息技術中學好機器人程序設計后，在通用技術學科的機器人學習中把能源和結構的問題搞清楚，最后在綜合的STEM技術課程當中以多種形式應用機器人，但如果這樣做，現有的技術領域的課時和學分都是不夠的。

在信息技術和通用技術當中機器人都是教具，信息技術當中用來講解通訊技術和智能技術，感測技術和控制技術，要偏理論一些。如此看來，信息技術當中的機器人更像一個物理實驗室的儀器，所以才會有信息技術實驗這個領域。

向金：沒錯，信息技術中的機器人教學，機器人只是一個載體（信息技術的具體載體），通過這個載體，學生的學習重點是如何利用信息技術來解決問題，從而提升信息技術素養，這其中特別是信息的整理、搜集能力。而通用技術中的機器人，更多的是偏重于通過機器人發現和學習相關的通用性技術。

吳俊杰：但通用技術當中的機器人，不應該是一個獨立的內容，機器人的套件是一種高級的材料教學內容，機器人的馬達和連接桿是一種結構教學內容，機器人的能量來源，電池的壽命，能夠提供的功率是能源的教學內容，而綜合使用機器人完成一個任務，如“智能風扇”等，則屬于設計的內容。

向金：通用技術分得更細致一些。而且通用技術是國家課程，信息技術是地方課程，矮了一截！但是現在看來，如果高中才有通用技術課的話，我覺得不利于學生的學習。

主持人：兩位老師提到機器人是教學的載體，那么機器人與書本、計算機等教學載體相比，有怎樣的差別呢？

向金：首先機器人作為一個教育載體，從本質上講，和其他教具沒有區別。但是，它的特別之處在于：它是一個綜合性的載體，這其中承載了很多知識和能力的學習，不是課本、計算機所具有的。還有，學習機器人除了理論上的支撐外，還需要實踐及動手能力。

吳俊杰：是這樣的。課堂中機器人的獨特性，也跟教師的能力很有關系。談到作為教具的機器人我也有自己的觀點。

1.機器人是信息技術中講解感測與控制技術的很好的教具，但是作為教具出現的機器人需要重新設計，要注意適合大班教學，適合原理教學，易于維護，體積要小。

2.機器人是信息技術當中講解程序設計的教具，但是不能用機器人簡單地替代程序設計。機器人程序語言相對于一般的程序設計語言有其特殊性，程序設計語言有其特殊的案例，如數據庫的檢索、排序之類的案例是很少出現在現行的機器人程序當中的。另外，作為一個相對于計算機更加高級和成本更高的教具，一定要用在必須用的案例和情境下，節約教學成本，維持學生興趣的穩步提升。不要讓教師變成一個不斷地拿出新鮮玩意兒的“魔術師”，而要讓教師做一個沉穩老練理性地用程序和恰當合理的外設提供解決方案的“工程師”。

3.使用機器人從事信息技術教學的時候，可以適當弱化機器人“長得像人一樣”的日常概念，事實上有一些比較復雜的，有十幾個舵機的機器人，只是長得像人的“機械裝置”，而且這種對“人形”的追求，會造成成本的虛高。當然這也不是否定人形機器人，只不過看如何應用，景山學校學生曾經開發過人形機器人，這個過程很痛苦，包括人行走運動的建模，數據的測量，舵機的選用，單片機控制程序的編寫，成本的核算，裝置穩定性的測試等一系列的工作，如果學生的工作量比較大，教學過程中用到的綜合能力比較全面，完全可以將人形機器人作為一個學生需要攀登的“高峰”，這是非常有教學價值的，但是如果僅僅是一些控制指令的調試，用一套現成的設備做一個“舞蹈”，這樣投入和產出的比例就不太理想。

主持人：您談得很細致，充分說明了機器人作為教具的重要性，以及它如何做好一個教具。但是我們還需要在此之前解決另一個問題，就是我要替學生問一下，為什么我們要在信息技術課程中開這門機器人課？或者說機器人對于信息技術教學有怎樣的意義？

吳俊杰：這也正是我想繼續談的內容。我想機器人對于信息技術的教學意義在于，在信息技術各學段和各種教學內容當中機器人都可以當作教具使用，教具有強教具和弱教具之分，強教具就是小學和初中大概一個學期的“機器人程序設計”課程，教具本身是實驗儀器；弱教具就是指在其他的信息技術教學內容當中的教學情境設計，案例要求，錄制短片的拍攝對象，通信實驗的實驗儀器，這些教學需求當中都可以把機器人當作是一種弱教具來處理。在掌握程序編寫和簡單的機器人操作之后，學生在弱教具使用的情境當中，同樣可以編寫程序制作實驗儀器，這時弱教具就變成了強教具。以上是機器人在信息技術課程中合法性分析的第一個觀點：機器人可以成為信息技術教學的重要教具。

那么為什么要在小學和初中開設一個學期的“機器人程序設計”課程呢？原因首先是機器人程序設計是一個軟硬結合的程序設計，這門課程可以把之前學習的只在計算機或者計算機之間應用的普通程序，拓展到物理世界當中來；其次，機器人程序設計有其自身的特點，如環境因素對程序參數的影響，走迷宮，巡線，足球對戰，機器人之間的通訊配合，這些機器人的程序是很有特點的，有其特定的教學價值；最后，機器人程序設計的應用領域很廣泛，從智能家居、到物聯網，從工程應用到科學研究，從競技比賽到裝置藝術，這種在藝術、研究和工程等多個領域的應用案例，拓展了信息技術的應用領域和表現力。回答信息技術中機器人的教學合法性的問題，首先要回答“信息技術學科”的教學合法性問題，信息技術學科植根于人在技術的“加持”之下能力的提升，如果說計算機是對人思維層面的提升，機器人就是對人的行為層面的提升，最終都是為了提高人的“自我效能感”。

