基于創客理念的青少年機器人教育模式探究與實踐*

孫 苗，蘭曉紅，楊 豪

（重慶師范大學 計算機與信息科學學院，重慶 401331）

一、引言

機器人教育涉及系統結構、電子技術、自動控制等多領域的交叉學科知識[1]，對于培養學生的科學技術素養和創新實踐能力具有重要的意義。通常所說的機器人教育，是指學習機器人的基本知識與基本技能，或利用教育機器人優化教育教學效果的理論與實踐[2]。而機器人教育模式是指在一定教學思想理論的指導下，所建立起來的具有可操作性、較為穩定的教學活動框架和程序，是經驗與理論之間的一種具有可操作性的簡化的知識系統和結構[3]。

在國外，機器人教育很早就已經被提及了。早在1994年麻省理工學院就設立了“設計和建造LEGO機器人”課程(Martin)[4]，目的是提高工程設計專業學生的設計和創造能力，這是機器人課程進入到大學課堂的一個標志。相對于美國，日本的機器人發展稍微晚一些，但是日本作為后起之秀在機器人產業方面已經趕超了很多科技比較發達的國家。而這一成果得益于他們從一開始就對機器人教育、以及全民機器人文化的提升的高度重視。在國外，特別是經濟和科技發展相對領先的國家，機器人教育是各級教育部門所關注的熱點問題，而且至今為止，機器人教育發展約有20多年的時間，在不斷的探索前進的過程中，目前主要支持機器人教育事業發展的理論基礎為建構主義學習理論，采用基于問題與項目的學習方式。

我國機器人教育雖然起步較晚，但是發展也很迅速。近年來我國的機器人教育逐步成為中小學科學技術課程和綜合實踐課程的良好載體。國家教育部于2003年把中小學機器人比賽納入 “全國中小學電腦制作活動”，同時普通高中新課程也將“人工智能技術及簡易機器人制作”列入選修內容[5]。除了WER、VEX、世界機器人大賽等競賽之外，中國電子學會于2015年推出了“全國青少年機器人技術等級考試標準”[6]。由此可以看出，國家對機器人教育非常重視。但是機器人教育作為教學內容進入中小學，目前還處于起步階段。多數學校都以校本課程和興趣小組的形式開展機器人教育[7]，缺乏規范的課程標準和教學模式。

目前，雖然機器人教育逐步成為我國教育中不可缺少的一部分，但是我國青少年機器人教育仍然存在一些問題，其中主要包括：過分關注機器人競賽本身[8]，沒有規范的教育模式；缺乏專業系統的機器人教育相關教材和師資，大多是以產品說明書或用戶指南式的方式進行機器人教育；過分依賴一些公司生產的產品和套件，但是由于機器人制造廠商較多，價格昂貴，各產品又互不兼容；機器人教育只是在我國一些經濟條件相對較好的城鎮得到關注和推廣，沒有在大范圍得到推廣和普及。因此本文通過學習借鑒國外開展機器人教育的先進理論以及教學方法，結合我國中小學生的特點，構建了一個以培養學生科技創新和動手實踐能力為目的的青少年機器人教育模式，力求為我國機器人教育的發展提供參考。

二、設計理念

美國和日本機器人教育發展較早，美國最早提出STEM 理念，STEM 是 Science、 Technology、 Engineering、Mathematics四個英語單詞首字母的組合，STEM教育是科學、技術、工程和數學的教育[9]。旨在培養孩子的綜合素養，從而提升其全球競爭力。近期加入了Arts[10]，也就是藝術，變成STEAM[11]。STEAM是一種教育理念，有別于傳統的單學科、重書本知識的教育方式，它是一種超學科重綜合和實踐的教育理念[12]。因為任何一件復雜事情的完成，都不僅僅只靠一種能力，未來需要的是綜合型人才，因此STEAM教育對青少年機器人教育尤為重要。

