配對學習模式在機器人教育中的有效性

鐘柏昌 王艷霞

摘要：機器人教育具有豐富的教育價值，但如何實現其豐富的教育價值還需要深入探索。越來越多的研究者關注合作學習模式在機器人教育中的應用。在與機器人教育密切相關的程序設計教育領域，兩人配對學習編程（配對編程）已經有比較廣泛和成熟的應用。將配對編程模式遷移于機器人教育是否具有可行性？課題組在無錫市某學校學生中開展了為期一個學期的教學實驗。實驗隨機選擇3個班級，分別以駕駛員一導航員模式（駕導配對模式），軟件一硬件分配模式（軟硬配對模式）以及獨立學習三種不同的學習模式進行機器人課程的學習。實驗結果表明，配對學習尤其是軟硬配對學習模式在機器人教育中具有重要意義，可以促進學生制作更優秀的作品；但與獨立學習相比，其在學習態度和學習沉浸度方面并沒有顯著差異。而直接從程序設計領域遷移而來的駕導配對學習模式并未產生預期的成績，學習效果略差。機器人教育還需進一步研究影響配對學習效果的因素和改進辦法。

關鍵詞：機器人教育；合作學習；配對編程；配對學習

一、引言

以Arduino為代表的開源軟硬件的流行，開啟了中小學機器人教育的普及之路。近五年來，中小學開源機器人課程開始在全國各地興起（鐘柏昌等，2015）。機器人教育是多學科的整合體，涉及數學、物理、美術等學科知識。理論上，機器人教育具有豐富的教育價值，能夠培養學生的實踐創新等核心素養。但是，機器人教育價值的有效發揮，離不開有效教學模式、教學方法的保障。

目前，越來越多的研究者關注合作學習模式在機器人教育中的應用（Correll et al，2010；Chenget al，2013），有研究者提出項目學習法和競爭學習模式（鐘柏昌，2016；李婷婷等，2017），其核心也涉及合作學習。就目前學界研究結果而言，合作學習模式相比獨立學習確實具有較大優勢，但也存在不可忽視的缺點，如角色固化問題，小組成員只做自己擅長的部分；又如“搭便車”或責任彌散問題，部分小組成員沒有責任感，導致小組效率低下。我們注意到，在與機器人教育密切相關的程序設計教育領域，兩人配對學習編程（即配對編程，PairProgramming）在國際上有比較廣泛和成熟的應用。配對編程不再是兩人自由合作，而是具有明顯的角色分工，在任務完成過程中進行角色互換，以避免普通合作學習模式存在的角色固化和“搭便車”問題。

但是，設計和制作機器人的過程，除涉及編程控制外，還有工程設計、硬件搭建和外形包裝等內容，那么，將配對編程模式遷移于機器人教育是否具有可行性？抑或有其特殊性？這些問題值得深入研究。

二、文獻綜述

1.機器人教育中的合作學習

在機器人教育中，合作學習相較于獨立學習具有明顯的優勢：（1）合作學習可以顯著增加學生的互動頻率，引導學生積極學習并創造知識（Denis et al，2001；Wainer et al，2010）；（2）合作學習可以提高學生對機器人教育的滿意度及其在機器人操作中的自我效能感（Liu et al，2010）；（3）合作學習有助于提高學生的學習績效（Cheng et al，2013；Yuen et al，2014），以及學生在學習過程中的參與度（Correll et al，2010）；（4）合作學習有助于學生更好地完成機器人搭建任務（Liu et al，2010）。

以上大多數的研究均采用了常規的合作學習模式，即每組由3～5名學生組成。只有少數研究者關注組員數量和角色分配對學生在機器人教育中學習績效的影響。Bianeo（2014）指出，組內成員數量不超過3名是綜合考慮學生及設備安全的一種最有效的3Y-～Jt方法。有研究者則表示4人一組學習也具有優勢，其中一名學生操作控制機器人，一名學生觀察指導，另外兩名負責電腦端的程序設計（Mosley et al，2006）。同時，一些研究人員還提出，在合作學習中需要考慮角色分配和轉換，以避免角色固化的問題（McGoldricket al，2004；Liu et al，2010；Yuen et al，2014）。然而，以上研究都只是提出了理論假設，并沒有提供任何來自實證研究的證據。

