機(jī)器人教育對學(xué)生工程意識培養(yǎng)的意義與作用
[摘要]目前，機(jī)器人這個(gè)看似高深的類人智能電子產(chǎn)品正在走進(jìn)課堂，走向大眾教育，不少地區(qū)陸續(xù)把機(jī)器人教育納入中小學(xué)教育信息技術(shù)教材中。然而，對于為什么在中小學(xué)開展機(jī)器人教育以及如何開展都存在著困惑。本文在分析了我國機(jī)器人教育的現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，闡述了工程意識培養(yǎng)的教育價(jià)值以及在中小學(xué)開展機(jī)器人教育對學(xué)生工程思維培養(yǎng)的作用，并對如何開展機(jī)器人教育提出若干建議。
[關(guān)鍵詞]機(jī)器人教育 工程意識 教育價(jià)值
一、我國機(jī)器人教育現(xiàn)狀
在大學(xué)的自動化控制及相關(guān)專業(yè)，已經(jīng)有了有關(guān)機(jī)器人教育的相關(guān)課程，這些課程從理論到實(shí)踐漸趨成熟。但是在中小學(xué)，智能機(jī)器人教育主要表現(xiàn)形式仍是競賽活動。競賽活動無疑加強(qiáng)了學(xué)生和社會對中小學(xué)開展機(jī)器人教育的關(guān)注，并且推動了機(jī)器人教育的開展。綜觀各地中小學(xué)機(jī)器人教育的方式，大體可以分為四種。
第一，通過學(xué)校、少年宮、少科站等單位吸收機(jī)器人愛好者，組成智能機(jī)器人學(xué)習(xí)小組開展學(xué)習(xí)，并組織參加各類競賽活動。這種形式是機(jī)器人進(jìn)入中小學(xué)最初、最多、也是最有效的方法。
第二，將智能機(jī)器人技術(shù)學(xué)習(xí)放入綜合實(shí)踐活動課或作為信息技術(shù)課的內(nèi)容之一進(jìn)入中小學(xué)課程教學(xué)。經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的部分中小學(xué)校已經(jīng)開設(shè)了這類課程，但教材、教學(xué)內(nèi)容有待完善。
第三，開設(shè)機(jī)器人選修課程，為有興趣、有特長的學(xué)生提供學(xué)習(xí)平臺，同時(shí)也緩解針對全體學(xué)生開設(shè)課程所需的設(shè)備配置和師資配置的壓力。目前，全國普通高中通用技術(shù)課程中就有機(jī)器人選修模塊。
第四，智能機(jī)器人教育以研究性課程的形式進(jìn)入中小學(xué)。由于研究性學(xué)習(xí)課程越來越受到重視，也由于機(jī)器人教育的長期性、個(gè)性化，決定了通過研究性學(xué)習(xí)形式推廣會更有利于對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
但是，由于機(jī)器人教育進(jìn)入中小學(xué)還是起步階段，在課程設(shè)計(jì)、內(nèi)容選擇、環(huán)境配置等方面，尤其是開展機(jī)器人教育的目標(biāo)缺乏必要的研究，使得機(jī)器人教育出現(xiàn)一些偏差：其一，學(xué)校機(jī)器人教育以競賽為中心，為獲獎(jiǎng)為目標(biāo)；其二，教學(xué)活動隨意性強(qiáng)；其三，學(xué)校機(jī)器人選型在一定程度上受影響機(jī)器人制造商的影響比較大。這些偏差影響了機(jī)器人教育作為課程在中小學(xué)開展。
由此可見，機(jī)器人教育是否能夠在中小學(xué)普及并健康發(fā)展，首先需要明晰在中小學(xué)開展機(jī)器人教育的價(jià)值所在，同時(shí)也需要研究如何在中小學(xué)開展機(jī)器人教育才能使廣大中小學(xué)生受惠。由于機(jī)器人具有顯著的工程性，本文就機(jī)器人教育與工程意識及其教育價(jià)值展開討論。
二、工程意識及其教育價(jià)值
