創客理念下師范院校的機器人教學模式探究*

劉淑云 馬 燕 范文翔

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創客理念下師范院校的機器人教學模式探究*

劉淑云1馬 燕2范文翔1

（1．重慶師范大學計算機與信息科學學院，重慶 401331；2．重慶師范大學研究生院，重慶 401331）

智能技術的發展及創新型人才的培養需求推動機器人教育在師范院校的廣泛開展，創客理念作為一種新型創新人才的培養理念，為師范院校的機器人教育提供了新思路。文章首先分析了創客理念的內涵與師范院校機器人教育的現狀；其次在深入分析“創造即學習”的創客理念與師范院校機器人教育相結合的優勢基礎上，建構了基于創客理念的師范院校機器人教學模式；最后以建構的教學模式為指導，在重慶師范大學教育技術學研究生的“人工智能”課程中開展創客理念支持的機器人教育實踐，取得了較好的成效。

創客；師范院校；機器人教育；教學模式

近年來，以移動互聯網、云計算、物聯網、大數據等為代表的新一代信息技術，正在推動社會各領域的深刻變革，關于機器人的研究與應用水平也取得了重大突破。隨著智能機器人技術的發展，機器人教育必將給信息技術教育帶來新的活力，并全面推動信息技術教育的發展。師范院校作為高水平師資力量的“孵化廠”，擔負著為社會輸送綜合性人才的重要任務，為了適應社會的發展需求，加強師范院校的機器人教育勢在必行。近期以“互聯網+DIY”形式出現的創客運動正在席卷全球，《2014上?；A教育信息化進程藍皮書》也明確指出：“5年后，將進入‘創客’式學習的新時代”。因此，將創客理念引入師范院校的機器人教育，必將成為高校實踐教育創新的一個新的突破口。

一 創客理念與師范院校機器人教育的結合

1 創客理念的內涵

創客一詞源于英文單詞Maker或Hacker，指樂于動手實踐和分享，努力把各種創意轉變為現實的人[1]。創客運動（Maker Movement）則是利用身邊各種材料、計算機相關設備（如3D打印機）、程序及其它技術性資源（如互聯網上的開源軟件），通過自己動手或與他人合作創造出獨創性產品的一種行動[2]。

創客運動的普及引發了國內外教育者對創客教育的思考。自2013年以來，美國眾多中小學開始實施“創客教育”（Maker Education）[3]。國內學者也從教育模式[4]和教育理念[5]兩個方面對創客教育開展了相關研究。而所謂創客教育，是創客運動與傳統教育相互碰撞所產生的一種融合信息技術、秉承“開放創新、探究體驗”教育理念、以“創造中學”為主要學習方式、以培養各類創新型人才為目的的新型教育模式[4]；是一種以信息技術融合為前提，以體驗教育、項目學習法、創新教育、DIY思想為理論基礎，以學生為中心，并與實踐相結合的新興的教育理念[5]。

2 師范院校機器人教育現狀

機器人教育通常是指學習機器人的基本知識與基本技能，或利用教學機器人優化教育教學效果的理論與實踐[6]。在高等教育中，以智能機器人技術為載體的教學實踐與創新能力培養活動已經得到了廣泛認可，越來越多的師范類院校開始機器人通識教育及校本課程的建設。然而，由于院校、學科的特殊性以及機器人課程知識體系的跨學科性，師范類院校的機器人教育并無定式。近年來，機器人競賽對師范院校機器人教育的發展起了一定的推動作用。據不完全統計，截至2016年4月底，國內有63.6%的師范類院校以各種形式開展了機器人教育活動，具體開展情況如圖1所示。其中，機器人課程性質認定如圖2所示。

圖1 師范院校機器人教育開展情況

圖2 機器人課程性質認定

結合圖1、圖2，本研究認為當前師范院校的機器人教育主要存在以下問題：

（1）過分注重競賽本身，忽視學生能力培養

我國師范院校的機器人教育從機器人競賽發展而來，并通過機器人競賽帶動機器人學科建設。近年來，機器人競賽雖然發展迅速，但由于企業的介入，機器人競賽的教育本質并沒有得到較好的體現。許多機器人競賽門檻較高，學生參與度低；即使是參與比賽的學生，由于受時間的限制且工作強度大，無法進行深層次內容的學習，故很難在短時間內領悟到機器人教育的真正意義與樂趣。此外，競賽用的機器人產品集成度較高、可開發性較差，不利于學生實踐能力和創新思維能力的培養。