創客這個詞最早也起源于美國，是一群通過自己的努力，把自己的創意轉化為現實的人，他們在這個過程中運用了非常多的創新精神[13]。2012年繼美國率先把“創客空間”引入小學教育以來，創客教育已經成為全球推動教育改革、培養科技創新人才的重要內容[14]。目前，創客教育是我國引進的新型教育模式，在中小學教育體制中，可以彌補傳統教學模式中對中小學生創新和動手能力培養方面的不足之處，提高學生的科學素養和創新實踐能力。

基于此，在了解到國內機器人教育的發展狀況以及存在的問題并對其作了總結的基礎上，從真正培養機器人教育的創新人才出發設計教學模式。我們以興趣為導向，采用趣味化的設計，將STEAM和創客教育理念有機結合，利用二者的優點，將五大學科知識有效整合，以項目為中心構建一套適合當代青少年發展的機器人教育模式。該模式在教學內容和形式上采用STEAM理念，將多方面學科知識進行有機整合；在教學的具體操作和實踐過程中強調創客教育理念，讓學生在動手實踐過程中將創意變為現實作品，即實現“造物”。具體的設計理念主要包括以下五點：

1.以興趣為導向

青少年機器人教育的前提是要以興趣為導向，采用趣味化的設計方式，注重在學生實際動手操作中融合理論知識的學習，無形中讓學生既學習理論知識，又能夠增強學生動手實踐能力，體會到學習的快樂，真正做到做中學，學中樂的教學目的，從而讓學生產生興趣并逐步體驗到學習的快樂，課程內容的安排和設計要突出趣味性和實用性而不是采用死板的知識平鋪直敘。在學習過程中，以學生為中心，老師為引導者，激勵學生自己動手動腦思考，自主設計模型，盡量讓學生按照自己的想法去做，培養創新學生的自主創新能力。

2.STEAM教育相關課程整合

將STEAM教育中涉及的科學、技術、工程、數學、藝術五大學科重要知識點進行有機整合穿插到課程的教學內容中，例如在學習蹺蹺板制作的時候，首先利用蹺蹺板模型結合理論給學生講解等臂杠桿的基本物理知識，在學生心中構建起等臂杠桿知識結構，然后讓學生根據自己喜好搭建不同風格的蹺蹺板，最后學生通過介紹自己的作品加上老師評價和學生互評，進一步加深學習內容的理解。課程主要運用STEAM教育理念，講解一些理工科知識和藝術審美思想，讓學生掌握多方面的知識，提高學生的綜合素質。

圖1 設計理念圖

3.以項目為中心的創客教育理念

遵循創客教育理念，每次課程教學以項目為中心，讓學生通過運用已有知識和新學的知識，自己動手完成一項作品，讓學生體會在玩中學，學中做的樂趣。每次項目的安排遵循青少年的認知規律、由淺入深的進行，同時采用任務驅動法，為課程每個環節設置問題和任務，做到以任務為明線，以培養學生的知識和技能為暗線，以教師為主導、學生為主體[13]。在完成具體真實的“任務”過程中，學習相應的知識和技能，同時學生在解決和完成任務的過程中不斷獲得成就感，從而更好地激發他們的求知欲并逐步形成一個認知、情感活動的良性循環，培養勇于探索、開拓進取的學習精神。

4.團隊協作精神

當今社會專業化分工越來越細，僅靠一個人的力量很難完成一項工作，團隊間的配合、分工尤為重要，只有有效的分工和精湛的技能，才能高效地完成任務。我們的課程所有項目和實驗都是以小組為單位共同完成，每個小組3～5人，討論選出1名組長，負責團隊整體布局，包括人員的分工和匯總，小組成員各自負責一部分的任務。以WER比賽為例，比賽每隊由2人組成，選出1名作為組長，根據自身能力和興趣，1個人主要負責調試程序、1個人主要負責安裝更換硬件，只有兩個人合理的配合，才能在3分鐘的時間完成更多的任務，獲得更高的分數。在每次項目完成過程中，通過小組成員間不斷的磨合，可以增強團隊的凝聚力，同時為學生以后的發展打下了良好的基礎。