意識是人所特有的對客觀現(xiàn)實(shí)的反映。所謂工程意識，是人腦對人工物、經(jīng)濟(jì)環(huán)境、自然環(huán)境這個(gè)大工程的能動的反應(yīng)，就是在充分掌握自然規(guī)律的基礎(chǔ)上，要有能夠尊重自然、保護(hù)自然，合情合理合法地開發(fā)利用自然條件，去完成某項(xiàng)工程，創(chuàng)造出新的物質(zhì)財(cái)富的意念。
工程意識的內(nèi)涵極其豐富，但最根本的是一個(gè)系統(tǒng)意識，它可以包含有創(chuàng)新意識、實(shí)踐意識、時(shí)代意識、經(jīng)濟(jì)與社會意識、管理意識和道德意識等許多方面。從中小學(xué)生教育出發(fā)，工程意識包括以下幾方面。
1.整體意識。現(xiàn)代工程追求的是系統(tǒng)整體優(yōu)化，必須從全局和整體的需要出發(fā)，針對研究對象的具體情況選擇適當(dāng)?shù)墓こ谭椒ǎ⒆⒅貞?yīng)用的綜合性和整體性，才能取得良好的效果。
2.效率意識。工程設(shè)計(jì)與實(shí)施需要追求最佳效益，一切工作應(yīng)從總目標(biāo)出發(fā)，力求節(jié)約、尋求以最簡便、成本最低、效率最高的方式方法去完成指定項(xiàng)目。
3.改革意識。為了追求工程實(shí)施的高效，人們需要具備改革與創(chuàng)新意識，不斷提出問題并解決問題，不斷地改進(jìn)設(shè)計(jì)改善工藝，使工作方法更趨合理。
4.標(biāo)準(zhǔn)化意識。標(biāo)準(zhǔn)化是工程實(shí)施的行為規(guī)范，是保證工程高效和優(yōu)質(zhì)的基本條件。
5.以人為本的意識。人是社會活動中最重要的一個(gè)要素，其它要素都要通過人的參與才能發(fā)揮作用，所以以人為本是最基本的工程意識。
由此分析，在中小學(xué)開展有關(guān)工程意識的教育，有利于引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用多種知識和技術(shù)來解決問題。解決工程問題，不是單純地使用演繹推理，也不是單純的邏輯歸納，而是需要運(yùn)用多方面的知識，包括科學(xué)技術(shù)，也包括人文藝術(shù)。因此，工程意識可以引導(dǎo)學(xué)生全面地、綜合地尋求解決問題的方法。
在中小學(xué)開展有關(guān)工程意識的教育，有利于引導(dǎo)學(xué)生正確地、規(guī)范地、有計(jì)劃地設(shè)計(jì)和完成工作。在工程中，操作流程的標(biāo)準(zhǔn)化和工藝要求，是保障工程質(zhì)量的基礎(chǔ)。所以，工程意識可以引導(dǎo)學(xué)生規(guī)范學(xué)習(xí)與工作。
在中小學(xué)開展有關(guān)工程意識的教育，有利于引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。創(chuàng)新精神是指人們在分析和處理問題時(shí)所表現(xiàn)出的不因循守舊的思想和工作作風(fēng)，也是工程技術(shù)人員的重要素質(zhì)。
因此，一個(gè)具備工程意識的學(xué)生，具備了工程知識背景下自然形成的自覺思維理念，能夠在分析問題、解決問題時(shí)自覺地從工程的角度去分析判斷，善于捕捉問題的有用信息，抓住問題的關(guān)鍵點(diǎn)，有效地解決問題。
三、機(jī)器人教育中工程意識的培養(yǎng)
工程是運(yùn)用科學(xué)原理和技術(shù)改造自然的實(shí)踐過程。從機(jī)器人制作過程來看，具有明顯的工程屬性。工程教育側(cè)重于解決工程中遇到的實(shí)際問題，這些實(shí)際問題往往是不確定的，有的甚至包括還未發(fā)現(xiàn)的科學(xué)，所以必須用解決工程問題這一特有的手段和方法來解決。在中小學(xué)，以機(jī)器人教育作為載體，開展工程啟蒙教育，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識，將有助于學(xué)生創(chuàng)新能力、動手實(shí)踐能力、解決實(shí)際問題能力的提高。
