淺議機(jī)器人教育中 高中生認(rèn)知模型的優(yōu)化

摘要：本文作者通過(guò)強(qiáng)化機(jī)器人教育的教學(xué)重點(diǎn)環(huán)節(jié)，構(gòu)建理論與實(shí)踐的“通路”，避免以往理論+解題技巧的“機(jī)械”模式，而采用理論+實(shí)踐的“試錯(cuò)”模式，在即時(shí)錯(cuò)對(duì)的反饋之中，刺激認(rèn)知模式的修正，以達(dá)到認(rèn)識(shí)模式的優(yōu)化效果。通過(guò)這類(lèi)教學(xué)模式來(lái)深化三層認(rèn)知理論結(jié)構(gòu)，即直覺(jué)—邏輯—意義。在直覺(jué)與意義中，強(qiáng)化邏輯思考的能力、反思的能力，從而培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人教育;教學(xué)模式;認(rèn)知模式

中圖分類(lèi)號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2021）08-0088-03

● 背景研究

1.新高考改革學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

教育部印發(fā)的《關(guān)于全面深化課程改革落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)的意見(jiàn)》中，第一次提出“核心素養(yǎng)體系”這個(gè)概念。核心素養(yǎng)是指學(xué)生在接受相應(yīng)學(xué)段的教育過(guò)程中，逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力。核心素養(yǎng)的提出，明確了學(xué)校要培養(yǎng)什么樣的人以及怎么培養(yǎng)。

2.學(xué)校教育存在實(shí)踐教育的缺失

研究表明，學(xué)習(xí)的本質(zhì)是遷移。而傳統(tǒng)教育依托的是工業(yè)時(shí)代的教學(xué)模式，僅僅注重理論習(xí)得，不斷通過(guò)“原理—習(xí)題—反思”這一模式培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的興起，如今的時(shí)代對(duì)人才的需求以單一型轉(zhuǎn)向復(fù)合型，即需要在理論中有鉆研，同時(shí)又能在實(shí)踐中有發(fā)揮的人才，也就是STEM型人才。

3.機(jī)器人教育在中學(xué)開(kāi)展存在的誤區(qū)

機(jī)器人教育是一門(mén)綜合性的學(xué)科，涵蓋電子、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)、物理等各方面知識(shí)，開(kāi)設(shè)機(jī)器人教育這一課程，目的是提升學(xué)生的反思能力，促進(jìn)學(xué)生自主創(chuàng)新精神。但是學(xué)校或家長(zhǎng)，往往將機(jī)器人教育功利化，將機(jī)器人教育作為便捷進(jìn)入名校的敲門(mén)磚，忽視了機(jī)器人教育課程本身的魅力。

● 機(jī)器人教育及認(rèn)知模型概念界定

高中階段機(jī)器人教育的主要任務(wù)為指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)自主運(yùn)行的機(jī)器人并完成規(guī)定任務(wù)。內(nèi)容包括兩個(gè)方面：①機(jī)器人物理框架設(shè)計(jì)，包括材料、結(jié)構(gòu)、電路等;②軟件功能設(shè)計(jì)，包括任務(wù)的建模，算法的設(shè)計(jì)，程序的編寫(xiě)及調(diào)試、優(yōu)化等。軟件功能設(shè)計(jì)內(nèi)容涉及計(jì)算機(jī)編程、牛頓運(yùn)動(dòng)力學(xué)、數(shù)學(xué)概率和統(tǒng)計(jì)等高中階段的必修知識(shí)。因此，筆者將高中階段的機(jī)器人教育聚焦于物理、數(shù)學(xué)與編程知識(shí)的融合。