5.不指定器材

目前，機器人競賽有很多項目都指定了某些機器人廠商生產的器材，這種限定器材的方式，一方面導致參與機器人競賽需要投入的費用過于昂貴，另一方面限制了學生們自由發揮的余地。因此，我們所提倡的是無論教學，還是去參加機器人類的比賽都應該不指定器材，盡量使用價格便宜，且容易買到的器材。不指定器材，并不是說就不需要器材，機器人教育的實踐離不開相應的器材。我們可以鼓勵學生學會自己去發現生活中有用的“器材”，比如可以用生活中廢棄的易拉罐做機器人的身體，可以在淘寶等網站上自己購買需要的器材等。

6.漸進式的教學體系

每個項目的安排遵循青少年的認知規律、由淺入深的進行，并建立漸進式的教學體系。教學體系主要包括六個層次：空間想象和積木搭建、基本機械原理和硬件電路、軟件編程學習（學習用圖形化軟件編程控制硬件傳感器）和3D打印學習（通過自主設計，然后打印實現）、軟硬件知識的綜合應用與實踐、專業化機器人（人型、車型機器人）的學習和設計、人工智能和機器學習等深層次的知識學習（設計制作真正服務生活的機器人）。學生先從空間想象和積木搭建基礎知識學起，循序漸進過渡到人工智能和機器學習等知識，最終達到與大學學習接軌，做到人才培養一體化模式。同時每個項目采用“任務驅動”教學法[15]，為課程每個環節設置問題和任務，以富有趣味性、能夠激發學生學習動機與好奇心的情境為基礎，以與教學內容緊密結合的任務為載體，使學習者在完成特定任務的過程中獲得知識與技能。注重的不是任務最終取得的成果，而是要使學生在完成具體真實的“任務”過程中，獲取知識、技能及解決問題的方法，同時學生在解決和完成任務的過程中不斷獲得成就感，從而更好地激發他們的求知欲并逐步形成一個認知、情感活動的良性循環，培養出勇于探索、開拓進取的學習精神。

圖2 漸進式教學體系圖

三、模式構建

1.教學環節模式構建

在整個機器人教育的教學過程中所采用的模式是以問題或者任務為主線，以項目為中心，以合作探究為展開方式的“三位一體”的青少年機器人教學模式。以問題或者任務為主線是指課前老師給學生提供問題和學習資源，讓學生帶著問題先進行自主學習；課中主要是學生動手實踐去完成任務，在此過程中不斷地去發現問題并解決問題；課后對問題進行總結和反思，發現新的問題和任務。以項目為中心是指在整個課程的設計和教學環節中，都是以項目的形式展開的，每次課圍繞一個項目主題展開，同時把項目的完成情況作為形成性評價的主要指標。合作探究指的是小組成員通過合作探究完成任務的小組學習方法，每個小組有1名組長負責整個小組各成員的分工和工作進度把控，各小組成員合理搭配、協調合作共同完成項目任務，在這個過程中可以培養學生的團隊意識、合作精神和集體榮譽感。

“三位一體”的青少年機器人教學模式構建的主要環節流程如圖3所示。教學模式建立遵循以興趣為導向、STEAM和創客教育、不指定器材和漸進式教學的設計理念，具體模式流程包括：

圖3 “三位一體”的青少年機器人教學模式圖

第一環節：“情境引入”。教師創設情境，可以通過播放項目學習相關的視頻或者做游戲的方式來吸引學生的眼球，增強學習的趣味性，然后提出問題；學生感知情境，產生興趣，思考問題，帶著問題進入具體的實踐——觀察。

第二環節：“項目提出”。教師對項目進行簡單介紹，通過項目實物演示，提出學習任務；學生通過觀察和思考，明確任務并熟悉任務。

第三環節：“知識講解”，這是重點和難點環節之一。先讓學生觀察，近距離接觸，實際動手操作一下實物，小組通過討論，派出一名代表上臺談談他們的發現，教師對學生的表現作出評價，形成良好的互動交流，再對項目實物各部分原理進行介紹和要點剖析，主要是講解STEAM教育中涵蓋的多學科知識，包括機械結構、電子邏輯和編程等知識，學生接受新知并自覺進行觀察反思。