機(jī)器人通常具有三個(gè)基本特征：第一，身體是一種物理狀態(tài)，具有一定的形態(tài)；第二，大腦，控制機(jī)器人的程序；第三，動作，任何機(jī)器人都有一定的動作表現(xiàn)。因此，中小學(xué)機(jī)器人教育是以機(jī)器人為對象，以圍繞機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件組裝、程序編制、系統(tǒng)調(diào)試等四個(gè)方面的有關(guān)知識和技能為教學(xué)內(nèi)容。
機(jī)器人是一門多學(xué)科綜合交叉的邊緣學(xué)科，涉及機(jī)械、電子、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)控制理論、傳感檢測、計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科。學(xué)生完成機(jī)器人設(shè)計(jì)、組裝、編程、調(diào)試的過程，是學(xué)生綜合素質(zhì)提升的過程，同時(shí)也是工程意識培養(yǎng)和強(qiáng)化的過程。
在機(jī)器人教育實(shí)踐中，機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很好地體現(xiàn)了工程標(biāo)準(zhǔn)化思想。在機(jī)器人搭建中，學(xué)生使用的是標(biāo)準(zhǔn)化組件和芯片；在機(jī)器人編程時(shí)，調(diào)用的也是標(biāo)準(zhǔn)化程序模塊。在機(jī)器人制作過程中，學(xué)生可以感悟標(biāo)準(zhǔn)化在規(guī)范工程操作流程、提高工程質(zhì)量與效益的作用。
機(jī)器人教育蘊(yùn)涵了工程方法的教育。在機(jī)器人搭建時(shí)，教師通常會要求學(xué)生先畫一個(gè)草圖，編程序前也會先畫程序流程圖，這是工程設(shè)計(jì)的基本思想。系統(tǒng)調(diào)試是機(jī)器人教育的關(guān)鍵，也是最有特點(diǎn)的環(huán)節(jié)。運(yùn)用控制反饋的思想，學(xué)生能通過反復(fù)測試，分析現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題，提出修改方案及時(shí)調(diào)整，使機(jī)器人表現(xiàn)出最佳狀態(tài)。
機(jī)器人制作是一個(gè)綜合實(shí)踐過程。學(xué)生在機(jī)器人制作過程中，可以學(xué)習(xí)到與機(jī)器人相關(guān)的知識，可以學(xué)到制作和使用機(jī)器人的方法，可以學(xué)習(xí)如何解決問題，更可以感悟工程化的思想、培養(yǎng)工程意識，并影響今后的學(xué)習(xí)與工作。
工程意識不僅僅是工程師最重要的、最基本的素質(zhì)之一，也是每一個(gè)社會公民應(yīng)該具備的基本素養(yǎng)，因?yàn)楣こ桃庾R不只是對工程項(xiàng)目有用，而是能夠從工程問題出發(fā)，獨(dú)立思考各種問題，抓住復(fù)雜多變的實(shí)際問題的主要矛盾，從而具備簡化問題的能力，合理、經(jīng)濟(jì)、簡便解決實(shí)際問題的能力及結(jié)合實(shí)踐自我學(xué)習(xí)自我完善的能力。
在中小學(xué)開設(shè)機(jī)器人課程，具有明顯的綜合性和實(shí)踐性，學(xué)生不僅能接觸機(jī)器人，體驗(yàn)成功機(jī)器人制作的愉悅，更能提升他們的綜合素質(zhì)。分析機(jī)器人教育與工程意識的關(guān)系，從一個(gè)側(cè)面反映了機(jī)器人教育的價(jià)值。機(jī)器人教育在中小學(xué)剛起步，其教育價(jià)值還有待進(jìn)一步研究。
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