機器人教育對學生工程意識培養(yǎng)的意義與作用
[摘要]目前，機器人這個看似高深的類人智能電子產(chǎn)品正在走進課堂，走向大眾教育，不少地區(qū)陸續(xù)把機器人教育納入中小學教育信息技術(shù)教材中。然而，對于為什么在中小學開展機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)的教育價值以及在中小學開展機器人教育對學生工程思維培養(yǎng)的作用，并對如何開展機器人教育提出若干建議。
[關(guān)鍵詞]機器人教育 工程意識 教育價值
一、我國機器人教育現(xiàn)狀
在大學的自動化控制及相關(guān)專業(yè)，已經(jīng)有了有關(guān)機器人教育的相關(guān)課程，這些課程從理論到實踐漸趨成熟。但是在中小學，智能機器人教育主要表現(xiàn)形式仍是競賽活動。競賽活動無疑加強了學生和社會對中小學開展機器人教育的關(guān)注，并且推動了機器人教育的開展。綜觀各地中小學機器人教育的方式，大體可以分為四種。
第一，通過學校、少年宮、少科站等單位吸收機器人愛好者，組成智能機器人學習小組開展學習，并組織參加各類競賽活動。這種形式是機器人進入中小學最初、最多、也是最有效的方法。
第二，將智能機器人技術(shù)學習放入綜合實踐活動課或作為信息技術(shù)課的內(nèi)容之一進入中小學課程教學。經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的部分中小學校已經(jīng)開設(shè)了這類課程，但教材、教學內(nèi)容有待完善。
第三，開設(shè)機器人選修課程，為有興趣、有特長的學生提供學習平臺，同時也緩解針對全體學生開設(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)課程中就有機器人選修模塊。
第四，智能機器人教育以研究性課程的形式進入中小學。由于研究性學習課程越來越受到重視，也由于機器人教育的長期性、個性化，決定了通過研究性學習形式推廣會更有利于對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
但是，由于機器人教育進入中小學還是起步階段，在課程設(shè)計、內(nèi)容選擇、環(huán)境配置等方面，尤其是開展機器人教育的目標缺乏必要的研究，使得機器人教育出現(xiàn)一些偏差：其一，學校機器人教育以競賽為中心，為獲獎為目標；其二，教學活動隨意性強；其三，學校機器人選型在一定程度上受影響機器人制造商的影響比較大。這些偏差影響了機器人教育作為課程在中小學開展。
由此可見，機器人教育是否能夠在中小學普及并健康發(fā)展，首先需要明晰在中小學開展機器人教育的價值所在，同時也需要研究如何在中小學開展機器人教育才能使廣大中小學生受惠。由于機器人具有顯著的工程性，本文就機器人教育與工程意識及其教育價值展開討論。
二、工程意識及其教育價值
意識是人所特有的對客觀現(xiàn)實的反映。所謂工程意識，是人腦對人工物、經(jīng)濟環(huán)境、自然環(huán)境這個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、保護自然，合情合理合法地開發(fā)利用自然條件，去完成某項工程，創(chuàng)造出新的物質(zhì)財富的意念。
工程意識的內(nèi)涵極其豐富，但最根本的是一個系統(tǒng)意識，它可以包含有創(chuàng)新意識、實踐意識、時代意識、經(jīng)濟與社會意識、管理意識和道德意識等許多方面。從中小學生教育出發(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?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)計與實施需要追求最佳效益，一切工作應(yīng)從總目標出發(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目。
3.改革意識。為了追求工程實施的高效，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，不斷地改進設(shè)計改善工藝，使工作方法更趨合理。
4.標準化意識。標準化是工程實施的行為規(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，在中小學開展有關(guān)工程意識的教育，有利于引導學生綜合運用多種知識和技術(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，而是需要運用多方面的知識，包括科學技術(shù)，也包括人文藝術(shù)。因此，工程意識可以引導學生全面地、綜合地尋求解決問題的方法。
在中小學開展有關(guān)工程意識的教育，有利于引導學生正確地、規(guī)范地、有計劃地設(shè)計和完成工作。在工程中，操作流程的標準化和工藝要求，是保障工程質(zhì)量的基礎(chǔ)。所以，工程意識可以引導學生規(guī)范學習與工作。
在中小學開展有關(guān)工程意識的教育，有利于引導學生創(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所表現(xiàn)出的不因循守舊的思想和工作作風，也是工程技術(shù)人員的重要素質(zhì)。
因此，一個具備工程意識的學生，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，有效地解決問題。
三、機器人教育中工程意識的培養(yǎng)
工程是運用科學原理和技術(shù)改造自然的實踐過程。從機器人制作過程來看，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際問題，這些實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，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，以機器人教育作為載體，開展工程啟蒙教育，培養(yǎng)學生的工程意識，將有助于學生創(chuàng)新能力、動手實踐能力、解決實際問題能力的提高。
機器人通常具有三個基本特征：第一，身體是一種物理狀態(tài)，具有一定的形態(tài)；第二，大腦，控制機器人的程序；第三，動作，任何機器人都有一定的動作表現(xiàn)。因此，中小學機器人教育是以機器人為對象，以圍繞機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件組裝、程序編制、系統(tǒng)調(diào)試等四個方面的有關(guān)知識和技能為教學內(nèi)容。
機器人是一門多學科綜合交叉的邊緣學科，涉及機械、電子、運動學、動力學控制理論、傳感檢測、計算機技術(shù)等學科。學生完成機器人設(shè)計、組裝、編程、調(diào)試的過程，是學生綜合素質(zhì)提升的過程，同時也是工程意識培養(yǎng)和強化的過程。
在機器人教育實踐中，機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計很好地體現(xiàn)了工程標準化思想。在機器人搭建中，學生使用的是標準化組件和芯片；在機器人編程時，調(diào)用的也是標準化程序模塊。在機器人制作過程中，學生可以感悟標準化在規(guī)范工程操作流程、提高工程質(zhì)量與效益的作用。
機器人教育蘊涵了工程方法的教育。在機器人搭建時，教師通常會要求學生先畫一個草圖，編程序前也會先畫程序流程圖，這是工程設(shè)計的基本思想。系統(tǒng)調(diào)試是機器人教育的關(guān)鍵，也是最有特點的環(huán)節(jié)。運用控制反饋的思想，學生能通過反復(fù)測試，分析現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題，提出修改方案及時調(diào)整，使機器人表現(xiàn)出最佳狀態(tài)。
機器人制作是一個綜合實踐過程。學生在機器人制作過程中，可以學習到與機器人相關(guān)的知識，可以學到制作和使用機器人的方法，可以學習如何解決問題，更可以感悟工程化的思想、培養(yǎng)工程意識，并影響今后的學習與工作。
工程意識不僅僅是工程師最重要的、最基本的素質(zhì)之一，也是每一個社會公民應(yīng)該具備的基本素養(yǎng)，因為工程意識不只是對工程項目有用，而是能夠從工程問題出發(fā)，獨立思考各種問題，抓住復(fù)雜多變的實際問題的主要矛盾，從而具備簡化問題的能力，合理、經(jīng)濟、簡便解決實際問題的能力及結(jié)合實踐自我學習自我完善的能力。
在中小學開設(shè)機器人課程，具有明顯的綜合性和實踐性，學生不僅能接觸機器人，體驗成功機器人制作的愉悅，更能提升他們的綜合素質(zhì)。分析機器人教育與工程意識的關(guān)系，從一個側(cè)面反映了機器人教育的價值。機器人教育在中小學剛起步，其教育價值還有待進一步研究。
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