鐘柏昌　張祿

機器人課程強調(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)新實踐能力的重要載體。作為中小學(xué)機器人普及教育的推動者之一，我們最新承擔(dān)了河北省小學(xué)和初中機器人教材的開發(fā)工作。在此，結(jié)合該套機器人教材的設(shè)計思路探討基于核心素養(yǎng)的中小學(xué)機器人教材內(nèi)容設(shè)計。

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(guān)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(dāng)前基礎(chǔ)教育課程改革強調(diào)核心素養(yǎng)的語境中來。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、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，論者觀點不一。在此，我們嘗試將學(xué)科核心素養(yǎng)刻畫為三個層次：最底層的“雙基指向”（簡稱“雙基層”），以基礎(chǔ)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(tài)度為核心；最上層的“學(xué)科思維指向”（可以簡稱“學(xué)科思維層”），指在系統(tǒng)的學(xué)科學(xué)習(xí)中通過體驗、認(rèn)識及內(nèi)化等過程逐步形成的相對穩(wěn)定的思考問題、解決問題的思維方法和價值觀，實質(zhì)上是初步得到學(xué)科特定的認(rèn)識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層；而雙基層和問題解決層組成的“四基”，即基礎(chǔ)知識、基本技能、基本方法和基本態(tài)度與價值觀，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)生能夠在機器人課程中不僅學(xué)到與機器人相關(guān)的基礎(chǔ)知識與基本技能，也能獲得利用機器人技術(shù)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(rèn)識人工智能的世界觀。這一描述，可以理解為中小學(xué)機器人課程的整體目標(biāo)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?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(jié)構(gòu)和傳動機制，能夠使用3D打印、激光雕刻等新技術(shù)設(shè)計結(jié)構(gòu)件；理解測試與調(diào)試的工程設(shè)計方法。

問題解決層：能夠根據(jù)實際需求出發(fā)，設(shè)計創(chuàng)意，搭建簡易機器人解決問題；能夠利用測試與調(diào)試的工程設(shè)計方法對機器人進行優(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，理解從單純的數(shù)字產(chǎn)品的消費者轉(zhuǎn)變?yōu)榧嬗袛?shù)字產(chǎn)品制造者角色的社會意義；認(rèn)識迭代思維的一般性并理解其普遍價值；能夠認(rèn)識到標(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現(xiàn)自動化求解的基本方法，能夠認(rèn)識到抽象與建模是人類認(rèn)識和改造世界的基本方法；理解測試與調(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器人課程，就可以認(rèn)為是具有獨特教育價值的課程。

平臺選擇：Arduino的四重優(yōu)勢

機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器人器材。不同的器材，在教育價值的體現(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，市場上面向教育的機器人產(chǎn)品豐富多樣，據(jù)不完全統(tǒng)計，至少有二十多個品牌，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)對其電子元器件、編程環(huán)境、外形結(jié)構(gòu)進行測評。我們認(rèn)為，教育機器人除應(yīng)滿足《國家玩具安全技術(shù)規(guī)范》等強制性國家標(biāo)準(zhǔn)外，結(jié)合基礎(chǔ)教育的特點，可重點考察如下指標(biāo)：①經(jīng)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(fā)；②方便性：方便裝備和使用，甚至可以在現(xiàn)有學(xué)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(huán)境，有封裝良好的電子元器件及函數(shù)庫；③功能性：交互性強，配件豐富，編程環(huán)境友好，運行速度快，可以支持各種創(chuàng)意設(shè)計；④穩(wěn)定性：搭建的機器人結(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，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為代表的開源機器人套件應(yīng)當(dāng)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(yōu)勢特別體現(xiàn)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(yōu)勢：一方面不受單一廠商的約束，可以避免產(chǎn)品、技術(shù)和價格上的壟斷，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，可以正大光明地擺脫為某一產(chǎn)品服務(wù)的嫌疑，為找回教師尊嚴(yán)和機器人教育的普適價值回歸奠定基礎(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)，有大批的國內(nèi)外廠商設(shè)計和制作基于Arduino技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的機器人產(chǎn)品或相關(guān)電子產(chǎn)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(jīng)驗，縮小與發(fā)達國家的技術(shù)積累和教育經(jīng)驗積累差距，形成可能的后發(fā)優(yōu)勢；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)致零配件無法通用而造成技術(shù)依賴或重新采購新品牌而造成的浪費，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(jié)構(gòu)，給知識結(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，這樣的機器人品牌不適合基礎(chǔ)教育的需要。