（2）課程設置以專業教育為主，機器人通識教育尚未普及

當前，我國師范院校的機器人教育在北京師范大學、華南師范大學和陜西師范大學等發展較快，但大多數院校的機器人教育主要以科研和專業教育為主，課程主要針對機械、電子、計算機等相關專業的學生進行開展，注重培養技術型人才。只有北京師范大學、陜西師范大學等少數院校開設了“簡易機器人制作”、“通識教育課程——智能科學”等綜合性的科技教育課程，可見機器人通識教育尚未普及。

3 創客理念與師范院校機器人教育結合的優勢

基于創客理念的機器人教育通過理論學習、實踐操作、協同探究等多種學習方式，讓學生在創造中學習，培養學生的創新能力。創客理念的提出為高等教育新課程改革提供了新的思路，而機器人教育則為新課程改革提供了實踐平臺。從國家人才戰略來講，融入創客理念的機器人教育將推動我國人才培養由“單一向多元，由標準向個性”的加速轉型，并有助于培養大批科技創新人才，從而為建設創新型國家提供人才支撐。

二 創客理念下師范院校機器人教學模式的建構

相關學習理論的研究表明，人類學習歷經了“學習即個體獲得”的獲得隱喻和“學習即情境參與”的參與隱喻，正在走向“學習即知識創造”的新型隱喻[7]。創客理念是在該隱喻指導下衍生的一種新型的教育理念，其核心要素是“基于創造的學習”。與傳統教學相比，它強調“知識的創造而非知識本身”。因此，創客理念下的學習不僅僅是知識的消費和傳承，更是知識的生產和創造；相應地，創客理念下的學生也不僅僅是知識的消費者和被動接收者，而是在原有認知的基礎上，通過自身的努力與學習，成為知識的創造者和建設者。基于此，本研究以創客理念為指導，以“知識的創造”為主線，針對當前師范院校機器人教育存在的“重競賽輕教學”、機器人通識教育尚未普及等問題，構建了創客理念下師范院校的機器人教學模式，如圖3所示。

圖3 創客理念下師范院校的機器人教學模式

該模式以“創造即學習”的創客理念為理論基礎，具體分為五個部分：①教學目標，主要是通過機器人通識教育，促進學生知識與技能、過程與方法、情感態度價值觀等目標的實現。②操作程序，包括課前準備和課堂活動兩個部分——課前準備主要完成學習者分析、教學資源整合與實踐平臺的搭建，以保證教學的順利進行；課堂活動采取教師授課、開展講座和Seminar等方式完成理論教學，通過任務驅動完成機器人實踐課程教學。③實現手段，包括在線學習和線下學習、自主學習和小組協作學習、班級同步學習和個人異步學習、被動接受學習和主動探究學習等；④反饋與評價，其中課程的評價包括形成性評價和過程性評價，評價方式則包括自評、互評和師評；⑤成果轉化，主要是將學生創造出的知識融入已有的機器人學習資源中，以優秀的成果反哺教學，促進機器人教育向更高層次的水平發展。

三 創客理念支持的師范院校機器人教育實踐

本研究依托于重慶師范大學，將創客理念下師范院校的機器人教學模式運用到教學中，開展了機器人教育實踐活動，具體情況如下：

1 教學目標

2 操作程序

（1）學習者分析

隨著智能機器人技術和中小學機器人教育的發展，機器人教育整合技術的學科教學知識已經成為評價信息技術教師的一個重要指標。重慶師范大學的機器人教學實踐對象是本校計算機與信息科學學院的17名2014級教育技術學碩士研究生，目標是將他們培養成為中小學校的優秀信息技術教師。而作為碩士研究生，他們已經具有了較強的教育教學理論和信息技術能力，因此在機器人教學實踐中，應讓他們重點學習機器人相關的基礎知識、注重培養他們的實踐操作能力和設計能力，使他們能夠獨立完成中小學機器人教育的課堂教學和實踐教學，并有能力輔導中小學生參加機器人相關競賽。由于重慶師范大學已經針對本校教育技術學碩士研究生開設了“人工智能”課程，因此本研究選擇開設“簡易機器人制作”作為實踐課程。

（2）教學資源整合

如前文所述，創客理念下師范院校機器人教學模式以“知識的創造”為主線，而這種創造需具備一定的軟硬件條件。Arduino作為當前比較流行的開源平臺，在機器人DIY方面具有無可比擬的優勢——它具有簡易的編程環境，軟硬件開源并可擴展，而且開發價格便宜，教學成本相對較低。因此，本研究采用Arduino作為機器人的主控制器來開展本次機器人教育實踐。

