高中Arduino機器人課程學習現狀調查與分析

金書輝 鄭燕林 張曉

摘要：創客教育的盛行給基礎教育領域帶來了革新，機器人教育作為創客教育的承接載體，為其在中小學的“落地”提供了一個適切的平臺，一些開源軟硬件的出現為兩者的融合提供了可能。Arduino作為一個代表性的開源平臺已成為中學實施創客教育的標準配置之一，同時也催生了一門新型的“創客課程”——Arduino機器人課程。為了解高中生在Arduino機器人課程中的學習現狀，旨在發現教學過程中存在的問題，以便對其做進一步改進，探索更有效的教學方式，該文從學生的興趣度、參與度、課程相關聯系度等維度出發，采用問卷的方式進行了此次調查。調查顯示：學生對Arduino機器人課程整體有較高的興趣度；能將課程與其他學科知識密切聯系，但與日常生活的聯系相對較弱；Arduino機器人課程能有效促進學生間的交流協作；學生在課程中的學習持續度有所欠缺。文章根據此次調查結果提出了相應的課程優化建議：注重課程內容的各方面聯系整合；在知識講解和項目探究間保持動態的平衡；設置多維評價指標，及時給予學生反饋。

關鍵詞：創客教育；Arduino機器人課程；現狀調查

一、引言

“創客”一詞的出現引發了創客運動的浪潮，它與教育的結合與碰撞也催生了一種新型的教育模式一一創客教育。創客教育強調基于真實情境中的手腦并重，借助技術工具將創造過程融入學習過程中，進行基于創造的學習，通過創意性的“造物”，鼓勵學生將頭腦中的想法變成現實。機器人作為信息技術教育的前沿領域，集創意性、跨學科性和實踐性于一身，涉及電子、自動控制、程度設計等多個學科領域，對于學生的創新思維能力、多學科知識綜合運用能力、合作探究意識和動手實踐能力的養成具有重要的作用。它主張學生通過機器人的制作和開發這一創造性的探究，將想法付諸于實踐，在實踐中運用跨學科的知識，掌握相關技能，其本身就是一個手腦并重的過程。機器人教育為中小學實施創客教育提供了有力的載體，賦予了其更廣闊的發展空間，將創客教育相關理念融入機器人教學中，也給其帶來了更高的自由度和創新度，二者的融合起到相輔相成的作用。

在中小學以課程而非競賽的形式開展機器人教育對于促進其推廣普及有重要的作用。但一直以來教育機器人的產品價格居高不下，過高的教育成本造成許多學校沒有條件開展機器人教育，成為限制其發展的一個重要因素。隨著創客教育在中小學的風靡，一些開源軟硬件的引進和實施平臺的搭建都對機器人教育的推進提供了一個很好的契機。Arduino作為一款開源平臺，由于代碼開源和低成本受到了廣泛的歡迎，其軟硬件的低成本為在中小學進一步普及機器人教育提供了可能，Ardubloek和Mixly等圖形化編程軟件改變了師生的聚焦點，技術和理念的“開源”進一步擴充了機器人教學內容。因此，許多中小學以創客教育為機遇，開設了一系列的Arduino機器人課程，在此基礎上尋找適切的教學理論或模式，進行Arduino機器人教學的相關探索。

作為一門新型的機器人課程，以必修的方式來進行開設后的課程推進情況、學生對課程的適應情況以及對相關知識的理解程度、當前教學中存在哪些不足、傳統的教學方法是否與新型課程相適應這一系列問題目前仍缺乏相關研究數據的支持。因此，本研究試圖通過問卷調查的方式來了解學生在Arduino機器人課程開設之后的學習情況，以便更好地對課程進行優化改進。

二、調查內容與實施

為得到較為全面的課程學習現狀數據，問卷內容主要涉及學生對Arduino機器人課程的興趣度、在課程中的參與度、跨學科知識整合和課程與日常生活的聯系度等方面，初稿設計完成后經多位一線教師進行審閱修改，以保證問卷具有良好的信度和效度，最終形成的問卷終稿的主要內容如表1所示。

問卷調查對象為某開展Arduino機器人教學的高中的高一學生，調查之前他們已經進行了為期一學期的Arduino機器人課程學習。問卷采用網上調查的方式，通過問卷星這一平臺進行問卷的發放，共發放問卷180份，回收問卷173份，其中有效問卷161份，問卷有效率為93.06%。調查結果利用spss軟件和問卷星平臺進行統計分析。

