基于核心素養的中小學機器人教材內容設計

鐘柏昌　張祿

機器人課程強調手腦并用、知能并舉，是開展創客教育的基礎，更是培養中小學生科學素養和創新實踐能力的重要載體。作為中小學機器人普及教育的推動者之一，我們最新承擔了河北省小學和初中機器人教材的開發工作。在此，結合該套機器人教材的設計思路探討基于核心素養的中小學機器人教材內容設計。

指導理念：核心素養的三層架構

經常有人問道，與科學課程、信息技術（此處特指計算機）課程相比，機器人課程有何獨特性？或者更直白地說，如何辨別一堂課是否屬于機器人課？其實，這些問題的背后，關心的是機器人課程到底有何獨特的教育價值。

要回答這一問題，可以回到當前基礎教育課程改革強調核心素養的語境中來。當下倡導課程改革的人士認為，基礎教育的核心要義不是用以培養學生成為單純的有知識、技能并掌握方法的人，而是使之成為有修養的人，有智慧的人，這樣的人不妨暫時稱之為有“核心素養”的人。至于何謂核心素養，由何構成，論者觀點不一。在此，我們嘗試將學科核心素養刻畫為三個層次：最底層的“雙基指向”（簡稱“雙基層”），以基礎知識和基本技能為核心；中間層的“問題解決指向”（簡稱“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度為核心；最上層的“學科思維指向”（可以簡稱“學科思維層”），指在系統的學科學習中通過體驗、認識及內化等過程逐步形成的相對穩定的思考問題、解決問題的思維方法和價值觀，實質上是初步得到學科特定的認識世界和改造世界的世界觀和方法論。

核心素養的三層架構圖

在核心素養的三層架構中，雙基層為較低抽象層次的基礎層，問題解決層為較高抽象層次的承上啟下層，學科思維層為最高抽象層次的高級層；而雙基層和問題解決層組成的“四基”，即基礎知識、基本技能、基本方法和基本態度與價值觀，成為學科思維層的基礎，亦受學科思維層的指引，這樣達到了向下層層包含、向上逐層歸因。

以核心素養的三層架構為指引，我們希望學生能夠在機器人課程中不僅學到與機器人相關的基礎知識與基本技能，也能獲得利用機器人技術解決實際問題的能力，更能形成利用機器人分析問題、解決問題的思維方法和價值觀，初步得到利用智能裝置改造生活的方法論和認識人工智能的世界觀。這一描述，可以理解為中小學機器人課程的整體目標和核心價值所在。為方便理解，我們嘗試做進一步描述如下。

雙基層：掌握面向對象程序編寫的基本方法；理解基于“控制—傳感—通信—結構”框架下的機器人運作原理，掌握控制簡易機器人的基本方法，知道常用的傳感器及其使用方法，了解機器人的基本物理結構和傳動機制，能夠使用3D打印、激光雕刻等新技術設計結構件；理解測試與調試的工程設計方法。

問題解決層：能夠根據實際需求出發，設計創意，搭建簡易機器人解決問題；能夠利用測試與調試的工程設計方法對機器人進行優化；初步嘗試解決“工程”開發過程中的矛盾與沖突，能夠運用統籌與折中、成本與效益等工程管理思想優化智能裝置的開發過程。

學科思維層：感悟創意思維，形成創造意識，理解從單純的數字產品的消費者轉變為兼有數字產品制造者角色的社會意義；認識迭代思維的一般性并理解其普遍價值；能夠認識到標準化構件及其復用之于提升工程質量和效率的重要性；理解抽象與建模是實現自動化求解的基本方法，能夠認識到抽象與建模是人類認識和改造世界的基本方法；理解測試與調試、統籌與折中、成本與效益等工程思想，具備認識世界和改造世界的系統思維。

