中小學機器人教學中“微課”的制作與應用研究 *

王同聚

(廣州市教育信息中心(廣州市電化教育館)，廣東 廣州 510030)

中小學機器人教學中“微課”的制作與應用研究*

王同聚

(廣州市教育信息中心(廣州市電化教育館)，廣東 廣州 510030)

智能機器人技術是21世紀的核心科技力，在中小學開展智能機器人教育不僅可以培養學生的動手實踐能力、創新思維能力和團結協作能力，而且對提高中小學生的信息科技素養有著巨大的促進作用，同時也是新一輪新課程改革的需要。“微課”作為一種全新的教學資源，具有傳統資源不可替代的優勢和特點。該文探討了在中小學機器人課堂教學中微課資源的制作和微課資源庫建設的方案，提出了“微課導學”教學模式在機器人教學中應用策略，對于解決目前國內機器人教學資源短缺、教育性不足等所面臨的種種困境具有較大的理論研究價值和實踐指導價值。

微課；智能機器人；課堂教學；資源建設；“微課導學”教學模式

智能機器人融合了機械制造、電子技術、傳感器、無線通訊、聲音識別、圖像處理和人工智能等領域的先進技術，所以智能機器人技術是當今世界公認的核心競爭力之一，世界上的許多國家已將機器人教育納入到基礎教育體系當中。2003年4月，我國教育部正式頒布《普通高中技術課程標準(實驗)》，首次在高中“信息技術”“通用技術”課程中分別設立了“人工智能初步”“簡易機器人制作”選修模塊，部分省市也把機器人教學內容納入到初中和小學信息技術、綜合實踐和科學課程中，中國科學技術協會、中央電化教育館等相關部門也舉辦了電腦機器人競賽項目。國家對中小學機器人教育十分重視，把培養高素質的智能機器人研究人才已納入國家“人才儲備計劃”。經過研究發現：在中小學開展智能機器人教育不僅能夠培養學生的動手實踐能力、創新思維能力和團結協作能力，而且對提高中小學生的信息科技素養具有較大的促進作用。雖然智能機器人進入我國中小學校已有十多年的時間，但現階段的機器人教育主要是以競賽為主，真正進入到中小學課堂的卻很少，機器人教學缺乏科學的規劃和優質的教學資源，所以目前在中小學開展機器人教學可謂步履艱難，嚴重阻礙了中小學機器人科技教育的推廣和普及。

而“微課”的出現為機器人教育帶來一場“微”革命，“微課”具有主題突出、類型多樣、情景真實、交互性強、可生成性、使用方便等諸多優點，它不僅成為教師和學生的重要教育資源，也構成了教育教學模式改革的基礎，無論是對學生的學習、教師的教學實踐，還是教師的專業發展，都具有重要的現實意義[1]。胡鐵生對“微課”[2]的詮釋是：“微課”的核心是微型教學視頻片段(視頻時長為5-8分鐘左右)。同時，還包含與該學習視頻內容相對應的教學設計、素材課件、練習測試、教學反思及學生反饋、教師點評等教學支持資源內容。隨著網絡帶寬的加大，視頻壓縮與傳輸技術的發展，無線網絡的日益普及，以及移動終端的日漸流行，互聯網進入了“微時代”，微博、微信、微電影風起云涌，以超乎人們想象的速度迅猛地流行起來[3]。所以“微課”的出現，將點燃機器人普及的導火索，能為中小學機器人教學提供一種較好的解決方案，能切實解決目前機器人教學資源欠缺、教育性不足等一系列問題。把“微課”引入到中小學智能機器人課堂教學中，將會為機器人教育走進中小學課堂開啟創新之門，探索微課資源的制作、微課資源庫建設和“微課導學”應用模式的研究，對于移動學習時代的中小學機器人教學研究具有極為重要的戰略意義和現實價值。