三、調查結果分析

（一）學生對Arduino機器人課程整體存在較高的興趣度

Arduino最初更多的是被國內的電子發燒友所熟知，隨后引起了教育研究者的關注，并嘗試將其引入中學機器人教育領域，開展了相應的教學實踐。作為一個新興的開源平臺，學生表示在進行課程學習前對Arduino機器人并不了解（如圖1所示）。Arduino機器人教學包括結構搭建和程序編寫測試兩方面，在興趣度調查維度主要從學生對課程整體興趣度、對硬件搭建和程序編寫的興趣度比較和對相關工作原理的興趣度入手。調查顯示，絕大多數學生對Arduino機器人課程存在較高的興趣度（如圖2所示），在影響學生進行課程學習的因素調查層面，占比最大的也是興趣度（如圖3所示），許多學生均表示正是因為興趣會促使他們進行更深一步的探究。就學生對硬件搭建和程序編寫兩方面的興趣度比較來看，有46.63%的學生選擇對硬件的搭建最感興趣，37.42%的學生對程序的編寫測試最感興趣，15.95%的學生則表示對這兩方面均不感興趣（如圖4所示）。在調查學生對Arduino中相關元器件的工作原理是否感興趣方面，有63.19%的學生表示興趣程度一般，但不排斥教師講解相關原理，僅有26.38%的學生表示對相關工作原理非常感興趣。

（二）學生能將Arduino機器人課程與其他學科知識密切聯系，與日常生活的聯系相對較弱

Arduino機器人作為一門綜合性課程，需要探究的問題也是涉及到多個學科的綜合性知識，課程內容與信息技術、通用技術、物理、數學等多個學科緊密聯系；它主張真實情境中的問題解決，在探究所生活的世界相互聯系的不同側面的過程中學習和掌握面向真實需求的問題解決的過程和方法。因此，在聯系維度主要調查學生在學習Arduino機器人課程時與其他學科知識（物理、程序設計和數學）和學生日常生活之間的聯系程度。如表2所示，Arduino機器人課程有助于學生對程序設計和物理學科知識的學習。涉及到與其他學科具體聯系程度，有66.87%的學生表示Arduino機器人課程與程序設計知識聯系最為密切，其次則是物理學科的知識，僅有2.45%的學生表示與數學學科的知識有一定聯系。就學科聯系度而言，Arduino機器人課程與程序設計知識聯系最為密切。對于Arduino機器人課程能否幫助解決日常生活問題這方面，學生表示聯系程度“一般”。有研究者指出當前機器人教學側重學科本位，重技術輕整合，課堂上所解決的大都是技術問題，而非指向實際生活問題。調查也顯示這種現象在Arduino機器人課堂中仍然存在，課程內容與學生日常生活中的真實問題聯系度不足，教師需要將課程與真實情境建立更密切的連接，以解決實際問題來對學生做進一步引導。

（三）學生在Arduino機器人課程中的參與度

1.學生能積極地參與到Arduino機器人課程活動中，任務完成度一般

調查顯示，過半數的學生在課堂中都積極參與了硬件的搭建和程序的編寫測試，能很好地與其他同學進行交流（如圖5所示）。在知識講解階段，教師主要以任務驅動的方式進行相關基礎知識的傳授，如在智能LED燈模塊，基礎任務是通過點亮一個LED燈使學生將Arduino中的數字端口輸出值與LED燈的亮滅相對應起來，進階任務則是讓學生在基礎任務之上通過實現LED燈漸亮漸滅效果掌握循環語句結構。通過對任務完成度的調查，有66.26%的學生表示能基本完成教師布置的任務，23.31%的學生表示很少完成，只有4.29%的學生能全部完成教師布置的任務（如圖6所示）。由此可見，課程中學生的任務完成情況并不理想，在任務難易度和區分度方面需要教師進行更為精心的設計。

有36.81%的學生表示在學習過程中遇到的首要困難是硬件的搭建，其次則是程序的編寫。究其原因，Mixly和AIduBlock這類圖形化編程軟件的出現大大降低了學生在編程方面的難度，學生無需掌握一些復雜的編程知識。在結構搭建方面，Arduino中涉及到的電路知識并不復雜，學生在初中就已經學習過電路的串并聯知識，但在學習過程中學生出現問題最多的環節則是電路的連接，這也從側面表明了當前高中生的動手操作能力不足，教師應加強對學生動手能力的培養，將課堂重點適當地由編程語法的講解向一些元器件等硬件的搭建指導方面進行轉移。

2.Arduino機器人課程能有效地促進學生間的交流協作

Arduino機器人課程目標具有多維性，學生不僅僅是在進行跨學科的學習，更是在完成創意性作品的過程中，能與他人共享知識與資源、多樣化觀點與經驗，達成共同的目標，并形成積極、互相信賴的協同創新關系。通過調查學生在Arduino機器人課程的收獲（女口下頁圖7所示），學生對Ardllino機器人課程的價值給予了認同，除去對Arduino機器人知識有一個基本的了解外，學生表示通過這門課程可以更好地與其他人進行交流協作。如下頁圖8所示，在學習過程中遇到困難時，46.63%的學生會首先與同伴進行交流探討，22.09%的學生會首先選擇向教師求助，學生更傾向于通過同伴間的交流協作來解決問題。因此，Arduino機器人課程能顯著提升學生的合作探究能力。