2.配對編程相關研究

配對編程是指兩個人使用一臺計算機完成編程任務，一個是“駕駛員”（Driver），負責操作計算機編寫代碼；另一個通常被稱為“導航員”（Navigator），負責觀察“駕駛員”的工作，及時指出錯誤并提出問題解決建議（Williams&Kessler，2000）。配對編程最早用于軟件公司的程序開發工作。研究表明，與獨立編程相比，配對編程的編程者能夠從更全面的角度進行思考，獲得更好的程序設計思路，設計出具有更優結構和更高執行效率的算法和程序代碼；同時，也能更早地發現程序問題，寫出錯誤更少、質量更高的程序代碼（cock—bum et al，2000）。Williams（2000）的研究表明，在不同的任務和人員條件下，配對編程能將代碼錯誤率降低約15%。

隨著配對編程思想的成熟及其在基礎教育領域的滲透，配對編程成為了程序設計教育領域的一種合作學習模式。相關研究表明，配對編程可以顯著提高學生的編程技能和編程質量（williarns&Kes-sler，2000；Cfiburn，2003；Hannay et al，2009）；還能減少初學者的沮喪感，培養初學者對學習編程的積極態度（Bishop-Clark et al，2006；McD0well et al，2006）；并進一步提高學生溝通交流和協作學習的能力（williams&Kessler，2000；Clibum，2003）。設計和制作機器人的過程，除涉及硬件搭建以外，還有大量的編程控制及工程設計等內容，因此，配對編程是機器人教育中值得借鑒與參考的一種模式。基于以上研究分析，理論上來說，引申自配對編程的配對學習模式也是機器人教育中具有可行性的一種教學模式。但與程序設計活動不同的是，機器人教育活動過程中存在人一計算機、人一機器人、計算機一機器人三種交互活動；此外，基于機器人教育的整合性，機器人課程不只有編程知識，還覆蓋了包括力學、自動化、數學、計算機工程和人工智能等相關領域的知識體系（Femandez et al，2007；Ge-recke et al，2007）。因此，機器人教育中的配對學習與配對編程有一定的差異，配對學習的有效性尚需進一步研究和檢驗。

三、研究目標及研究問題

根據上述機器人教育的特點，我們將機器人教育中的配對學習模式分為以下兩個類別：（1）直接模仿配對編程模式形成的駕駛員一導航員模式（以下簡稱駕導配對模式）。即一名學生扮演“駕駛員”，負責搭建機器人或為機器人編程；另一名扮演“導航員”，負責觀察駕駛員的工作，及時指出錯誤并提出問題解決建議。任務完成過程中，配對雙方需要進行兩種角色的交換。（2）鑒于機器人教育的特點，增加了軟件一硬件分配模式（以下簡稱軟硬配對模式）。即一名學生負責電腦端程序設計的軟件操作，一名學生負責機器人搭建調整的硬件操作。任務完成過程中，配對雙方同樣需要進行角色交換。這兩種配對學習模式的主要區別在于小組成員的角色分工不同，駕導配對模式將行為分離成操作和觀察指導兩種，而軟硬配對模式則是根據操作對象的不同，將其劃分為軟件和硬件兩種。

本研究的目標就是要進一步探索這兩類配對學習模式在機器人教育中的教學效果。為便于比較研究，我們將獨立學習作為參照。因此，本研究將分別比較駕導配對模式、軟硬配對模式、獨立學習模式三種學習模式的學生學習效果。學生學習效果的評價將主要通過學生的最終作品制作質量、學習機器人的態度和學習沉浸度來測量。由此，我們首先需要回答三個問題：第一，三種學習模式下學生作品制作質量是否有差異？第二，三種學習模式下學生學習機器人的態度是否有差異？第三，三種學習模式下學生的學習沉浸度是否有差異？

其次，本研究根據機器人教育的特點構建了軟硬配對模式，與沿襲配對編程的駕導配對模式相比是否更加適合機器人教育？只通過上述問題還無法得到全面的答案，學生在完成項目過程中，其互動行為是否有差異，將是體現深度合作學習的一個重要方面。從配對學習的角度而言，同伴之間角色交換頻率的差異可以作為一個衡量指標。因此，本研究除了關注兩種配對學習模式在以上三方面的差異外，還將回答以下一個問題：在學習過程中，兩種配對學習模式下學生的角色交換頻率是否有差異？

四、研究設計

1.實驗對象

為回答上述問題，我們在無錫市梁溪區某小學五年級學生中開展了為期一個學期（2017年秋季學期）的教學實驗。我們從6個班級中隨機選擇了3個班級，共88名學生作為實驗對象，樣本人數分布見表1。根據初步調查，這些學生在2017年秋季學期開始學習機器人基礎課程，之前沒有學習過相關課程，不具備編程的基礎知識和基本技能。為了進一步確保所有實驗對象的知識儲備處于同一水平，我們在實驗開始前還進行了先備知識測試（前測），單因素方差分析結果顯示，F（3，126）=1.709，p>0.05，說明3個班級在編程方面的基礎知識和基本技能沒有顯著差異。

