郭雪晶

（廣東省佛山市順德區(qū)北滘中學(xué)，廣東佛山 528311）

一、研究背景

（一）新高考背景下強調(diào)思維培養(yǎng)重要性

新高考對學(xué)生能力培養(yǎng)提出了新要求，伴隨高考改革，2017年新頒布的高中課程標(biāo)準(zhǔn)提出了每個學(xué)科的核心素養(yǎng)，提出學(xué)生學(xué)科思維能力培養(yǎng)，強調(diào)思維培養(yǎng)的重要性，同時強調(diào)培養(yǎng)其創(chuàng)新精神與實踐能力，需要學(xué)生具備創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維。有學(xué)者認(rèn)為設(shè)計思維是用創(chuàng)造性的方法用來滿足用戶的需求[1]，IDEO總裁Tim Brown認(rèn)為設(shè)計思維是一種以人為本的創(chuàng)新方式，不僅僅是一種分析性思考，還是一個靈感、構(gòu)思、實施的過程。設(shè)計思維作為創(chuàng)新思維的一種，在教育教學(xué)中能激發(fā)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中新思路及新方法，實現(xiàn)創(chuàng)新精神與實踐能力的發(fā)展。

（二）機器人教學(xué)中的現(xiàn)實際遇

在現(xiàn)存的機器人教學(xué)中，存在什么最實用就教什么、比賽項目有什么就教什么的認(rèn)識偏差，處于一種為了學(xué)技術(shù)而學(xué)習(xí)、為了比賽而學(xué)習(xí)的困境。在教學(xué)過程中注重技術(shù)操作而很少滲透原理知識掌握，有學(xué)者將以上現(xiàn)象稱為“技能化傾向”，注重制作過程，缺少創(chuàng)作思考，學(xué)生興趣不足，從而達(dá)不到學(xué)生思維能力的培養(yǎng)目標(biāo)。

（三）以設(shè)計思維為媒介探索機器人教學(xué)新范式

在核心素養(yǎng)下，學(xué)校作為培養(yǎng)人的基地，需要培養(yǎng)更多具有創(chuàng)新思維能力的人才，在機器人教學(xué)的現(xiàn)實際遇不能很好滿足需求時，就需要提出新范式來改進教學(xué)。本研究以設(shè)計思維為媒介來解決上述問題，為教育教學(xué)改革提供新思路。設(shè)計思維就是設(shè)計者在工作中歸納出來的過程，設(shè)計本身就是創(chuàng)意產(chǎn)出的過程，將設(shè)計思維融入到機器人教學(xué)過程中，教師根據(jù)實際情況靈活調(diào)整教學(xué)活動，學(xué)習(xí)者以多元思維處理問題，打破思維定式，可以有效培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力。

二、國內(nèi)設(shè)計思維和機器人教學(xué)實踐相關(guān)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對于設(shè)計的研究稍晚于國外，在教育領(lǐng)域，關(guān)于設(shè)計思維的研究主要涉及藝術(shù)設(shè)計領(lǐng)域。此后越來越多的專家學(xué)者意識到設(shè)計思維在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神與創(chuàng)造力等方面的重要性，積極探索在課程教學(xué)中融入設(shè)計思維，將設(shè)計思維融入到創(chuàng)客和STAEM領(lǐng)域，例如閆寒冰在創(chuàng)客教育實踐中融入設(shè)計思維[2]。楊緒輝等人探索了設(shè)計思維對創(chuàng)客教育活動的指導(dǎo)意義[3]。祝智庭等人將設(shè)計思維應(yīng)用在信息技術(shù)課程中，用來幫助學(xué)生解決問題和設(shè)計作品[4]。