一、中小學機器人教學微課資源的制作

目前，我國在中小學機器人教學中所用的機器人一般可分為實體機器人和虛擬機器人。實體機器人(如圖1所示)是由主控制器、多種傳感器、驅動電機、輪子、連接件等硬件部分和一套編程軟件組成，其教學過程包括機器人結構的搭建、機器人程序的編寫、機器人軟硬件聯合調試和機器人競技展示等幾個環節；虛擬機器人(如圖2所示)是利用虛擬仿真技術在計算機上運行的一套能夠進行機器人制作與編程的軟件，其教學過程包括機器人場地的搭建、機器人的設計制作、機器人程序的編寫和機器人競技展示等幾個環節。在以上兩類機器人的教學過程中，每個環節的教學內容都能夠獨立地自成體系，適于制作成微課。

圖1 實體機器人結構組成

圖2 虛擬機器人軟件界面

微課制作前，教師首先要根據教學內容完成教學設計，教學過程應包含情境導入、要點概括、重點和難點剖析、演示講解、任務驅動、互動反饋、簡短總結等幾個環節，時間控制在5-8分鐘，然后準備好機器人教學所用的軟硬件設備和各種工具，就可以進行微課視頻的錄制。微課視頻按錄制方法一般可分為拍攝式微課和錄屏式微課，不同類別的機器人制作微課所采用的錄制作方法也不盡相同，下面分別介紹在實體機器人和虛擬機器人教學過程中微課的制作方法。

(一)實體機器人教學微課資源的制作

根據實體機器人教學的特點，可采用拍攝式微課的錄制方法制作微課，即通過攝像設備(專業攝像機、DV攝像機、智能手機、網絡攝像頭等)，把教師授課過程、制作機器人操作演示步驟和學生學習過程等真實情境拍攝記錄下來，完成實體機器人的教學視頻錄制。

1.微課視頻的拍攝

這里以配有智能高清自動錄播系統的標準機器人工作室為例來介紹實體機器人微課資源的制作方法。機器人工作室內配有1套智能高清自動錄播系統，該系統是利用計算機通過導播平臺將3路高清視頻信號和1路VGA信號輸入到錄播系統中，錄制微課時可以由計算機控制攝像機實時跟蹤拍攝教師和學生的教學過程，自動完成視頻的拍攝，也可以由人工控制完成視頻的拍攝。最后生成1080P或720P的高清視頻，視頻格式可根據需要保存為MPEG-4、WMV、AVI等多種格式。

2.微課視頻的后期加工制作

目前常用的視頻編輯軟件有會聲會影、Adobe Premiere、EDIUS和Windows Movie Maker等多種軟件，各種視頻編輯軟件的用法大同小異，這里以Corel會聲會影X2軟件為例介紹實體機器人微課視頻的后期制作過程。

打開Corel VideoStudio軟件，首先選擇“文件”菜單建立一個新項目，在后面的“2編輯”菜單中選擇“加載視頻”按扭，導入已拍攝好的視頻文件，根據生成文件的時間長度利用編輯器進行剪輯，再分別利用標題、音頻、效果和覆蓋等幾個菜單為剪輯好的視頻加上字幕、配音、背景音樂、屏幕特效和轉場特效等進行美化，加上片頭和片尾，預覽滿意后單擊“分享”菜單，根據需要選擇MPEG-4、WMV、FLV等視頻格式，最后渲染生成一段5-8分鐘的視頻文件，便完成了微課視頻的后期加工制作。

(二)虛擬機器人教學微課資源的制作

根據虛擬機器人教學的特點，可采用錄屏式微課的錄制方法來制作，常見的錄屏軟件很多，如Camtasia Studio、屏幕錄像專家、錄屏大師、Wink、Snagit錄屏軟件等，下面就以Camtasia Studio7.1錄屏軟件為例介紹虛擬機器人微課的制作方法。

1.用錄屏軟件錄制微課視頻

Camtasia Studio7.1錄屏軟件的視頻、錄音設置基本使用默認設置即可。一切準備就續后按下F9鍵便開始錄制，錄制內容包括影像、音效、鼠標移動軌跡、解說聲音等，教師可以邊操作邊講解，教學內容完成后再按下F10鍵停止錄制，系統會自動播放剛才錄制好的視頻，觀看滿意后建議保存為.camrec格式的文件(該格式能把光標特效保存下來，視覺效果較好)，選擇合適的分辨率保存，完成視頻文件的屏幕錄制。