實驗過程中，3個班級分別以不同的學習模式進行機器人課程的學習：

1班以軟硬配對模式進行機器人課程的學習。在完成項目的過程中，兩人合作，其中1人負責機器人硬件操作，1人負責電腦端軟件操作，并根據自己需求進行角色交換，要求在完成每個項目的過程中至少交換一次角色。

2班以駕導配對模式進行機器人課程的學習。在完成項目的過程中，兩人合作，其中1人負責搭建機器人以及為機器人編程，1人負責觀察駕駛員的工作，及時指出錯誤并提出問題解決建議，根據自己需求進行角色交換，要求在完成每個項目的過程中至少交換一次角色。

3班以獨立學習的模式進行機器人課程的學習，即一個人獨立完成項目。

2.課時簧排

教學實驗一共持續12周。其中前兩周進行先備知識測試以及學生分組；第3～10周學習機器人課程知識，并完成4個項目；第11～12周進行任務考核，以及態度問卷調查和學習沉浸度問卷調查，任務考核和問卷填寫要求每個學生獨立完成。具體課時安排見表2。

3.實驗材料

（1）mBlock機器人套件

本實驗采用的是簡單易搭建的mBot教育機器人。它是一款面向小學生，包含編程、電子和機器人知識的一體化教育機器人產品，圖1展示了mBot基礎版機器人小車。mBot小車可以通過配套的mBlock軟件（基于Scratch 2.0）、mBot手機App以及mBlockly平板App來控制。在教學過程中，教師根據學校的硬件設備條件，選擇利用積木式編程環境mBlock進行教學，圖2是mBlock軟件操作界面。

（2）配對學習手冊

為了培養學生的配對學習習慣，并及時記錄學生的配對學習行為，我們設計了配對學習手冊，內容包括配對學習介紹、角色的分配準則、交換準則，以及配對學習角色交換記錄表（見表3）。教師會在每節課上課之前將配對學習手冊發放給每組學生，每節課結束后收回，要求學生認真填寫角色交換記錄表，教師在每次課后仔細檢查手冊。

五、研究方法及工具

為探索配對學習模式在小學機器人教育中的有效性，本研究設定教學干預措施——學習模式為自變量，作品制作質量、學習態度、學習沉浸度為因變量，分別經由作品制作測試、學習態度問卷調查、學習沉浸度問卷調查獲得分數，如圖3所示。

先備知識測試包含了7個選擇題，其中前三題調查學生的經驗背景，例如，一個問題是：“你以前參加過機器人競賽嗎？A.是，B.否”。后面四題則是編程常識和程序設計題目，數據分析結果顯示，即使少部分學生有參加過機器人競賽的經歷，但編程基礎和技能不存在顯著差異，所有實驗對象的編程基礎和技能起點相似，這保證了實驗的有效性。

學習態度問卷用來調查學生接受一學期的機器人課程學習之后對機器人搭建和機器人編程的自信心、享受度以及價值觀上的認可度。問卷采用的是5點李克特量表，即答案范圍從非常同意到非常不同意分為5個水平。學習態度問卷中自信心、享受度和價值觀三維度問題的劃分見表4，量表來源和信度詳見表5。

學習沉浸度問卷旨在調查學生在課堂學習過程中的投入程度，為5點李克特量表。學習沉浸度主要體現在行為沉浸度、情緒沉浸度和認知沉浸度三方面。其中，行為沉浸度主要關注學生在課堂中的努力程度、注意力和任務參與度；情緒沉浸度則是調查學生的情感參與和認可程度，包括積極和消極的情緒；認知沉浸度是調查學生為解決學習難題使用的策略，認可掌握目標的學生更有可能使用深層次的策略。量表來源和信度詳見表5。表6顯示了學習沉浸度問卷中行為沉浸度、情緒沉浸度和認知沉浸度三維度上的具體問題。

作品制作測試是在機器人課程學習結束之后進行，每個學生獨立完成，以評估學生的機器人搭建能力和編程能力。筆者和專業一線教師共同商議，并結合課程內容和學生知識掌握程度，設計了作品制作測試題（作品測試任務單）：小車走一個完整的圓之后實現躲避障礙物；根據需要選擇傳感器，并正確組裝在小車上。任務單中還指定了輪子轉速，并提供了部分提示。最后根據學生提交的程序代碼和小車的搭建質量，由專業教師打分，總分20分。

