机器人教育与工程思维关系之研究

王荣良

摘 要：随着科学技术的迅速发展，机器人已从科学家的实验室进入到中小学校的课堂，机器人教育逐渐成为教育界关注的热点。那么，机器人究竟蕴涵哪些教育价值？本文通过阐述工程思维的含义、本质特性，提出了机器人教育培养中小学生开展工程思维培养的重要性。

关键词：机器人教育；工程思维；素质教育；创新教育

中图分类号：TP18文献标识码：A文章编号：1673-8454（2008）24-0027-03

目前，越来越多的中小学开展了机器人教育，但对于机器人教育的核心价值还缺乏深入研究。如何以机器人教育为载体，开展学生工程思维培养，真正把素质教育、创新教育落实到实处，是一件很有意义的研究工作。

一、工程思维辨析

思维是人脑对于客观事物的本质及其内在联系间接的和概括的反应，是一种认识过程或心理活动。[1] 工程思维就是在工程的设计和研究中形成的思维，是一种筹划性的思维。[2] 按常规定义，思维可分为逻辑思维、形象思维和顿悟思维。工程思维，通俗的说法，就是工程技术人员运用上述三种思维方式分析和解决问题的思维能力。工程思维是运用各种知识解决工程实践问题的核心。

工程思维是筹划型的，其思维方式的根本特征就是对逻辑地发现的属性进行非逻辑的复合，是实体的存在状态所必然要求的一种思维方式。工程思维作为筹划型的思维方式，其具有内部价值化的思维方式，是将主客体之间的各种价值联系非逻辑地复合在一起。[3] 与工程思维相对应，理论思维是认知型的思维方式，理论思维的产物并不能直接付诸实践，在实践前必须进行筹划性思考，即进行筹划型的工程思维，因此，工程思维能使理论思维有效地在实践中得到良好的应用。

1. 工程思维的全局观

工程思维的全局观表现为系统性和综合性。

工程思维具有很强的系统性。工程是一个系统，其中每一个部件都是相互关联的，无论是工程设计还是工程实施，都要用系统的观点来思考。运用工程思维解决问题，可以从一个全局的高度来把握。

工程思维具有很强的综合性。在人类的实际生活中，有许多问题都不是能够以纯理论演绎可以解决的。这些实际问题往往是不确定、非线性问题，它不仅包括科学原理，也含有非科学因素，例如经验的、经济的、道德法制的、艺术的或者社会传统的，甚至还包括未发现的科学。运用工程思维解决问题时，必然会调动和使用各种思维形式和方法，根据自然科学的各种原理和工程实践知识及经验，从不同角度、不同层次和不同路径上对思维对象进行综合性观察、分析、研究，达到解决问题的目的。在这个过程中，不仅要涉及自然科学和技术专业的知识和经验，并且无一例外的要涉及社会科学、人文科学。

2. 工程思维的逻辑观

工程思维的逻辑观表现在操作实施上的实践性和缜密性。

工程思维具有很强的实践性。工程思维是以解决具体问题为目标的，任何一个工程项目都是依据工程思维方法，由以下环节完成的：工程目标分析→方案设计→方案论证决策→工程实施→检验、反馈、修正，这种操作环节体现了解决工程问题的逻辑顺序。在这个过程中不仅需要将理论知识联系到了生活实践中，使得理论不再是抽象的，而且也培养了人们的工程实践能力。

工程思维有很强的缜密性。尽管工程思维需要多层次、多角度地对思维对象综合思考，但工程的操作实施不仅有严格程序要求，而且每一环节、每一步骤都有严格的工艺要求。缜密而不随意是工程思维的特征。

3. 工程思维的方法观

工程思维的方法观体现在设计上的实用性和创新性。

工程思维具有显著的实用性。工程思维是从工程实践和现实生活中提出问题，运用科技成果改造客观世界，它所要解决的都是真实的、实际的工程问题。这些问题可能是机械的、建筑的或者是电子的，但都体现了工程思维不同于理论思维揭示客观存在的道理，是一种介于理论思维与实践之间的筹划型思维。