目前國內(nèi)的機器人教學(xué)多數(shù)以競賽為依托，以社團課、興趣班、選修課等形式開展，由信息技術(shù)教師承擔(dān)教學(xué)任務(wù)。雖然也有部分有條件的學(xué)校將機器人教學(xué)歸入正式課堂教學(xué)，但是對一線教師而言，其教學(xué)資源、教學(xué)方式、活動開展及機器人教學(xué)策略尚未形成系統(tǒng)的授課內(nèi)容和方式。此外，目前機器人教學(xué)多數(shù)是以技能習(xí)得為主，較少在機器人教學(xué)中注重促進學(xué)生能力發(fā)展，有不少學(xué)者研究了在機器人教學(xué)中對學(xué)生思維能力的培養(yǎng)，但多數(shù)是以理論的方式進行闡述，很少進行實踐研究。同時，通過文獻(xiàn)分析可知，大多開展機器人教學(xué)課程的是在小學(xué)和初中學(xué)段，在高中開展機器人教學(xué)研究的較少。

三、相關(guān)概念

（一）設(shè)計思維

設(shè)計思維概念源于1969年Simon《人工科學(xué)》著作中，他認(rèn)為人工科學(xué)與自然科學(xué)的差異在于人工科學(xué)有設(shè)計，設(shè)計思維可以有效地將人工科學(xué)與自然科學(xué)相融合[5]。早期設(shè)計思維被廣泛應(yīng)用在設(shè)計學(xué)領(lǐng)域，設(shè)計思維是設(shè)計者工作時的思維方式，是基于設(shè)計工作本質(zhì)，深入并廣泛思考用戶需求，用以加深對用戶的理解。斯坦福大學(xué)教授RoIf.A.Faste將設(shè)計思維定義為一種創(chuàng)造性活動的方法，在教學(xué)過程中逐漸推廣設(shè)計思維。設(shè)計思維的本質(zhì)是創(chuàng)新，設(shè)計驅(qū)動創(chuàng)新，設(shè)計思維為創(chuàng)新思維提供了一個新視角[6]。

本研究基于斯坦福大學(xué)設(shè)計學(xué)院劃分設(shè)計思維的五個過程，分別是共情、定義、設(shè)想、原型和測試，認(rèn)為設(shè)計思維是一種創(chuàng)造性思維能力，設(shè)計思維要求學(xué)習(xí)者明確作品需求，分析出問題，通過思考，提出解決問題方案，最后進行測試，是一個不斷重復(fù)迭代過程，在迭代過程中，促進設(shè)計思維能力發(fā)展。

（二）機器人教學(xué)

機器人的許多特征，包括可重復(fù)性、靈活性、數(shù)字化、人形外觀、身體運動和交互，都與教學(xué)目標(biāo)相關(guān)，與教育目的契合[7]。機器人課程創(chuàng)新性、綜合性、實踐性和探究性特征優(yōu)勢被越來越多學(xué)校關(guān)注，不少學(xué)校開展機器人教學(xué)。機器人學(xué)習(xí)內(nèi)容涉獵廣泛，涉及到數(shù)學(xué)、物理、機械工程及通信工程相關(guān)知識，同時還要了解機械零件設(shè)計、電路連接及計算機編程語言，機器人競賽是融合教育與技術(shù)，是以任務(wù)為導(dǎo)向的教學(xué)活動。本研究的機器人教學(xué)是以競賽為目的，通過設(shè)計一系列機器人教學(xué)活動，讓學(xué)生在活動中促進學(xué)生設(shè)計思維能力的發(fā)展。

四、理論基礎(chǔ)

（一）建構(gòu)主義理論

較早提出建構(gòu)主義理論的是瑞士學(xué)者皮亞杰。建構(gòu)主義認(rèn)為學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)知識是在一定文化情境下發(fā)生的，通過自身意義建構(gòu)而獲得，包括情境、協(xié)作、會話和意義建構(gòu)四要素[8]。