認(rèn)知模型是一個(gè)人在獲得教育之后逐漸形成的對(duì)待周邊的人或事的思考方式的規(guī)則。將這些規(guī)則組合在一起，就形成了個(gè)人的認(rèn)知模型。由此可見(jiàn)，認(rèn)知模型是學(xué)習(xí)者通過(guò)不斷的實(shí)踐，并且反思后形成的后天習(xí)得觀念。因此，這種認(rèn)知模型一旦建立，便很難動(dòng)搖。人對(duì)事物的看法，經(jīng)認(rèn)知模型解釋后，就會(huì)變成自身的行動(dòng)綱要。高中生的認(rèn)知模型正在由感性經(jīng)驗(yàn)逐步提升至理性思考，可以將諸多問(wèn)題統(tǒng)歸為一類(lèi)，思考解決方案，并設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)這一類(lèi)問(wèn)題的通用解決方案。傳統(tǒng)的教育模式往往是通過(guò)講道理、擺事實(shí)等方式提升學(xué)生的認(rèn)知模型。定理—習(xí)題模式訓(xùn)練下的認(rèn)知模型，往往會(huì)導(dǎo)致學(xué)生思維的僵化。因此，筆者嘗試在機(jī)器人教育課程中，通過(guò)學(xué)生自主實(shí)踐，逐漸了解認(rèn)知模型的基本框架，尋找出其理性和非理性的要素，通過(guò)增強(qiáng)學(xué)生的反思能力，倒逼學(xué)生對(duì)原理的思考。

● 高中階段機(jī)器人教育的實(shí)踐研究

研究指出，學(xué)習(xí)是把個(gè)人經(jīng)驗(yàn)放在社會(huì)規(guī)范中，與前人、他人的經(jīng)驗(yàn)、理論進(jìn)行比較和反思，由此獲得清醒的“自我意識(shí)”，這是學(xué)習(xí)的本質(zhì)和真諦。而實(shí)踐則是完成遷移最有效的途徑，也是獲得自我意識(shí)、清晰觀察自我認(rèn)知模型的方法。實(shí)踐的終極意義在于比較和反思，也就是將認(rèn)知模型不斷進(jìn)行打磨，使之能更有效地抓住問(wèn)題的關(guān)鍵。

從以上理論出發(fā)，筆者將高中機(jī)器人教育分成三個(gè)部分：①理論知識(shí)部分。②實(shí)踐知識(shí)部分。③理論與實(shí)踐相互驗(yàn)證的反思部分。理論部分向?qū)W生介紹機(jī)器人的工作原理、判斷與識(shí)別、巡線(xiàn)與轉(zhuǎn)彎、誤差分析;實(shí)踐部分則分為組裝與調(diào)試、功能模塊的實(shí)際測(cè)試、判斷與模塊組合運(yùn)用、觀察機(jī)器人運(yùn)行情況與糾錯(cuò);驗(yàn)證反思部分則強(qiáng)調(diào)將觀察到的現(xiàn)象，運(yùn)用自己已經(jīng)掌握的理論知識(shí)（高中物理、數(shù)學(xué)、信息技術(shù)等學(xué)科知識(shí)），去解釋誤差緣由，并進(jìn)行糾偏與調(diào)整。

在此過(guò)程中不難發(fā)現(xiàn)，高中階段的機(jī)器人教育課程，更能體現(xiàn)出實(shí)踐到理論的認(rèn)知基本規(guī)律。在這個(gè)過(guò)程中，理論與實(shí)踐相互驗(yàn)證的反思部分也能得到很好的鍛煉，這有別于傳統(tǒng)教學(xué)的模式。通過(guò)原理與實(shí)踐的矛盾，倒逼學(xué)生進(jìn)行反思，同時(shí)不斷強(qiáng)化反思過(guò)程，提高反思能力，這是筆者通過(guò)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)總結(jié)出來(lái)的一種行之有效的教學(xué)方法。

按照上述設(shè)想，理論搭建認(rèn)知框架，實(shí)踐檢驗(yàn)認(rèn)知程度。學(xué)生在理論課的認(rèn)真程度、理解程度，會(huì)在實(shí)際操作中完全體現(xiàn)出來(lái)。很多學(xué)生發(fā)現(xiàn)機(jī)器人無(wú)法跟著自己設(shè)計(jì)的程序執(zhí)行，不能巡線(xiàn)，不會(huì)轉(zhuǎn)彎，甚至不會(huì)停止，狀況百出。以機(jī)器人轉(zhuǎn)彎問(wèn)題為例，其關(guān)鍵的判斷條件在于開(kāi)始轉(zhuǎn)彎的光電狀態(tài)判斷條件和停止轉(zhuǎn)彎的光電狀態(tài)判斷條件。如果對(duì)基礎(chǔ)原理，也就是黑白線(xiàn)的識(shí)別原理認(rèn)識(shí)不清楚，會(huì)導(dǎo)致兩類(lèi)明顯情況發(fā)生：①機(jī)器人根本沒(méi)轉(zhuǎn)彎;②機(jī)器人原地打轉(zhuǎn)，無(wú)法停止。而此時(shí)學(xué)生能否反思和回溯問(wèn)題本源，往往是解決問(wèn)題關(guān)鍵。