2.微課視頻的后期美化加工

利用Camtasia Studio7.1錄屏軟件還可以把錄制完成的視頻文件進行后期加工制作，即基于時間軸對視頻片段進行剪輯，添加標注、變焦、畫中畫、后期配音、背景音樂、轉場效果、標題等多種特效對錄制的視頻進行美化和加工制作。例如利用標題制作和添加標注功能可以在整個微課視頻中添加封面、學習要點等字幕，讓微課結構更加清晰；利用轉場效果、變焦、畫中畫、后期配音、背景音樂等特效可使視聽效果更出色。編輯完成后單擊“文件—生成與分享—自定義生成設置”，可根據需要保存為WMV、AVI、FLV、MP4、SWF、RM等多種格式的視頻文件，即完成了虛擬機器人微課視頻的制作。

二、在機器人教學中微課資源庫的構建與管理

微課資源庫的構建、運行和管理需要有一個功能完善的網絡管理平臺來支撐，根據當地的條件可以選擇不同的模式來構建微課的網絡管理平臺。有條件地區可以建一個大型的網絡管理平臺，如廣州市是依托“廣州數字教育城”公共服務云平臺，把所有的微課視頻資源、教學設計、教學課程和教育反思等內容全部放在名優教師工作站微課資源網絡管理平臺上運行和管理，該系統實現一站式登錄，教師依據用戶權限可以上傳、管理微課視頻資源和其它教學資源，并根據需要對其進行有效的分類、組織和管理，使用者可以快捷有效地檢索到想要的微課資源，同時該平臺支持跨平臺運行，方便老師和學生使用電腦或各種移動終端設備在線使用微課資源。

但對于網絡基礎設施不夠完備的地區，可以建設一個簡單的網站，再借用其它免費視頻網站來管理和運行微課資源。即只要有一臺可以連接外網的電腦作為服務器，制作一個簡單的網絡資源管理平臺，該平臺只放置容量較小的教學設計、教學課件、教學評價和教學反思等信息；而容量較大的微課視頻制作好后只需要上傳到常用的優酷網、土豆網、百度視頻等視頻網站上即可，這些視頻網站都是可以免費存放視頻資源，如在優酷網上傳視頻時，不需要自己轉換視頻格式和壓縮視頻，上傳視頻時系統會自動轉換成FLV格式并將視頻壓宿，5-8分鐘的1080P的高清視頻上傳后只有20M以內，利用電腦和智能手機等移動設備都可以順暢地播放，所以在自己的服務器上只需要制作一個網站放置微課的列表，用超級鏈接連到已上傳視頻網上該視頻的網址，在本地網站上點播時就可以轉到相應的視頻網上進行下載和播放，從而間接地解決海量微課視頻存放難的問題。

三、微課資源在中小學機器人教學中的應用模式

目前，在我國“微課”和“中小學機器人教學”這兩方面的研究都處于探索期，可供借鑒的、成熟的應用模式和應用案例較少，那么將二者結合起來共同研究的案例更是難覓蹤影。但是要想在我國中小學普及機器人教育，必須有先行者敢于承擔起這份責任，開辟新的研究領域，以機器人為載體，以微課為突破口，使二者完美結合，尋求微課在中小學機器人教學中應用的有效途徑，探索在中小學機器人教學中應用微課資源組織教學的應用模式。筆者在基于微課的機器人課堂教學方面做了一些探索試驗，希望能起到拋磚引玉的作用，為普及中小學機器人科技教育開辟一條創新之路。