建構(gòu)主義對本研究的啟示為要在機器人教學(xué)過程中體現(xiàn)以學(xué)生為中心，通過創(chuàng)造真實有趣貼合學(xué)生實際的情境，教師對學(xué)生進行引導(dǎo)，使得學(xué)生在合作學(xué)習(xí)中完成知識內(nèi)容化，達(dá)到知識有意義建構(gòu)的目標(biāo)。

（二）杜威“做中學(xué)”理論

美國教育家杜威通過對傳統(tǒng)教育思考研究，提出了“做中學(xué)”觀點。“做中學(xué)”體現(xiàn)在學(xué)習(xí)的過程是發(fā)生在做的過程中，也是在經(jīng)驗中進行學(xué)習(xí)?！白鲋袑W(xué)”認(rèn)為學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者將知識和自己的經(jīng)驗建立聯(lián)系，逐漸更迭，讓學(xué)習(xí)者所學(xué)知識形成螺旋式增長[9]。

“做中學(xué)”對本研究的啟示為學(xué)習(xí)是不斷反復(fù)的過程，學(xué)生學(xué)習(xí)的發(fā)生是在機器人教學(xué)過程中要體現(xiàn)做中有學(xué)、學(xué)中有做。此外還應(yīng)與學(xué)生建立融洽師生關(guān)系，多了解學(xué)生需求，從而進行有效指導(dǎo)。

（三）活動理論

活動理論在各學(xué)者研究下不斷發(fā)展和豐富。目前應(yīng)用廣泛的是恩格斯托姆的活動理論體系，包括主體、客體、工具、共同體、規(guī)則和勞動分工六要素，工具是主體和客體聯(lián)系橋梁，主體與共同體通過規(guī)則相連接，客體與共同體因勞動分工建立聯(lián)系[10]，一個完整的活動是包括多要素的組合，各要素之間具有層次結(jié)構(gòu)。

活動理論對本研究的啟示為：在機器人學(xué)習(xí)活動中充分考慮活動六要素，通過活動設(shè)計，學(xué)生之間進行小組協(xié)作，加強學(xué)生間社會性交互，通過活動內(nèi)化，完成知識建構(gòu)。

（四）多元智能理論

多元智能理論是哈佛大學(xué)心理學(xué)教授加德納在其著作《多元智能理論》中提出的，加德納認(rèn)為人的智能涵蓋了言語智能、數(shù)理邏輯智能、音樂智能、空間智能、運動智能、人際交往智能、內(nèi)省智能和自然觀察智能[11]。

多元智能理論對本研究的啟示為:機器人學(xué)習(xí)是一個跨學(xué)科綜合性課程，需要學(xué)生利用各學(xué)科知識才能完成機器人制作，機器人教學(xué)本身對學(xué)生多元智能開發(fā)具有重要意義，在機器人教學(xué)中，學(xué)生發(fā)揮各自特長，發(fā)表創(chuàng)意，多交流、參加各自競賽、分工合作，依據(jù)每個學(xué)生的智能特點進行學(xué)習(xí)，發(fā)揮學(xué)生各自智能優(yōu)勢。

五、機器人學(xué)習(xí)活動內(nèi)容分析

（一）機器人學(xué)習(xí)活動要素

活動作為一個系統(tǒng)，是由多要素及其相互之間影響構(gòu)成的系統(tǒng)。本研究基于活動理論，以活動理論中六要素為視角，分析在機器人學(xué)習(xí)活動中各個元素內(nèi)容，如圖1所示為機器人學(xué)習(xí)活動要素。

圖1 機器人學(xué)習(xí)活動要素

（二）機器人學(xué)習(xí)活動設(shè)計原則

1.教學(xué)內(nèi)容多樣性

在進行機器人學(xué)習(xí)中，學(xué)生要掌握的內(nèi)容多樣，包括計算機程序設(shè)計、電子線路圖、軟件制圖、傳感器功能及模塊搭建和程序調(diào)試等，完成機器人制作和其功能實現(xiàn)，通過知識的碰撞，在機器人學(xué)習(xí)活動中產(chǎn)生思維的火花，在任務(wù)完成中滲透思維能力培養(yǎng)。