價格低廉。毫無疑問，對于中小學(xué)機器人普及教育而言，價格低廉是一個重要優(yōu)勢，特別是對于地區(qū)差異明顯的發(fā)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(dāng)下普及機器人教育的條件。當(dāng)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(xué)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(fā)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?。蔷徒逃齼r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)教育市場的半壁江山，事實上，在大學(xué)教育領(lǐng)域，Arduino早已“占山為王”。換言之，某些發(fā)達地區(qū)的學(xué)校因在經(jīng)濟上較為充裕而采購價格高昂的名牌機器人，或者某些經(jīng)濟能力有限的地區(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相采購名牌機器人，這兩種做法本質(zhì)上都是對教育經(jīng)費的浪費，是不必要的奢侈投入，只會加劇地區(qū)之間教育經(jīng)費投入的失衡。相反，選用Arduino機器人，實質(zhì)上是對無序競爭的教育經(jīng)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(xiàn)。

擴展性好。Arduino的擴展性體現(xiàn)在兩個方面，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，已有不少機器人品牌公司已在或計劃在原有產(chǎn)品基礎(chǔ)上開發(fā)Arduino版本的機器人套件。應(yīng)用層面，因技術(shù)上的兼容性，Arduino具有豐富的功能強大的擴展模塊，可以控制各種傳感器、電機、網(wǎng)絡(luò)通信、3D打印機、激光雕刻機等，有利于開發(fā)各種各樣的創(chuàng)新教學(xué)項目，因此在教育領(lǐng)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(chuàng)客教育，Arduino本身也是目前創(chuàng)客教育的標(biāo)配之一。而其他機器人產(chǎn)品往往缺乏這種擴展性，難以開展自由、開放的創(chuàng)意設(shè)計和制作。也正因為此，我們認(rèn)為Arduino相比其他機器人品牌，在上述機器人課程核心素養(yǎng)的承載上更具優(yōu)勢。

內(nèi)容設(shè)計：內(nèi)容串聯(lián)的兩條線索

在具體教材內(nèi)容的設(shè)計層面，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(shè)計思路。

明線方面，主要以聚類思想為指導(dǎo)設(shè)計教材內(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)計思想，就是依據(jù)某種線索組合一系列教學(xué)項目，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，三冊內(nèi)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(cè)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(qū)動器和執(zhí)行器—傳感器”分別聚類設(shè)計各單元課時；六年級下冊側(cè)重“機器人控制計算機”，即側(cè)重計算機與機器人之間的通信與交互，但也會適當(dāng)兼顧到“計算機控制機器人”與“機器人的自主控制”，實現(xiàn)上下銜接；八年級下冊側(cè)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(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）—單電機控制（風(fēng)扇）—雙電機控制（小車）”。

暗線部分，即將核心素養(yǎng)滲透于每個單元和每節(jié)課當(dāng)中。以蜂鳴器單元（第七課：機器人唱歌、第八課：火災(zāi)報警裝置）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)計創(chuàng)意制作有趣的機器人發(fā)聲互動作品；能夠根據(jù)生活需求設(shè)計創(chuàng)意制作有應(yīng)用價值的報警裝置。

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，以及測試與調(diào)試方法。

注：本文系國家社科基金教育學(xué)青年項目“多平臺、跨學(xué)科、聚類化、重創(chuàng)造的中小學(xué)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(xué)教育科學(xué)學(xué)院）