六、研究結果

1.作品制作成績

第一個研究問題是探索三種學習模式下學生的作品制作質量是否有差異。為此，我們以學習模式為自變量，作品制作測試成績為因變量，進行了單因素方差分析。數據顯示三種學習模式下學生的作品制作質量沒有明顯差異，F（2，85）=0.10，p>0.05。但從三個班級成績的平均分（見表7）中可以看出，使用軟硬配對模式班級的平均分要略高于其他兩個班級。

2.學習態度差并

為了調查三種學習模式下學生學習機器人的態度是否有差異，我們進行了多元方差分析。其中，三種學習模式為固定因子，學習態度的三個維度為因變量。多元方差分析結果顯示，WilksA=0.847，p<0.05，表明學習模式對學生學習機器人課程的態度產生了顯著不同的影響。

要找出具體差異，需對學習態度中的每個維度進行單因素方差分析。在自信心、享受度和價值觀三方面，方差同質性檢驗的F值均不顯著，p>0.05，可進行方差分析。單因素方差分析結果顯示，不同學習模式下的學生在自信心和享受度上都存在顯著差異，p<0.05，而在價值觀上無顯著差異，p>0.05。對存在顯著差異的自信心和享受度兩個維度分別采用SNK事后檢驗法進行兩兩比較，統計結果（見表8和表9）表明，獨立學習模式下學生的自信心明顯高于駕導配對模式下的學生，而軟硬配對模式下的學生的自信心處于兩者之間；獨立學習模式下學生的享受度明顯高于兩種配對學習模式，兩種配對模式下學生的享受度沒有顯著差異。

3.學習沉浸度差異

第三個研究問題是探究三種學習模式下學生的學習沉浸度是否存在差異。學習沉浸度分為三個維度，即行為、情緒和認知。我們首先進行了多元方差分析，將三種學習模式作為固定因子，學習沉浸度的三維度作為因變量。數據顯示，WilksA=0.846，p<0.05，表明三種不同的學習模式對學生學習機器人課程的沉浸度產生了顯著不同的影響。

在行為沉浸度方面，Levene檢驗結果為F=1.456，p>0.05，說明方差差異未達顯著，可進行方差分析。單因素方差分析結果顯示p<0.05，隨后采用SNK事后檢驗法進行兩兩比較，統計結果（見表10）表明，獨立學習模式和軟硬配對模式下的學生行為沉浸度明顯高于駕導配對模式下的學生，而獨立學習模式和軟硬配對模式下的學生行為沉浸度基本沒有差異。在情緒和認知沉浸度方面，方差同質性檢驗結果p值分別是0.038和0.037，雖然違反方差同質性假定，但方差分析模型較為穩定，情況并不嚴重，不需要進行校正操作（吳明隆，2010）。對情緒和認知沉浸度分別進行單因素方差分析，統計結果表明，學生在情緒沉浸度上存在明顯差異，p<0.05；SNK事后檢驗法的結果（見表11）表明，獨立學習模式下的學生情緒沉浸度要顯著高于駕導配對模式下的學生，而軟硬配對模式處于兩者之間。學生在認知沉浸度上并沒有顯著差異，p>0.05。這些統計結果與上述學習態度的統計結果基本一致。從學生的訪談中可以發現，學生雖然喜歡合作學習，但是也表示和搭檔存在意見分歧的時候會覺得麻煩，這在一定程度上降低了他們在學習過程中的享受度和情緒沉浸度。

4.兩種配對學習模式之間角色交換頻率差異

第四個研究問題旨在探究兩種配對學習模式中學生的角色交換頻率是否存在差異。為此，我們計算了每次完成項目過程中的角色交換次數。如圖4所示，兩種配對學習模式下角色交換的頻率變化趨勢都是隨著時間的增長而降低，沒有顯著差別。這一情況與課堂觀察和學生訪談相符合。有學生表示：“一開始交換得很多，因為對這種角色分配比較感興趣，而且總想自己來做；后來換得比較少，基本上只交換一次或者兩次；而且如果不是教師強制要求交換，自己不想交換角色。”還有學生表示：一開始學習機器人課程比較興奮，后來知道自己哪些會哪些不會，只有合作伙伴不會而自己會的時候才會主動提出交換。整體而言，學生的角色交換會隨著合作時間的推移而變得更加默契和理性。