2.教學(xué)目標(biāo)多元性

機器人教學(xué)是一門跨學(xué)科的綜合性課程，涉及內(nèi)容包括計算機、物理、數(shù)學(xué)、機械，甚至還涉及到美術(shù)等學(xué)科內(nèi)容，通過機器人學(xué)習(xí)，促進學(xué)生編程能力、動手操作能力、工程意識及創(chuàng)造能力的發(fā)展。可以在機器人學(xué)習(xí)活動中設(shè)計一些有思考意義的問題，指引學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、搜集資料、設(shè)計解決方案、實施方案并進行效果驗證。因此在進行機器人學(xué)習(xí)活動目標(biāo)設(shè)計時不僅要讓學(xué)生掌握知識、習(xí)得技能，還要促進思維發(fā)展。

3.教學(xué)過程實踐性

建構(gòu)主義認(rèn)為知識的掌握是發(fā)生在真實情境中的，通過不斷實踐進而完成知識建構(gòu)。在機器人活動中，過程具有可操作和實踐性，首先學(xué)生通過觀察和理解、確定問題、小組合作探討解決問題方案、將方案實施進行工程實踐，最后進行機器人作品功能測試。當(dāng)然在這系列過程中有些環(huán)節(jié)可能會被重新定義，重新發(fā)現(xiàn)問題，是個迭代更新過程。

六、構(gòu)建面向設(shè)計思維培養(yǎng)的高中機器人學(xué)習(xí)活動模型

依據(jù)建構(gòu)主義理論、杜威“做中學(xué)”理論、活動理論、多元智能理論，基于設(shè)計思維心理操作過程，結(jié)合機器人教學(xué)內(nèi)容構(gòu)建面向設(shè)計思維培養(yǎng)的高中機器人學(xué)習(xí)活動模型（如圖2），以設(shè)計思維心理操作過程為依據(jù)，根據(jù)活動內(nèi)容，詳細(xì)描述機器人活動中學(xué)生活動內(nèi)容和教師活動內(nèi)容。

圖2 面向設(shè)計思維培養(yǎng)的高中機器人學(xué)習(xí)活動模型

七、面向設(shè)計思維培養(yǎng)的高中機器人學(xué)習(xí)活動的行動研究

（一）行動研究準(zhǔn)備

根據(jù)研究流程，與授課教師共同商討，確定進行行動研究的時間和內(nèi)容。行動研究時間與內(nèi)容安排如表1所示。

表1 行動研究時間與內(nèi)容安排

（二）行動研究設(shè)計與實施

本研究的總目標(biāo)就是在機器人學(xué)習(xí)活動中促進學(xué)生的設(shè)計思維發(fā)展，通過兩輪行動研究，不斷修改和完善面向設(shè)計思維培養(yǎng)的高中機器人學(xué)習(xí)活動模型。行動研究對象為某高中參加機器人學(xué)習(xí)的20名學(xué)生。

1.第一輪行動研究

第一輪行動研究主題為“智能救援機器人”，實施時間為2020年9月12日至2020年10月12日，本輪行動內(nèi)容主要是機器人按照規(guī)定的活動軌跡，在自動和手動狀態(tài)下需完成“救援”活動，目標(biāo)是為了完善面向設(shè)計思維培養(yǎng)的高中機器人學(xué)習(xí)活動模型、活動流程。

計劃：實施以面向設(shè)計思維培養(yǎng)的高中機器人學(xué)習(xí)活動模型的教學(xué)實踐。

行動：教師按照活動內(nèi)容，依據(jù)面向設(shè)計思維培養(yǎng)的高中機器人學(xué)習(xí)活動模型，展開活動，學(xué)生分小組完成救援機器人硬件研發(fā)、搭建救援機器人及救援機器人程序設(shè)計開發(fā)工作。