工程思维具有创新性。创新是一种变革，它不是对已经不合时宜的旧事物的简单的修补，而是突破量的积累而产生的质变。[4] 工程的基本涵义是创造、发明、设计和建造，是按照人类的目的，开发与应用科学知识和技术，以便在物质、经济、人力、政治、法律和文化限制内满足社会需要的一种创造性活动。工程思维在分析、解决问题中，既有概念或设想的孕育，构思的渐进性完善，又有顿悟、豁然开朗的突跃性飞跃，即思维过程的质变。

二、中小学机器人教育促进工程思维的培养

机器人教育是指学习、利用机器人， 优化教育效果及师生劳动方式的理论与实践。[5] 机器人教育可以从理论和实践两个方面来开展。目前，中小学机器人教育基本上都处于实践层面，即以机器人为主要教学内容或教学工具而开展的教与学活动，这些活动是在具体实践的过程中逐步完成的。

近年来，中小学机器人教育的主要形式有两种：机器人竞赛活动和学校机器人教育。利用机器人竞赛活动来促进信息技术教育以及培养学生动手实践的能力，是实施机器人教育的有效途径，也是最初使用的方式。常见的竞赛项目有机器人灭火救人、机器人足球比赛、机器人创新工程设计、FLL挑战赛等。比赛可以使许多人认为可望不可及的机器人走入我们的生活，同时对培养信息时代所需要的人才起到了非常重要的作用。

随着机器人技术的发展和人们对机器人教育认识的提高，国内许多有条件的中小学纷纷将智能机器人引入校园，引入课堂，开展一系列丰富多彩、形式各样的机器人教学活动。目前，我国中小学开展机器人教学活动的形式主要有：课外科技小组、选修课、综合实践活动课、信息技术课等。普通高中技术课程标准中在通用技术部分已涉及“简易机器人制作”，信息技术中的“算法与程序设计”模块以及“人工智能初步”模块也能找到机器人教育的影子，这反映出人们已逐步认识到在信息技术教育中渗透机器人学科知识与机器人应用前景方面的教育已势在必行。

机器人通常具有三个基本特征：第一，身体是一种物理状态，具有一定的形态；第二， 大脑，控制机器人的程序；第三，动作，任何机器人都有一定的动作表现。[6]因此，中小学机器人教育，是以机器人为教育对象，以围绕机器人结构设计、硬件组装、程序编制、系统调试等四个方面的有关知识和技能为教学内容。

在机器人教育实践中，机器人结构设计很好地体现了工程设计的思想。在此过程中，学生根据目标要求系统地、综合地、有创造性地完成设计，并能在以后的机器人制作过程中将设计付之实施。机器人结构设计是工程思维最基本的体现。

硬件组装是制作机器人的身体。硬件组装体现出机器人教育是一门多学科综合交叉的边缘学科，涉及机械、电子、运动学、动力学控制理论、传感检测、计算机技术等学科。学生完成机器人硬件组装的过程，是学生综合素质提升的过程，同时也是训练工程思维的有效途径。

程序编制是设计机器人的灵魂。让中小学生编机器人程序是学习编程的最好方法。学习编写机器人程序，学生会获得成功的喜悦，会建立成功的信心，同时也可以体验程序逻辑的严谨。程序编制的过程是实践性、缜密性、系统性的体现过程，也是学生工程思维训练的过程。

系统调试是机器人教育的关键，也是最有特点的环节。运用控制反馈的思想，学生通过反复测试，分析现象，发现问题，提出修改方案及时调整，使机器人表现出最佳状态。系统调试可以从实践性、实用性、综合性视角有效地培训学生的工程思维。

三、工程思维培养的意义

作为一个成熟的工程技术人员，在他从事的工作领域内，必须具有很强的工程意识，能正确运用工程思维，判断各种工程技术问题，迅速作出有效应对措施，及时解决，以期取得相应效益。