在這一認(rèn)知模式優(yōu)化過(guò)程中，存在4個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如下圖所示。

①發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。關(guān)鍵在于能仔細(xì)觀察現(xiàn)象，并具體描述這一現(xiàn)象。

描述方法：感覺(jué)經(jīng)驗(yàn)描述法（直覺(jué)法）、視頻記錄法（無(wú)限重復(fù)觀察）、數(shù)學(xué)量化法（數(shù)學(xué)抽象與數(shù)據(jù)處理）。

②定位問(wèn)題。關(guān)鍵在于能否運(yùn)用認(rèn)知模式去解釋問(wèn)題，也就是運(yùn)用所學(xué)的物理、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)理論等知識(shí)去解釋問(wèn)題發(fā)生的原因。

例如，輪式機(jī)器人速度慢的問(wèn)題，認(rèn)知中心模型給出的直覺(jué)是提高馬達(dá)的輸出功率，但一個(gè)馬達(dá)的輸出功率是固定的，極限為100%輸出。那么，在馬達(dá)不變的情況下（機(jī)器人比賽限定機(jī)器人使用電壓），能否加快速度？由此引出牛頓第二定律：F=ma。速度變化的快慢用加速度來(lái)衡量，通過(guò)牛頓第二定律可以發(fā)現(xiàn)加速度a與物體的質(zhì)量成反比，因此，可以對(duì)輪式機(jī)器人的車(chē)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，減輕質(zhì)量。

③解決問(wèn)題。上述問(wèn)題中輪式機(jī)器人的車(chē)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、減輕質(zhì)量的策略被學(xué)生羅列了出來(lái)，緊接著螺絲質(zhì)量問(wèn)題、輪子質(zhì)量問(wèn)題、車(chē)體結(jié)構(gòu)問(wèn)題、舵機(jī)質(zhì)量問(wèn)題等一系列的思考也體現(xiàn)了出來(lái)。

④更新認(rèn)知模式。通過(guò)“理論—實(shí)踐—反思”構(gòu)造了習(xí)得模式，更強(qiáng)化了學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)階段的理論知識(shí)，而不是通過(guò)直覺(jué)經(jīng)驗(yàn)來(lái)指導(dǎo)行為模式，從而優(yōu)化了學(xué)生的認(rèn)知模式。其最終效果是提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

● 高中階段機(jī)器人教育實(shí)踐的反思

從觀察現(xiàn)象到解釋原因（理論）再到應(yīng)用（新現(xiàn)象）的過(guò)程符合教書(shū)育人的終極目標(biāo)——讓學(xué)生學(xué)會(huì)思考。黑格爾的肯定否定的矛盾辯證法認(rèn)為，認(rèn)知過(guò)程要經(jīng)歷肯定（教師理論知識(shí)講解）、否定（實(shí)踐運(yùn)行的各類(lèi)故障），通過(guò)仔細(xì)分析理論部分和自我的知識(shí)體系，得出改進(jìn)的方法，最后又回到肯定這一認(rèn)知。由此可見(jiàn)，在教育教學(xué)的過(guò)程中，學(xué)生的認(rèn)知過(guò)程也需要否定，想讓學(xué)生更好地掌握知識(shí)，有效的方式之一是將知識(shí)放置于一個(gè)矛盾的框架中，通過(guò)肯定、否定，不斷促進(jìn)學(xué)生反思，這是認(rèn)知的矛盾發(fā)展，也是認(rèn)知模式的優(yōu)化過(guò)程。

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作者簡(jiǎn)介：廖作東，信息技術(shù)副高級(jí)教師，碩士，研究方向?yàn)榻逃夹g(shù)。

基金項(xiàng)目：江門(mén)市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2019年課題“以機(jī)器人教育為依托的學(xué)科融合模式研究”（課題編號(hào)：jme19045）。