這里以“機器人走黑線”的教學內容為例介紹微課在機器人教學中的具體應用策略。“機器人走黑線”這節課選用的機器人器材和軟件分別NXT藍牙機器人和相配套的LEGO MINDSTORMS Edu NXT 2.0中文版編程軟件，搭建一個走黑線的機器人需要1個主控制器、2個馬達、1-2個光電傳感器和20-30個各種連接件來完成。這節課的教學重點和難點是機器人的搭建和機器人編程部分，如果采用傳統的教學方式，教師在講解機器人結構的設計和搭建時需要把操作過程演示給學生看，但是有些機器人配件非常小，只有坐在教師附近的學生才能看清機器人搭建的操作過程，要想讓每個學生都能看清機器人搭建演示過程必須分4-5個組各演示一次，一般用最快的速度演示一次機器人搭建過程至少需要4-5分鐘，這樣幾個組都演示完一節課的時間已用了大半，教學效率較低，所以利用傳統教學方式上機器人課根本無法完成既定的教學目標。經過實驗探索，筆者采用“微課導學”教學模式組織機器人教學取得了事半功倍的教學效果。

“微課導學”是通過微課視頻來引導學生自主學習和個性化學習，促進學生主動探究、動手實踐和合作交流，采用以學生為主體、教師為主導的教學理念，幫助教師提高教學效率和教學質量的應用模式。筆者把這種模式稱為“微課導學”教學模式。該模式具有節約時間、節省材料、教學效率高、學習方式靈活、培養學生自主學習能力和自主探究能力等特點，除適用于機器人制作課的教學外，還適用于物理實驗課、化學實驗課、生物實驗課、音樂器樂教學課等多種實操性強和演示類課程的教學。利用“微課導學”這種教學模式，教師在組織機器人走黑線的教學時，課前選取教學重點和難點內容分別錄制4-5分鐘的機器人搭建視頻和3-4分鐘的機器人編程視頻上傳到微課網絡管理平臺，上課時教師只需布置教學任務，讓學生通過網絡利用多媒體電腦或移動設備(平板電腦和智能手機)打開微課教程自主學習搭建和編程的知識點，每個學生很快就能按照微課教學內容進行創新設計、搭建出具有個性化的走黑線機器人，根據微課視頻中對循環語句和條件判斷語句知識點的講述，學生會結合自己搭建機器人所采用光電傳感器的個數不同而編寫出不同的走黑線程序，在整個教學過程中，教師主要精心放在為學生答疑解惑上，充分體現學生為主體、教師為主導的新課程教學理念，每組學生都能以最快的速度完成走線機器人的搭建、編程、下載程序和走線演示的學習任務，從而培養了學生的動手實踐能力、創新思維能力和團結協作能力，顯示出了“微課導學”教學模式在機器人教學中的獨特優勢，具體體現在以下兩個方面：

對教師而言，把微課引入中小學機器人教學課堂，使教師的課堂教學將更具有針對性和實效性，教師可以改變傳統的教學方式，將上課講授的關鍵內容，如制作機器人的每個環節或某個環節中的重點、難點、易錯點等制作成微課，在教學過程中不斷地積累和豐富微課資源，再把微課資源應用于自己以后的教學中。根據機器人課程的特點，有些地區還無法開設機器人課程，只能以興趣小組在業余時間組織機器人教學，所以在機器人教學中通過引入“微課導學”教學模式，與“研學后教”[4]“翻轉課堂”[5]等教學模式結合起來，根據學生熱衷于應用移動設備觀看視頻的特點，把機器人知識以微課的形式呈現在網絡平臺上，讓學生通過多媒體電腦和智能手機、平面電腦等移動設備在課堂上或課后業余時間利用微課主自學習，不受時空和觀看次數的限制，教師在課堂上或課后輔導時重點幫助學生解決疑難問題和易錯問題，給予學生個性化輔導，充分調動學生自主探究、創新思維的學習積極性，培養學生對機器人的興趣，使得機器人教學更為生動有效，從而在機器人教學實踐中進一步完善和深化“微課導學”教學模式的應用研究，逐步積累教學經驗，形成自己的獨特的教學風格，帶動區域機器人教學和教研模式的變革，有效推動微課在中小學機器人教學的應用。