第四環節：“動手操作”，這也是重點和難點環節之一。教師此時要遵循創客教育理念（玩中做、做中學），讓學生自主動手學習和創造，把自主權完全交給學生，以觀察引導為主，當看到學生有不能解決的問題時進行適當引導；學生通過教師提供的資源和工具動手操作，在實踐中觀察與反思，相互討論，以小組為單位團結協作共同完成項目任務，在此過程中學會合作與創新。

第五環節：“評價應用”。完成項目學習后，每組會派出一名學生上臺解說自己組的作品，哪些地方跟老師的作品不一樣，做出了哪些創新，實際操作遇到哪些問題，展開一次全班性討論，既可以相互學習，又可以增強學生之間的交流能力。然后教師對課堂內容和學生的實操表現進行總結分析，對學生的完成情況進行點評，并提出一些新的問題引發學生的思考，培養學生的發散思維；學生對本課的知識與前面所學知識形成漸進式知識體系，通過學生間的互評和自評深化對知識的理解，并在課后運用新知，展開實踐和應用。

2.“四個一”能力培養模式構建

在整個機器人教育的教學過程中采用的是“三位一體”的青少年機器人教學模式，與此同時，想要培養具有創新創業能力的人才，還要堅持“四個一”能力培養模式。該模式是以學期為單位，每學期至少完成“四個一”的內容要求，具體內容如下：

（1）參加一套專業實訓

每學期組織學生參加一套專業實訓，其目的是對本學期主要內容進行綜合系統培訓，把所學知識基本上整合到一個項目中，老師會為學生提供幾個項目作為參考，同時鼓勵學生在老師的幫助下自主設計一個項目。組織學生進行實操訓練，實訓后讓學生撰寫實訓報告。培養學生的專業能力，激發學生創新精神。

（2）參與一個競賽項目

每年，科協、電教和教育機器人公司都會組織各種各樣的中小學機器人競賽，針對較高年級或者低年級中學習內容掌握比較好的學生，鼓勵他們自己組隊或者由教師建議組隊報名參與中小學機器人競賽。同時，我們也遵循創客教育理念，針對競賽項目對學生進行專項培訓。學生們通過參與競賽的某一個項目可以培養學生的競爭意識和團隊協作能力，同時通過賽場間選手的競爭學習可以快速提升學生的個人素質。

（3）參加一次等級考試

2015年，中國電子學會啟動了面向青少年 （6-18歲）級別的機器人技術等級考試（包括一～六級）項目，得到各地教育主管部門和中小學校的熱情響應。創客理念的青少年機器人教育模式與全國青少年機器人技術等級考試對知識技能的要求基本符合，學生只需要考試前幾天針對性學習、訓練，完全可以輕松通過考試，不會額外增加學生的學習負擔?；诖?，我們每學期鼓勵學生報考機器人技術等級考試，考試結果可以作為衡量本學期學習成果的一項指標。

（4）完成一份滿意作品

基于創客理念的青少年機器人教育模式最終目的就是讓學生獨立完成一份滿意的作品，檢驗學生的學習成果。在每學期末，要求學生運用每學期所學知識和技能，獨立完成一份作品，并撰寫作品技術說明后提交，教師對每個作品進行打分，對每一份作品作出點評，特別優秀作品在全班進行展示并放進專有的收藏箱進行收藏，以滿足以后學生學習的需求。