觀察：通過對活動過程的觀察，學(xué)生能夠明確活動要求，發(fā)現(xiàn)問題，構(gòu)思活動方案。部分小組可以利用程序設(shè)計軟件中常見的操作指令，初步搭建出機器人模型，有部分學(xué)生對程序設(shè)計軟件操作不熟練，一邊學(xué)習(xí)軟件的各操作指令，一邊進行搭建，因此完成作品的速度較慢。由于對機器人活動感到新奇，大部分學(xué)生可以參與到活動中，但是有少數(shù)學(xué)生感覺無所事事或者做一些與活動不相干的事情，有極少個小組未能按時完成作品。

反思：學(xué)生在進行機器人搭建過程中，測試環(huán)節(jié)次數(shù)少，需要進行多次測試，發(fā)現(xiàn)問題，進而改進問題，在學(xué)生“活動內(nèi)容”環(huán)節(jié)將“測試優(yōu)化”修改為“試錯迭代”步驟。

2.第二輪行動研究

第二輪行動研究主題為“智能滅火機器人”，實施時間為2020年10月13日至2020年11月13日，本輪行動內(nèi)容主要是機器人按照規(guī)定的活動軌跡，在自動或手動狀態(tài)下需完成“滅火”活動，目標(biāo)是完善面向設(shè)計思維培養(yǎng)的高中機器人學(xué)習(xí)活動模型中的學(xué)生活動。

計劃：完善面向設(shè)計思維培養(yǎng)的高中機器人學(xué)習(xí)活動模型中活動內(nèi)容，并作出具體描述。

行動：教師按照活動內(nèi)容，依據(jù)面向設(shè)計思維培養(yǎng)的高中機器人學(xué)習(xí)活動模型，展開活動，學(xué)生分小組完成滅火機器人硬件研發(fā)、搭建滅火機器人及滅火機器人程序設(shè)計開發(fā)工作。

觀察：通過對活動過程的觀察，學(xué)生明確活動主題，發(fā)現(xiàn)問題，設(shè)計出方案；學(xué)生按照活動要求，設(shè)計作品模型，設(shè)計的作品看起來合理美觀，同時利用程序設(shè)計軟件操作指令編程；學(xué)生參與度有了大幅度提升，小組按時完成作品。

反思：學(xué)生在小組分享過程中有些不熟練，經(jīng)常有一些小狀況，例如表述有誤、操作不規(guī)范等。在活動方案確定之后，在組間和組內(nèi)探討方案，在“構(gòu)思方案”環(huán)節(jié)“學(xué)生活動”內(nèi)容補充“分享交流”。在小組分享之前，組內(nèi)之間可以先進行模擬展示，在“學(xué)生活動”環(huán)節(jié)，增加一個“展示分享”步驟。

（三）行動研究的結(jié)論

經(jīng)過兩輪行動研究之后，最后優(yōu)化得出活動模型如圖3所示。

圖3 面向設(shè)計思維培養(yǎng)的高中機器人學(xué)習(xí)活動模型

八、面向設(shè)計思維培養(yǎng)的高中機器人學(xué)習(xí)活動模型應(yīng)用效果

本文采用準(zhǔn)實驗研究，通過單組前后測來檢驗學(xué)生活動前后設(shè)計思維能力變化，驗證機器人學(xué)習(xí)活動在培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計思維能力效果。

（一）實驗假設(shè)

1.通過設(shè)計面向設(shè)計思維培養(yǎng)的機器人活動，在進行兩輪行動研究之后，通過前后測數(shù)據(jù)對比，學(xué)生設(shè)計思維能力有所提高。

2.應(yīng)用面向設(shè)計思維培養(yǎng)的高中機器人學(xué)習(xí)活動模型進行教學(xué)實踐對學(xué)生設(shè)計思維能力培養(yǎng)具有一定促進作用。