我們認為，具有這些核心素養的課程就可以稱之為機器人課程，就可以認為是具有獨特教育價值的課程。

平臺選擇：Arduino的四重優勢

機器人教材與其他信息技術教材不同，需要依托某一特定的機器人器材。不同的器材，在教育價值的體現上存在差異。本套教材將采用Arduino套件，可以說，選擇開源硬件作為中小學機器人教材的載體，將是政府許可的中小學教材中的第一次，也是一次頗具挑戰性的嘗試。那么，我們為什么選擇Arduino而不是其他品牌？它能否有效承載上述核心素養的培養？

毋庸置疑，市場上面向教育的機器人產品豐富多樣，據不完全統計，至少有二十多個品牌，但是哪些產品適合課堂普及教育，需要有一些關鍵指標對其電子元器件、編程環境、外形結構進行測評。我們認為，教育機器人除應滿足《國家玩具安全技術規范》等強制性國家標準外，結合基礎教育的特點，可重點考察如下指標：①經濟性：機器人及其配件價格低廉，甚至部分配件可由教師自制或進行二次開發；②方便性：方便裝備和使用，甚至可以在現有學校計算機機房中開展實驗而無須專用教室，有適用不同年齡段使用的編程環境，有封裝良好的電子元器件及函數庫；③功能性：交互性強，配件豐富，編程環境友好，運行速度快，可以支持各種創意設計；④穩定性：搭建的機器人結構穩定，材質較好，接口不易磨損，元器件性能穩定；⑤規范性：具有通用的技術標準；⑥教育性：元器件封裝程度和功能設計符合科學性和教育性要求，能正確地向學生傳遞科學知識，適應適用學段學生的認知水平，并有豐富的共享資源供師生學習、參考。以這些指標為參考基礎，就普及教育需要而言，以Arduino為代表的開源機器人套件應當是目前最符合要求的硬件平臺。

事實上，就普及教育而言，相比其他品牌，Arduino的優勢特別體現在如下四個方面。

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

國際標準。Arduino具有通用、開放的技術標準，有大批的國內外廠商設計和制作基于Arduino技術標準的機器人產品或相關電子產品。采用Arduino作為機器人教育平臺，一方面方便國際交流與對話，可以借鑒國際同行的機器人教育研究與實踐經驗，縮小與發達國家的技術積累和教育經驗積累差距，形成可能的后發優勢；另一方面，可以避免閉源產品因各自為政而產生的技術標準不一的問題。技術標準不統一，自成體系，互不兼容，不僅導致零配件無法通用而造成技術依賴或重新采購新品牌而造成的浪費，而且容易出現不利于基礎教育的科學性問題，如相當部分的閉源產品包括某些國際著名品牌配套的編程語言甚至不能正確表達三種基本程序結構，給知識結構尚不成熟、不穩定的中小學生帶來不必要的誤導或認知沖突。顯然，這樣的機器人品牌不適合基礎教育的需要。

價格低廉。毫無疑問，對于中小學機器人普及教育而言，價格低廉是一個重要優勢，特別是對于地區差異明顯的發展中大國而言尤為重要。那些價格動輒幾千甚至上萬元的名牌機器人顯然不符合當下普及機器人教育的條件。當然，Arduino機器人價格低廉之于普及教育的意義顯然不僅在于學校“買得起”，更在于“用得好”。其潛在的邏輯是，對于普及教育而言，能否充分發揮教育價值是第一原則，而性能卓越是第二原則。盡管Arduino與某些高端機器人品牌相比可能存在性能上的差距（事實上此種差距正在不斷縮小），但是就教育價值而言，Arduino完全可以保證上述核心素養的教育。因此，基于第一原則，我們有理由相信Arduino將成為后起之秀，占據基礎教育市場的半壁江山，事實上，在大學教育領域，Arduino早已“占山為王”。換言之，某些發達地區的學校因在經濟上較為充裕而采購價格高昂的名牌機器人，或者某些經濟能力有限的地區和學校，為了追求“高大上”的“形象工程”需要，壓縮其他教育投入而競相采購名牌機器人，這兩種做法本質上都是對教育經費的浪費，是不必要的奢侈投入，只會加劇地區之間教育經費投入的失衡。相反，選用Arduino機器人，實質上是對無序競爭的教育經費投入的一種約束，從這個意義上說，選擇Arduino機器人而不是高端機器人品牌，是促進教育公平的一種表現。