3.“互聯網+”配套資源包

我們構建的青少年機器人教育模式，除了“三位一體”的課堂教學模式和“四個一”能力培養模式，還結合“互聯網+”開發了配套的學習資源包，包括線上和線下學習兩種方式。線上學習主要通過在我們開發的手機APP軟件、微信公眾號和專業網址提供學習資源給學生進行學習，同時線上還有老師定時在線答疑和輔導。只要有網絡，在手機或者電腦上就可以隨時學習，在線上不僅可以觀看已有的視頻、文本等資源，同時可以下載學習，還可以對每天的學習任務進行分類管理，也鼓勵學生將自己的創意隨時上傳，在線上與老師或者同學進行實時互動交流，還會獲取相應的學習幣。線下學習主要是通過查閱我們提供的與課程同步配套的教材、教案、PPT，還可以觀看課程的項目作品微課視頻，實現課前快速預習和課后及時鞏固，加強學習效果。

四、教學案例

本文選取3期課程《新空城計》中的《城池巡邏車》作為教學案例，對構建的課堂機器人教學模式進行分析。本課程主要適合小學中高年級學生（以小學三四年級居多），我們目前試點應用的學校主要是重慶師范大學附屬小學。

學情分析：本課教學所面對的是小學中高年級組學生。他們的特點是好奇心強，注意力易分散，抽象思維尚未完全建立，但思維活躍。在前面的學習中，學生們已經掌握了一般機械結構的組成，掌握了一些基本的電路知識，并對圖形化編程環境有一定了解。

教學目標：①初步學習小車的機械結構和搭建；

②理解電機驅動車輪轉動原理；

③理解火焰/障礙傳感信號對電機的運動控制關系；

④學習電機控制小車不同轉動方向運動的編程方法。

課堂教學過程：

環節一：情境引入

教師播放古代士兵夜間巡邏場景，畫面中出現仍然有一些隱秘的火源沒有被及時發現的場景。請同學們想一想在現代我們怎么通過高科技手段及時發現火源呢？要通過什么傳感器來檢測周邊信息呢？

學生回答：通過傳感器檢測、火焰傳感器......

環節二：提出項目

教師：本節課我們要制作一個自動城池巡邏車，可以通過火焰/障礙傳感器有效監測周圍信號，并發出警報。（板書：城池巡邏車）

環節三：知識講解

教師：從機械知識、電子知識和編程知識三個方面對本節課的要點進行講解。

環節四：動手操作

教師：告訴學生需要準備的原料，本次課需要的原料主要有：控制器1個、USB連接線1個、1分3連接線3個 （1個輸入和2個輸出連接線）、火焰/障礙傳感2個、電機 2 個；梁（1×15）4 個、梁（1×12）2 個、軸一個、軸套6個、大輪胎2個，滑輪1個、顆粒方塊若干。

學生：先把原料準備好，然后通過自主觀察和思考，按照圖片進行搭建。（圖4是截取的《城池巡邏車》中搭建過程中關鍵部分的示意圖，這里不做詳細說明）最后把編寫好的程序，通過USB連接線下載到控制器中，看看巡邏車的運動情況，并進行程序的調試。

圖4 搭建過程

環節五：評價應用

教師：對課堂內容和學生的實操表現進行總結分析，對學生的完成情況進行點評，并提出一些新的問題——學生能否利用今天學到的知識，自己設計一個尋跡小車，引發學生的思考，培養學生的發散思維；

學生：對本課的知識與前面所學知識形成漸進式知識體系，通過學生間的互評和自評深化對知識的理解，并在課后運用新知，展開實踐和應用，制作一個自己設計的小作品。

五、結語

我國機器人教育起步較晚，機器人課堂教學模式還沒有成熟的經驗可以借鑒。本研究以培養學生興趣為導向，把STEAM和創客教育理念有機融合，將相關學科知識進行內容整合，并遵循“玩中做、做中學”的創客教育理念，構建了一套適合青少年機器人教育的模式。該模式從三個方面推進機器人教育的發展：一是“三位一體”的課堂教學模式；二是“四個一”能力培養模式；三是“互聯網+”配套資源學習包。但是，難免會有一些不足之處。我國中小學機器人教學的理論與實踐探究和完善，是一個復雜而漫長的工作，還需要教育機構、中小學學校、機器人廠商和一線教師等多方面的共同努力。

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