（二）實驗變量

在本研究中促進設(shè)計思維發(fā)展的機器人學(xué)習(xí)活動是自變量，學(xué)生設(shè)計思維能力的發(fā)展情況為因變量，無關(guān)變量主要是影響因變量的因素。例如隨著年齡增長學(xué)生設(shè)計思維能力變化等。

（三）實驗對象

實驗研究對象為佛山市某高一年級學(xué)生，共20名學(xué)生，依托某機器人比賽，進行教學(xué)，開展準(zhǔn)實驗研究。該學(xué)?？萍冀逃T果累累，學(xué)校教師在各類科技比賽中獲得佳績。

（四）實驗工具

分別在行動研究前后，對學(xué)生設(shè)計思維能力測量。本研究采用南京師范大學(xué)研究生趙婷婷畢業(yè)論文中對高中生設(shè)計思維測量表，結(jié)合本校學(xué)生實際情況稍作修改，可信度和效度較高，得出設(shè)計思維前后測試題。

（五）實驗數(shù)據(jù)分析

1.準(zhǔn)實驗前測

在正式行動研究之前，對學(xué)生的設(shè)計思維能力進行前測，向?qū)W生發(fā)放了20份問卷，對學(xué)生問卷的結(jié)果進行分析，通過分析得出學(xué)生前測的均分為15.40，標(biāo)準(zhǔn)差為2.583，由此可得學(xué)生設(shè)計思維均分較高，且得分較為分散（如表2）。

表2 設(shè)計思維前測

2.準(zhǔn)實驗后測

在正式行動研究之后，對學(xué)生的設(shè)計思維能力進行后測，向?qū)W生發(fā)放了20份問卷。對學(xué)生問卷的結(jié)果進行分析，通過分析得出學(xué)生前測的均分為19.65，標(biāo)準(zhǔn)差為2.231，由此可得學(xué)生設(shè)計思維均分較低，且得分較為集中（如表3）。

表3 設(shè)計思維后測

3.準(zhǔn)實驗前后數(shù)據(jù)對比分析

進一步利用SPSS軟件對學(xué)生設(shè)計思維能力前后測進行差異性分析（如表4），進行數(shù)據(jù)配對樣本t檢驗。

表4 配對樣本t檢驗

根據(jù)如表4數(shù)據(jù)所示，對學(xué)生設(shè)計思維能力前后測得分進行配對樣本t檢驗之后，其值P值為0.000，小于0.05，表明學(xué)生設(shè)計思維前后測差異性顯著。研究得出：面向設(shè)計思維能力培養(yǎng)的高中機器人教學(xué)活動模型能有效促進學(xué)生設(shè)計思維能力的提高。

九、結(jié)語

本研究構(gòu)建面向設(shè)計思維培養(yǎng)的高中機器人學(xué)習(xí)活動模型，為具體的機器人活動提供了參考依據(jù)，該模型主要依據(jù)設(shè)計思維共情、定義、設(shè)想、原型和測試五個心理操作過程，主要概括為三階段五過程，具體包括學(xué)生活動、教師活動和活動內(nèi)容三個階段，發(fā)現(xiàn)問題、定義問題、構(gòu)思方案、制作模型、試錯迭代、測試優(yōu)化五個過程。除此之外，還檢驗了面向設(shè)計思維培養(yǎng)的高中機器人學(xué)習(xí)活動設(shè)計研究的有效性，開展了主題為“智能救援機器人”“智能滅火機器人”的兩輪行動研究。在機器人學(xué)習(xí)活動中，通過觀察學(xué)生在活動中的行為表現(xiàn)及其活動開展形式，肯定模型合理之處，反思其不足之處，進而對機器人活動模型進行修改和完善。通過準(zhǔn)實驗研究，采用單組前后測的方式測量學(xué)生設(shè)計思維對比實驗前后的學(xué)生空間能力。在后續(xù)研究中對以下幾個方面進行完善：擴大研究樣本、增加研究案例及延長研究周期等。