通用技術當中的機器人教學的合法性的原因是什么呢？通用技術學科的主線有這樣幾條，第一條是“設計”，第二條是“材料”，第三條是“工具”，第四條是“自動化”。小學和初中的程序教學和機器人程序設計教學要解決通用技術課程當中“自動化”環節當中的基本的程序設計問題。機器人的設計是通過高級的二級材料，用比較高級的工具來完成一個自動化裝置的設計過程。這個過程是通用技術多條主線的綜合提升。

主持人：您說完以后，我最大的感觸就是下期咱們又有好的話題可聊了！我想其他嘉賓也想談談自己對以上問題的看法，而且您其中用到很多名詞，如裝置藝術、人的“自我效能感”等，我覺得分析一下，對于人們對技術和教育理解方面都會有幫助。

向金：看了吳老師的發言，獲益匪淺。迫不及待談談我的一些看法：目前機器人教學還處在初級階段，因為機器人進課堂是一個很復雜的命題。從國際以及全國來看，能做到普及的并不是很多，究其原因，除了費用的問題之外，我覺得還有很多就是這個學科的定位問題，教學目標問題。

機器人是創新教育的載體：從我們學校來看，當初設定機器人課程作為學校的校本課程，主要目的并不是為了讓學生掌握多少關于機器人的知識，而是為了給他們創設一個創新的環境和思維。機器人是一個非常好的創新載體，尤其是在小學信息技術課程中，我不知道其他地區的信息技術的教材如何，陜西省內的信息技術教材更多關注的是對于計算機的操作，而操作無創新。機器人則不同：學生可以根據自己的喜好進行廣泛的設計和創意，雖然很多時候會失敗，但是學生在失敗中總是在尋找著一些規律。

機器人是非常好的解決問題、能力培養的工具：在機器人教學中，雷同的作品一般很少，解決方案也各有不同，從這一點上來說：其創新教育的成分大于技術教育的成分。在機器人教學中，我們一般都要先進行項目的分析；然后制定自己的項目方案；接下來則是實際的搭建、編程，接著是驗證自己的方案；通過驗證，再次發現問題，修訂自己解決問題的方案。這其實就是一套完整的系統學習能力、解決問題能力的培養。

張立新：談到機器人的教學我也來講幾句，就目前的國情來看，大面積開展以機器人實體為載體的機器人教學尚有一定的困難，資金問題是一方面，單就課堂教學來講，四十多人的課堂如果是一位教師教學的話很難進行，另外還牽扯到場地的問題，所以我認為機器人教學只能以小班的方式進行。但是可以考慮機器人虛擬環境下的教學，就我們學校來講就是在課堂中以虛擬機器人的方式進行的。據我所知北京市西城區在教研員朱慧老師的帶領下也是這樣做的。

向金：其實機器人的經費投入是很頭疼的事情。我們現在的校本課程分為好幾個層面。實體機器人和虛擬機器人都有，從學校來看，比較傾向于虛擬的：一次投入，不需要太多的后續費用。但是實體的不行，我們用的是樂高的，每年補充器材就需非常大的經費投入。

主持人：那么如果像以上兩位老師說的，我們采用虛擬機器人來替代機器人，這兩者之間會有怎樣的區別呢？這次活動中就有用虛擬機器人教學的老師，如果有軟件公司的介入，虛擬機器人教學的空間豈不是更大嗎？

陳杰：兩者之間還是有很大差別的，不能比。例如，最近我在搞ARDUINO，在電路的連接上就存在這樣的問題。如果你用虛擬的軟件來模擬電路安裝，你是無法了解實際電路走線的。下頁圖1是用微動開關控制的LED燈，是理想的線路圖，但是實際操作卻未必這樣連接，下頁圖2為實際的線路連接方法。我們此前做實驗遇到了這個問題，我們用萬用表測量出微動開關出現了問題，但是這種情況，如果是放在虛擬軟件中，就不一定能接觸到。軟件是理想環境，只要你的線路連接正確，就會給出正確實驗結果。現實中要考慮的因素太多了，而這些在虛擬中不一定都能體現。這就是虛擬實驗室無法取代真實實驗的原因。

主持人：也就是說機器人教學中學生動手實操的過程是非常重要的。現實中如何解決這些問題，也是學生要掌握的內容，甚至只有經歷了這些，學生才能獨立地解決問題，教學才能達到效果。

向金：而且，虛擬最大的問題是學生的創新還是會有局限性，最起碼受軟件的限制。學生更喜歡真實的東西，這也是我上課最大的感受。

張立新：目前，機器人教學不能搞一刀切，要根據各地各校的情況靈活開展，可以做出幾套不同的方案，有錢就做有錢的，沒錢就做沒錢的。有條件的話當然還是機器人實體優先，但是目前大多數學校還是無法做到，特別是西部地區的教學條件很艱苦，很難實現。

主持人：但機器人作為教具是可以轉化其形式的，這次活動中，吳老師講課就沒有特別具體的機器人，而是自己制作了一些小教具，也可以讓學生學到其中的原理，更有趣味性，學生也可以自己動手做。

陳杰：是的，目前出現的機器人都是各大廠家做好的東西，我更傾向使用類似電子積木的東西。

主持人：話題既然落在這里，我想下期可聊的內容就更多了，為了讓想開機器人課卻沒有資金或不知道怎么開展的學校和老師，能夠順利開展課程，讓好學的孩子學到這門綜合性很強的課程。咱們可以來談一談自己的高招，說說這些年教學的心得體會，以及這次活動的收獲！下期《視點·圓桌》，不見不散！