（四）學生在Arduino機器人課程中的學習持續度有所欠缺

對學生的學習持續度主要從作品改進頻率和課后學習相關知識的主動性兩方面來調查。如表3所示，學生能在學習過程中對作品進行改進，但改進頻率較低，不能持續地對作品做進一步的修改。在課后階段，學生缺乏學習自主性，有30.67%的學生表示從未在課后主動學習相關知識。總體來看，學生在Arduino機器人課程中的學習持續度不足，需要教師做進一步的引導。

（五）Arduino機器人教學課時需進行更合理的規劃

問卷中的最后一題為開放性題目，主要是征求學生對Arduino機器人課程的建議。通過對結果的整理發現，學生普遍反映課程周期間隔過長，容易遺忘之前的學習內容，不利于接下來的學習；合作進行項目探究的時長過短，小組中的每個人不能得到充分的鍛煉。在課時安排上，筆者按照每周連續兩課時來開展Arduino機器人教學，一學期的有效課時總量為24課時，就調查結果來看，當前的課時安排仍需要進行一定的調整。盡管一直以來項目教學法被認為是開展機器人教育的有效教學方法，但是對于項目教學在Arduino機器人教學中的具體實施路徑尚未明確。有研究者也指出當前機器人教育缺乏頂層設計，課程體系不完整，如何將基本知識講解與和讓學生進行項目探究的時間進行合理的分配，如何合理安排課時歷經一個較為完整的項目設計過程等都需要教師進行進一步的規劃。

四、討論與建議

機器人教育的普及不但是指中小學能夠承擔其教育成本，更多的是使它能夠“適得其所”，達到“物盡其用”的效果。雖然Arduino在一些性能方面不如價格昂貴、一體化的機器人，就教育價值來說，它足夠滿足當前中小學的機器人教學需要，將其引入機器人教育領域具有很高的可行性。調查結果表明，學生對Arduino機器人課程給予了認同，對課程有著較高的興趣度；他們能積極地參與到課堂活動中，在操作過程中更傾向于進行硬件的搭建，如物理電路的連接等；在跨學科整合方面，課程與程序設計和物理等學科知識整合度較高；課程對于學生的協作探究能力有明顯的提升作用。作為一門新型的機器人課程，相關研究仍處于起步階段，缺少一定的教學積淀，在開設過程中也顯示出了若干問題：學生對相關元器件的工作原理則表現出較低的興趣度；他們在機器人硬件搭建中的動手操作能力較差，導致課堂任務完成情況并不理想，不能對機器人作品做持續的改進，課程學習持續度有待加強；在課程聯系維度，課程與學生日常生活聯系較弱；當前課時安排需進行更為合理的規劃，基礎知識講解和項目探究的課時分配尚需調整。因此，筆者結合此次問卷調查和教學過程中的實際體會從以下幾方面提出了相應的建議。

（一）注重課程內容設計的各方面聯系

與學生日常生活中的真實問題相聯系。Arduino機器人課程主張學生設計制作作品來解決生活中的真實問題，但經調查發現目前課程與學生的日常生活聯系并不緊密。教師應從真實生活情境入手，選取可以提高學生的好奇心和探索意識、貼近實際生活的問題供他們進行探究。如在按鈕模塊，教師可與家中的LED照明臺燈相聯系，讓學生通過編寫程序用按鈕控制燈的亮滅，進而可在通用技術課中動手制作一個簡易的智能小臺燈。通過與真實情境聯系可以使學生更好地理解作品的適用場合和最終完成的作品所帶來的實用價值，激起他們的探究欲望。

與多個學科知識相聯系。機器人本身就涵蓋多個學科的知識，打破了學科界限，不再僅局限于傳統的數學、物理等單一的課程模式，而是整合藝術、電子、控制、網絡等不同學科知識。創意Arduino機器人作品背后也離不開跨學科知識的支持。因此，教師需要在多個學科聯結的基礎上進行知識的重構，將各學科的知識按照一定的邏輯來進行合理的重組，保證課程可以均勻涵蓋各個學科的基礎知識。此外還可以安排一些需要學生運用交叉學科的知識來解決問題的任務，促進學生跨學科的知識整合。

與學生的已有知識基礎相聯系。在硬件方面，Arduino中相關元器件的工作原理較為復雜和深奧，學生對此興趣度不足。為此，教師可以與學生已有的知識基礎相結合，找到這些新舊知識的連接點，在此基礎上進行進一步的拓展和延伸。就軟件而言，課程雖然采用圖形化的編程方式，學生拖動程序塊就可以實現程序的編寫，但是這些操作之間也是具有關聯性和層次性的，如一些循環語句的程序塊的拖動就需要學生在已經掌握了簡單的條件語句的基礎上進行，教師應確保新知識的講授是建立在學生已有知識的基礎之上。