對學生而言，隨著信息與通信技術的快速發展，特別是隨著手持移動數碼產品和無線網絡的普及，與微博、微信等當前學生喜歡使用的工具軟件一樣，微課也將具有十分廣闊的教育應用前景。機器人微課視頻是以闡釋某一知識點為目標，以短小精悍的在線視頻為表現形式，能更好地滿足學生對不同知識點的個性化學習。學生可以利用電腦和智能手機、平板電腦等手持移動設備，進行基于機器人微課的移動學習、遠程學習、在線學習和泛在學習。學習內容可以按需選擇，突出個性化學習，以達到既能查缺補漏又能強化鞏固知識的目的；學生對機器人知識都比較感興趣，興趣也是學生進行學習的強大內驅力，機器人微課資源的出現，會激發起學生自主學習機器人的熱情，通過微課的應用，讓學生充分利用網絡和移動設備在課堂和課外都能自主、高效地掌握機器人的基礎理論知識和實踐操作技能。

四、結語

“微課”和“中小學機器人教學”是近年來新興起的兩個研究領域，也是當前研究的熱點問題，在中小學機器人教學中開展“微課”資源的制作和應用研究是一個全新的課題，目前沒有現成的案例可供參考和借鑒。在中小學機器人教學中潛心研究微課的制作和應用既是一種挑戰，也是一種機遇，機遇與挑戰并存，特色與創新共進，機器人微課應用模式的創新也是未來中小學機器人教育和微課發展的一個重要研究課題。只有解決了中小學機器人教學中微課設計開發的技術門檻，提升了中小學機器人課堂教學的質量，并把“微課導學”教學模式在機器人教育中加以創造性地應用和升華，在中小學普及機器人教育的春天就可以早一天到來，微課的發展前景將會更加美好。

[1]徐靖程.微課，開啟教育“微”時代[J].中小學信息技術教育,2013,(4):9.

[2]胡鐵生.微課：區域教育信息資源發展新趨勢[J].電化教育研究,2011,(10):61-65.

[3]焦建利.微課及其應用與影響[J].中小學信息技術教育,2013,(4)：13-14.

[4]陳晉威.“研學后教”理念下小組合作學習課堂模式初探[J].師道：教研, 2013,(2):42-43.

[5]汪文華.基于“翻轉課堂”理念的教師培訓[J].中小學信息技術教育, 2013,(7):39-42.

王同聚：中學高級，研究方向為智能機器人科技教育、教育信息化應用研究(wangtj@gzedu.gov.cn)。

2014年1月15日

責任編輯：宋靈青

Research on Application of 'Micro-lesson'in Robot Teaching of Primary and Secondary School

Wang Tongju
(Guangzhou Education Information Center(Guangzhou Audio-Visual Education Center),Guangzhou Guangdong 510030)

The technology about intelligent robot is the core technology in 21st century. To carry out intelligent robotics' education in schools is the call of the new curriculum reform. It can not only improve students' practical ability, creative thinking ability and the ability of cooperation, but also improve the quality of primary and secondary information technology. As a new teaching resources,'micro-lesson' has some irreplaceable advantages and characteristics differed from traditional resources. This paper discusses the specific production and implemention process of micro-lesson in robot teaching in primary and secondary school. In the mean time,this paper proposes a "micro-class guided learning" teaching mode which can be applied as robotics teaching strategies. These practices are for solving those various difficulties faced by educational inadequate theoretical study such as the current shortage of domestic robot teaching resources and micro-lesson resource library, with some practical guidance value.

Micro-lesson; Intelligent Robots; Classroom Teaching; Resource Development; Teaching Mode

G434

A

1006—9860(2014)06—0107—04

* 本文系全國教育信息技術研究“十二五”規劃2012年度重點課題子課題“微課在中小學機器人教育中的應用研究”(課題編號：123620577-0037)和廣東省教育科學“十二五”規劃2012年度教育信息技術研究課題“中小學智能機器人科技教育教學模式的構建與評價研究”(課題編號：12JXN011)研究成果。