七、結果討論

配對編程在程序設計學習上所產生的積極效果得到了大部分研究者的肯定，但是這一種新型的學習模式，目前只在程序教育領域應用，機器人教育領域還未有研究者嘗試。本研究嘗試將配對編程遷移到機器人教育中，并根據機器人教育活動的特點，構建了駕導配對模式和軟硬配對模式。研究結果表明軟硬配對模式下的學生具有一定優勢，比駕導配對和獨立學習模式下的學生表現更好一些，而直接從程序設計領域遷移而來的駕導配對學習模式效果略差。

在早期的研究中，研究者就發現團體在各種學習任務中的表現優于個人（Hill，1982）。機器人教育和程序設計教育中的眾多研究也證實了這一觀點（WilliaIns，Kessler&cunningham et al，2000；Denis et al，2001；Hannay et al，2009；Yuen et al，2014）。然而，這些研究關注的是團體學習表現與個人學習表現的差距，而不是每個學生之間的學習績效差異。本研究對比了每個學生的學習成績，盡管配對學習模式對學生成績的影響并沒有顯著高于獨立學習，但鑒于配對學習模式下的每個學生經歷了配對合作的學習過程，有利于其合作精神的培養，且在每個學生獨立完成的作品制作測試過程中也獲得了不俗的表現（學生得分略高于獨立學習模式）。從這個角度而言，配對學習模式具有較重要的教育價值。

在學習機器人的態度方面，駕導配對模式下學生的自信心明顯低于獨立學習模式和軟硬配對模式，而獨立學習模式和軟硬配對模式中的學生在自信心方面沒有顯著差別；另外，三種學習模式中學生的情緒沉浸度的差異與學習態度中自信心的差異一致。這些結論與配對編程模式對初學者學習積極性的顯著提升有所不同（Bishop-Clark et al，2006；McDowell et al，2006）。差異的產生可能與機器人教育活動自身特點有關。程序設計只存在兩個交互對象，即學習者和計算機；而機器人教育活動存在學習者、機器人和計算機三個交互對象。完成課堂項目過程中的“駕駛員”需要負責機器人和計算機，需要較多的操作；“導航員”也需要同時觀察機器人和計算機并指導兩類問題。有學生在訪談中表示，自己一個人同時負責機器人和計算機會手忙腳亂，而導航員有時并不能起到指導作用。學生在課堂中不能從容有序地完成項目，情緒受到影響，而學生的情緒是影響其學習自信心的一個重要因素（Van Passel et al，2013）。

學習態度中的享受度也存在差異：獨立學習模式下學生的享受度明顯高于駕導配對模式和軟硬配對模式。值得關注的是，學生的行為沉浸度的差異也極為相似：相比駕導配對模式，獨立學習模式和軟硬配對模式下的學生行為沉浸度更高。我們根據課堂觀察和訪談，分析可能存在以下兩個原因：首先，配對學習本質是合作學習，兩人合作過程中無法避免意見分歧。有獨立學習模式下的學生表示：“配對學習是比獨立學習好，但是我更喜歡獨立學習。因為兩個人意見不一樣時會很麻煩，自己一個人想怎么做就怎么做。”其次，機器人套件對小學生的吸引力是巨大的，獨立學習的學生自己擁有一套器材，在學習過程中可以不斷調試；而配對模式下的學生需要與搭檔共享一套器材，分配調試機器人小車的時間，尤其是在學期前期階段，合作成員之間默契程度不夠，存在爭奪調試機器人小車的問題。組內不和諧的合作環境同時也影響小學生的積極性與興趣度，而興趣與沉浸度呈正相關關系（Sun et al，2012）。

兩種配對學習模式在角色交換頻率上的逐步下降，表明配對學習模式確實有利于培養學生的合作精神和技巧，有利于培養學生養成合作解決問題的意識和能力。

整體而言，盡管本研究結論并沒有“一邊倒”地支持配對學習模式，但在一定程度上表明配對學習尤其是軟硬配對模式具有較為重要的教育潛力，值得在今后的機器人教育研究與實踐中做進一步探索，特別是需要找到更多影響配對學習效果的因素和改進的辦法。例如，本研究中采用的是半自由交換，即學生在完成一個項目過程中根據需要自由交換角色，教師不固定交換次數和時間，但要求至少交換一次。此時會出現角色交換過度和過少兩種極端。這就需要教師注意培養學生的理性的轉換意識，引導學生在配對過程中真正根據需要進行角色轉換。如果引導不到位，必然影響配對學習的效果。