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解析机器人教育中的逆向工程教学 [推广有奖]

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当触屏电脑、手机以及各种智能产品深入到人们的生活时,缺乏自控能力的孩子却成为触屏科技发展的直接受害者。孩子们长时间面对电视、电脑、手机等产品,一方面小小年纪便戴上了眼镜,危害了身体健康;另一方面沉溺于这些产品之中,无法自拔,影响了日常的学习和生活。或许会给您些许启发。格物斯坦中小学机器人教育的实际需要,从不同教学目标定位出发,构建了四种逆向工程教学模式。解构复原型教学模式注重培养学生的基础知识和基本技能,需要学生经历一个从对机器人产品的分解到复原的探究过程,适用于机器人教育的教学初期。纠错复原型教学模式强调学生在掌握“双基”的前提下学会应用,即具备分析故障原因和解决故障问题的能力,但不涉及创新能力的培养,适用于“双基”的巩固与强化阶段。

要素增减型教学模式需要学生经历一个从对机器人产品的分解到“微创新”的探究过程,注重学生对“双基”的掌握及应用,强调让学生超越机器人产品的原始设计,开展较为基础的“微创新”,适用于培养学生创新能力的初级阶段。机器人教育儿童结构创新型教学模式需要学生经历一个从对机器人产品的分解到结构再造的探究过程,与前三种模式相比,其更侧重于知识应用与创新实践,适用于培养学生创新能力的中后阶段。需强调的是,无论哪一种逆向工程教学模式,都需要从现成的产品出发,引导学生代入原产品设计者的身份意识,换位思考和揣摩原设计者的意图,从而快速进入产品复原、改造或纠错的状态。机器人教育学习从这个意义上说,上述四种教学模式都具有“造物”的特征,这与创客教育的初衷高度契合,因此,其也可用于创客教育。

一直强调要从一个或多个机器人产品出发开展基于逆向工程法的机器人教学,但正如前文所言,这种产品至少可以分为两种类型,一种是市场上销售的机器人产品,另一种是师生利用机器人套件自行设计和制作的作品。这种分类会导致不同的教学处理。例如,如果以购买的机器人产品作为逆向工程教学的起点,则通常不适合让学生直接对其进行要素增减或结构改造,否则容易因为损坏产品而导致高昂的教学成本。因此,机器人教育定义如果采用此类产品作为学习对象,往往只能停留于分解与复原阶段。而在重新改造阶段,则需要采用仿造的方式,即利用学校现有的机器人套件,尝试自己动手制作机器人作品以再现相似的产品功能和结构。即便如此,采购成熟的机器人产品所需的投入依然较高,因而那些经济实用且非高端的智能玩具应该作为首选。此外,机器人教育集团还可能出现因购买的机器人产品功能丰富而致使仿造无法在短时间内完成的情况,此时的逆向工程教学就需要分步进行,以由易到难、由简到繁、由少到多、由复原到重构的方式循序渐进地展开。因此,针对一种产品的逆向工程教学就有可能是为期一个学期或一个学年的学习项目,这不仅有利于学生的深度学习,也有利于减少经费投入。

如果采用的是由机器人套件制作的作品,则可以直接在其上进行程序设计或要素结构的再设计。然而,如果采用教师自行制作的作品作为逆向工程教学的起点,在面对大班教学和多个班级轮流上课时,教师将难以应付大工作量的作品准备。此时,机器人教育机构将前一个班级学习结束后的作品作为下一个班级逆向工程教学的起点则是一种更为合理的选择。

对于一线教师而言,还需要注意四种教学模式的选用策略问题。正如前文提到的,四种教学模式体现的是一种循序渐进地提升学生实践创新能力的思想,因此,依据学生所处的学习阶段和学习基础,设计循序渐进、由简到繁的项目主题,并从四种教学模式中选择相适应的模式开展教学是一种基本策略。此外,机器人教育活动还有另一种“打散重组”的策略,即针对同一个项目主题,先后采用不同的教学模式,并不断扩展项目任务,提升作品设计的创新程度和复杂程度。例如,可以从产品的解构复原开始,进而围绕该产品进行要素增减或结构创新。无论采用何种教学模式,都需切记逆向工程本身是一个复杂的过程,机器人教育的意义在教学应用时并不一定能做到明确的环节划分,因而需要根据实际情况灵活调整和组合。

综上所述,面向中小学机器人教育所构建的逆向工程教学模式,并非是对工业领域逆向工程方法的简单照搬。作为一种成熟的工程设计与生产方法,逆向工程有着非常高的技术要求。例如,工业领域往往会借助CAD软件来做再设计,利用虚拟仿真系统来做仿真测试,并利用精密仪器来做测量等等。但在基础教育领域,无论是学生的知识基础还是学校的教学条件,均无法与之看齐。因此,逆向工程方法在中小学教育中的应用,应当侧重于借鉴其基本思想和方法,并采用一些相对低端的技术工具和手段(如3D打印、激光切割等)进行要素或结构的改造。在作品的精度、稳定性等质量指标上的要求也相对较低,甚至可以称得上粗糙,这都是正常的现象,在实践中切忌过分拔高对作品质量的要求。


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关键词:机器人 中小学教育 创新能力 循序渐进 深度学习

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