1.工程思维培养是学生综合素质教育的需要

素质教育是教育改革的目标，素质教育的实施贯穿于教学活动的各个方面，贯穿到基础课、专业基础课、专业课教学中，将素质教育与专业教育结合成一体，这样才能保证学生综合素质的培养，取得良好的教学效果，达到素质教育的目标。以机器人教育为载体，开展学生工程思维能力的培养是当前综合素质教育的需要。

培养学生掌握科学的方法，是素质教育的重要内容。在机器人教育过程中，可以从实践的角度学会多种研究方法，如：演绎归纳、分析综合、类比联想、猜测试探等，这些都是工程思维的综合反映。这些方法在科学研究中具有典型性和代表性，掌握方法比学习知识更重要。

机器人教育与工程思维的培养，同样有利于培养学生的科学精神和科学作风。机器人制作与实践所需要的严谨性、精确性、可靠性，不仅有严密的逻辑推理，还要经过严格的实践验证，有助于培养学生形成科学的作风。

2.工程思维培养是创新教育的需要

创新教育是以培养人的创新精神和创新能力为基本价值取向的教育，是通过对学生施以教育和影响，使他们作为一个独立的个体，能够善于发现和认识有意义的新知识、新事物、新方法，掌握其中蕴涵的基本规律，并具备相应的能力，为将来成为创新型人才奠定基础。制作并使机器人完成指定任务，正是学习者个体不断探索、创新的过程。

机器人制作需要敏锐的观察和正确的思维。工程思维能够使制作者结合逻辑推理、抽象思维，运用机器人学科的基本知识与基本理论，正确处理形象和抽象、概念和推理、定性和定量等关系，这种过程有助于学生智力的发展和工程思维能力的形成。

3.工程思维培养是开展有意义学习的需要

学会学习，才是有意义的学习。作为使用技术的教育者，如果我们把支撑有意义的学习作为目标，那么就应该利用技术帮助学生开展主动的、建构的、有意图的、真实的与合作的学习。工程思维是基于真实、实际的问题解决的，有利于学生主动地、目标明确地获取知识。

机器人既是学习对象，又是学习工具。学生需要通过不断尝试、思考，根据问题的特征、性质以及实际情况，抓住主要矛盾，进行合理的简化，并用基本数学方法和程序语言进行描述，运用所学的基本理论和研究方法发现问题、提出问题、分析问题和解决问题。在此过程中，学生需要自己阅读文献资料，不断地扩展知识面，增强独立思考的能力，完成有意义的学习。

四、结束语

工程思维并非一朝一夕能养成的，它是集工程知识、技能、能力、正反面的经验教训等总和而形成的内在潜质，并且随着工程技术的发展和本人经历的增长而动态发展。随着机器人教育引入中小学，学生有机会零距离接触工程、学习工程、体验工程，为中小学生工程思维的培养提供了一个很好的契机。

中小学开展机器人教育是一个新事物，尽管开设机器人课程已被越来越多的人所认同，但如何开设，如何实施教学，特别是如何挖掘机器人教育的核心价值，研究工程思维的培养，是今后重要的研究课题。

参考文献：

[1]刘忠华.传统思维方式与创新思维[J].长白学刊，2001，(5)：56.

[2]高青海等.一篇“批判者和思想者”的论文──《理论思维与工程思维》评介[J].学术研究，2003，(2)：25.

[3]徐长福.理论思维与工程思维两种思维方式的僭越与划界[M].上海：上海人民出版社，2002，76：84 - 85.

[4]张作中.创新思维在现代教育中的基础作用[J].教育与职业，2002,(11): 18.

[5]彭绍东.论机器人教育(上)[J].电化教育研究，2002 ,(6):3.

[6]陆承景.对机器人学科教学目标和内容的实践与思考[J].中国电化教育，2006,(12):71.