（二）在知識講解和項目探究間保持動態的平衡

Arduino機器人課程強調創意性作品的產出，主張讓學生通過項目來進行合作探究，因而課程項目的復雜程度、任務難易度、項目之間的內在聯系等都需要教師進行精心的設計。Arduino理念的“開源”使得教師可以在社區或者論壇上獲取豐富的技術資源和課程資源，許多Arduino愛好者也秉承“創客”的共享理念，將自己設計出的創意作品和源代碼發布在相關論壇上，與其他創客進行思想碰撞，借此推廣Arduino開源文化，這在很大程度上擴展了教師的思路，有助于更多創意機器人課程項目的開發，進而探索更有效的機器人教學方法。但同時也造成了教師往往將精力過多放于對項目的規劃設計上，從而忽視了一些基本知識的講授，而Arduino中一些相關元器件的工作原理和基本的操作卻是保證學生進行創意性設計的基礎，調查結果也表明當前課程中基礎知識講解和項目探究的課時分配并不合理。因此，教師需要在基本知識的講解和讓學生進行項目合作探究之間保持適度的張力和平衡。

在基本知識講解階段，注重電路搭建等硬件知識的講解。Arduino中采用圖形化的編程方式，它提供了集成化的程序編譯環境，將各種變量、語句和運算符以不同顏色的圖形塊的方式呈現，學生只需拖動相應的圖形塊就可以進行程序的編寫，無需手動輸入代碼，很大程度地降低了學生在程序編寫方面的難度。相對而言，雖然在Arduino機器人課程中涉及到的硬件（如物理電路）知識比較簡單，學生可以準確地畫出相對應的電路圖，但由于學生動手實踐能力較弱，在實際搭建電路過程中可能會出現一系列的問題，如將電源正負極接反、電路連接短路等。因此，教師在進行基礎知識講解時也需要做一個系統的規劃，教學重點可以適當地向硬件搭建方面偏移，加強對學生動手操作能力的培養。在任務設置方面，應對任務目標做進一步的明確，對任務的難易度有一個區分，確保學生通過完成相應的任務能基本掌握課程的基礎知識。

在項目探究階段注重學生間的作品分享和交流。一個優秀的項目應能夠生成可分享的成果，即結果應該是可與他人共享的，基于共享的動機會促使學生更愿意共享、參與互惠學習、提出并分享自己的創見。調查結果也顯示，學生非常希望看到其他同學設計完成的Arduino機器人作品，也非常想將自己的作品與其他同學進行分享。因此，教師可在課堂中給予學生充分展示作品的機會，通過小組間的作品分享和同伴間的交流，有助于其興趣的培養與持續，學生也可以對自己的作品進行反思，從而做出進一步的改進。

（三）設置多樣化的Arduino機器人課程評價指標，及時給予學生反饋

根據此次調查中學生在課程學習中的持續度不足的問題，筆者也進行了思考，很大一方面的原因是由于當前課程中的評價指標尚不完善，教師僅從物化作品的完成情況來對學生進行考察，過程性評價較為欠缺，不能及時將評價結果反饋給學生，由此造成學生不愿對作品進行持續的改進。因此，建立科學合理的評價指標對學生各方面的表現進行考量顯得尤為必要，使得教師能全面了解學生在課程中的學習情況。另一方面，評價指標的建立可因項目而異，不可一概而論。由于Arduino不但可以與多種外接設備進行連接，如LED燈、各種傳感器等電子元器件，還能在軟件上與Flash、Scratch等進行配合，連接設備的不同決定了項目的多樣化，也帶來了教學內容的進一步擴充。教師在進行項目設計時的側重點可能會有所不同，如一些簡單入門的創意項目強調學生動手連接電子元器件和編譯程序的技能，而一些綜合性項目則是在此基礎上更關注培養學生在發現問題、設計方案、實施驗證這一系列流程中的邏輯思維能力和創新能力。

評價指標的建立大體可從以下方面進行考慮：在Arduino基本知識層面，可考察學生對于一些工作原理的掌握情況、對與Arduino機器人相關的其他學科的聯系程度等；在動手操作層面，關注學生電路搭建的有序合理性和對程序的編寫、調試及優化程度；在最后作品的考察層面，可從作品的完成度、創新度和實用價值等方面來綜合考慮；學生在小組中的參與和協作程度也可以納入到評價指標中。教師應及時將評價結果反饋給每一個學生，促使學生對作品進行進一步的改進和完善，如硬件上對電路進行擴展、對程序進行簡化、增加新的功能模塊等。通過對作品的持續修改，在螺旋式上升的良性循環中，進一步激發學生的創意，提升其創新能力。