“簡易機器人制作”實踐課程的參考教材是人民郵電出版社于2011年出版的《愛上Arduino（第2版）》和清華大學出版社于2015年出版的《Arduino項目DIY》，機器人創新實驗室購入的20套Arduino元器件及相關配件則作為該課程的實體教學儀器。由于網上擁有大量的Arduino課程資源和具有創造力的社區，故實驗室指導教師團隊整合網上的Arduino實踐視頻教程，形成了一套完整的網絡教學資源輔助學生完成實踐操作。

（3）搭建創客環境

重慶師范大學機器人創新實驗室創建于2014年，擁有各種類型的機器人開發平臺，包括模塊化機器人創新設計平臺、模塊化工程能力訓練平臺、輪滑式移動機器人開發平臺、網絡機器人對抗賽組件包等。該實驗室在管理、設施配備和布局等方面充分融入了“自由、開放、以學生為主”的創客理念——管理方面，采用指紋識別技術，方便實驗室學員進出；設施配備方面，配有空調、微型計算機等基礎設施，為學生營造一個舒適的學習環境；布局方面，突出“學生為中心”的設計理念，盡量加大學生實踐操作的空間。該實驗室的整體布局如圖4所示。

所謂“宏偉風格”，是指意大利文藝復興以來的古典主義風格，以宏大的歷史題材為正，以復雜統一的構圖為高，以和諧典雅的色調為妙。而這一切最好的詮釋者就是拉斐爾，以及其后16至17世紀博洛尼亞學院的那些畫家，如卡拉奇兄弟、圭多·雷尼等。

圖4 機器人創新實驗室整體布局

（4）理論教學

理論教學主要通過教師授課、開展講座和Seminar等方式完成，旨在讓學生了解如何利用計算機模擬感知、推理、學習、思考和規劃等人類智能活動，揭開人工智能的神秘面紗，激發學生對人工智能的興趣。前文提及的“人工智能”課程的教學內容和組織形式如表1所示。

表1 “人工智能”的教學內容和組織形式

（5）實踐教學

實踐教學主要通過任務驅動和機器人競賽來實現，其任務主要來源于《Arduino項目DIY》一書。設置任務的目的，是通過完成每個小項目，讓學生掌握Arduino的基本知識，能夠熟練運用Arduino中各種元器件并進行簡單的程序編寫；通過Arduino學習，讓學生對機器人的控制理論有更深入的認識，在各種不同類型的機器人控制器間具有較強的知識遷移能力。

機器人競賽對重慶師范大學機器人教育起了一定的推動作用。據統計，重慶師范大學機器人創新實驗室先后組織學生參加了RoboCup機器人大賽、重慶市移動機器人大賽和大學生電子設計大賽等。如在重慶市移動機器人大賽中，由于兩輪移動機器人采用的是STM32系列芯片，而學生在之前并未接觸過該系列芯片，為了使學生能夠順利地參加競賽，指導教師團隊一方面輔導學生學習STM32基本理論知識，另一方面組織學生去其它院校交流學習?？傊?，從項目選擇、方案設計、小組分工到器材組裝、軟件編程、運行調試，指導教師團隊都全程參與指導，并定期組織學生針對當前比賽中的問題進行討論、解析。最終，經過師生的共同努力，競賽取得了不錯的成績。賽后，指導教師還組織學生進行交流總結，同時借鑒其它高校的經驗，對競賽設備做進一步完善并形成研究成果。

3 實現手段

由于教育技術學碩士研究生在知識建構方面存在個性化差異，因此他們的學習方式也多種多樣，主要有在線學習和線下學習、自主學習和小組協作學習、班級同步學習和個人異步學習、被動接受學習和主動探究學習等。重慶師范大學的學習資源也具有多樣性，既有進行理論指導的課程教材，也有完成技能訓練的實體儀器，還有海量的網絡課程資源等。此外，機器人創新實驗室為學生打造了學習和實訓的現實學習環境，并為學生提供了Coursera、Udacity和edX等網絡學習平臺。

4 反饋與評價

重慶師范大學開設的“人工智能”課程主要通過課程論文、課堂討論兩種方式來考核。其中，課程論文主要以“人工智能與教育”為主題，通過不同角度考慮問題并完成創作；課堂討論則主要以Seminar教學中學生的參與度為標準對學生進行考核。