擴展性好。Arduino的擴展性體現在兩個方面，一是因技術上具有良好的兼容性而形成了成熟的產業鏈；二是嵌入式特性使其能夠廣泛應用于各種電子產品原型的開發中。技術層面，源于開源硬件的特性，具有通用技術標準，Arduino平臺具有很好的兼容性，不僅可以與Scratch、Flash、Android、Processing等編程環境結合，還可以與其他電子元配件結合，甚至由于Arduino的良好兼容性，已有不少機器人品牌公司已在或計劃在原有產品基礎上開發Arduino版本的機器人套件。應用層面，因技術上的兼容性，Arduino具有豐富的功能強大的擴展模塊，可以控制各種傳感器、電機、網絡通信、3D打印機、激光雕刻機等，有利于開發各種各樣的創新教學項目，因此在教育領域，它不僅可以作為機器人課程的平臺，還可以借由機器人課程自然過渡到創客教育，Arduino本身也是目前創客教育的標配之一。而其他機器人產品往往缺乏這種擴展性，難以開展自由、開放的創意設計和制作。也正因為此，我們認為Arduino相比其他機器人品牌，在上述機器人課程核心素養的承載上更具優勢。

內容設計：內容串聯的兩條線索

在具體教材內容的設計層面，我們采用了明、暗兩條線索串聯整體內容。下文將以我們正在編寫的小學機器人教材（共2冊）和初中機器人教材（共1冊）為例，介紹其主要設計思路。

明線方面，主要以聚類思想為指導設計教材內容的整體框架和章節結構。所謂聚類，又可理解為類聚，即根據事物具有的某種相似的屬性，將其聚集為一類。聚類化課程設計思想，就是依據某種線索組合一系列教學項目，形成具有內在聯系、螺旋上升和發散結構的教學單元，循序漸進地展開課程。根據已有研究，大致有三種聚類方式：以相似的功能聚類，以相似的目標聚類，以相似的技術思想聚類。在本套教材中，三冊內容的頂層聚類線索為：“計算機控制機器人—機器人控制計算機—機器人的自主控制”。其中，六年級上冊側重“計算機控制機器人”，其二級主題以機器人組成為線索，按“控制器—驅動器和執行器—傳感器”分別聚類設計各單元課時；六年級下冊側重“機器人控制計算機”，即側重計算機與機器人之間的通信與交互，但也會適當兼顧到“計算機控制機器人”與“機器人的自主控制”，實現上下銜接；八年級下冊側重“機器人的自主控制”（即輸入與輸出的自動化），按輸入與輸出為線索由易到難進行二級主題（單元）的聚類，如“數字輸出與模擬輸出（LED）—數字輸入（電子骰子）—模擬輸入（蜂鳴器）—單電機控制（風扇）—雙電機控制（小車）”。

暗線部分，即將核心素養滲透于每個單元和每節課當中。以蜂鳴器單元（第七課：機器人唱歌、第八課：火災報警裝置）為例，其核心素養如下。

雙基：了解蜂鳴器、火焰傳感器的工作原理，知道模擬傳感器的一般使用方法，能夠根據音頻對應的數值編寫音樂程序；了解模擬輸入的概念，能夠正確插線；了解串口監視器的作用和使用方法。

問題解決：能夠設計創意制作有趣的機器人發聲互動作品；能夠根據生活需求設計創意制作有應用價值的報警裝置。

學科思維：感悟創意思維；掌握同類問題的建模思想和方法，以及測試與調試方法。

注：本文系國家社科基金教育學青年項目“多平臺、跨學科、聚類化、重創造的中小學機器人教育研究”（項目編號：CCA130133）的階段性研究成果。

（作者單位：南京師范大學教育科學學院）