本研究選擇開設的“簡易機器人制作”課程主要是讓學生動手操作，并于課程結束后提交作品；之后，要求學生欣賞、交流所有作品，進行自評和他評；最后，由老師進行評價，對學生作品提出建議并督促學生改進。

5 成果轉化

成果轉化分為科研成果轉化、教學成果轉化和產業孵化等三個方面。重慶師范大學機器人創新實驗室遵循“以項目驅動、產學研結合”的人才培養思路，積極主動地承擔科研課題和科研項目，讓學生直接參與科研活動，形成了“學科—專業”一體化。該實驗室的成果轉化如圖5所示，具體包括：科研成果轉化方面，已發表學術論文3篇，已主持省部級科研項目1項、校級科研項目2項，已擁有軟件著作權5項；教學成果轉化方面，進行了微課資源建設——目前已錄制“人工智能”的部分課程，并針對Arduino實踐教學中各種項目的解決方案錄制了部分微課視頻。

此外，重慶師范大學以機器人創新實驗室為基礎，還進行了中小學機器人教育的產業孵化。目前，該實驗室已經建立了小型的創客空間，同時正在加緊建設網絡教育平臺?？紤]到教育技術學碩士研究生具有較強的教學資源設計與開發能力，故針對中小學機器人教育的課程資源以機器人實踐教學中錄制的微課視頻為原型，同時適當加入一些有趣的元素，使視頻的趣味性更強，以激發中小學生的學習興趣。2015年，教育技術學碩士研究生組織了“Robot夏令營”活動，邀請重慶市某小學的部分學生，在機器人創新實驗室開展了公益性的暑期機器人課程培訓，得到了學生和家長的一致好評。

圖5 機器人創新實驗室的成果轉化

四 結語

當前我國師范院校機器人教育的整體水平較低，為了更好地適應社會的發展，也為了能向社會輸送更多綜合素質較高的人才，師范院校要意識到機器人教育的重要性，并針對當前機器人教育中存在的問題加以不斷改進。將創客運動與機器人教育相結合，必將引發師范院校機器人教育新的變革。本研究初步建構了創客理念下師范院校的機器人教學模式，但在具體的實施過程中難免會遇到各種新的問題，因此還有待開展更多的理論研究與實踐探究來加以優化解決。

參考文獻：

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[2]Cory J. What does maker movement mean[OL].

[3]鄭燕林,李盧一.技術支持的基于創造的學習——美國中小學創客教育的內涵、特征與實施路徑[J].開放教育研究,2014,(6):42-49.

[4]楊現民,李冀紅.創客教育的價值潛能及其爭議[J].現代遠程教育研究,2015,(2):23-34.

[5]祝智庭,孫妍妍.創客教育:信息技術使能的創新教育實踐場[J].中國電化教育,2015,(1):14-21.

[6]楊建磊.機器人教育——開啟創新人才培養新模式[J].江蘇科技信息,2013,(8):66-67.

[7]Hakkarainen K, Paavola S. From monological and dialogical to trialogical approaches to learning[OL].

編輯：小米

Research on the Construction of Robotics Teaching Mode in Normal Colleges under Maker Concept

LIU Shu-yun1MA Yan2FAN Wen-xiang1

With the development of intelligent technology and demand of innovative talents, robotics education has been extensively developed in the normal colleges. As a new conception of cultivating innovative telents, maker concept offered new thought for the robotics education in normal colleges. Firstly, this paper analyzed the connotation of maker concept and the present situation of the robotics education in normal colleges. Secondly, on the basis of the advantage of combining maker concept of “creating was learning” and robotics education in normal colleges, the robot teaching model based on maker concept was constructed. Finally, taking the constructed model as guidance, the practice of robotics education supported by maker concept was carried out in the graduate course of “artificial intelligence” in education technology at Chongqing normal university and some better effects were achieved.

maker; normal colleges; robot education; teaching model

G40-057

A

1009—8097（2016）07—0120—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2016.07.018

本文受重慶市研究生教育教學改革研究項目（重大項目）“重慶市研究生創新創業實踐教育研究”（項目編號：Yjg151007）、重慶市研究生科研創新項目“基于創客理念的中小學機器人教育微學習系統開發”(項目編號：CYS16145)資助。

劉淑云，在讀碩士，研究方向為人工智能與機器人教育，郵箱為1085159719@qq.com。

2015年11月29日