中小學機器人課程體系設計與研究

張巍娜

摘要：在中小學設置機器人教育相關課程，對培養學生的創造、創新能力，解決問題的能力，糾錯、修正能力，動手實踐能力，團隊協作能力及培養邏輯思維具有積極的意義.我國中小學機器人課程建設尚處于探索階段，赤峰學院計算機與信息工程學院組建了教學團隊，致力于設計開發出一套適合本地區的中小學機器人課程體系，以積極推動赤峰地區中小學機器人教育的發展.

關鍵詞：機器人教育;中小學;課程體系

中圖分類號：G622.3;G632.3 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1673-260X（2019）05-0001-03

1 引言

《中國制造2025》是我國實施制造強國戰略的第一個十年行動綱領.其中明確指出，當前我國正處于新一輪科技革命和產業變革與我國加快轉變經濟發展方式形成歷史性交匯的時期，國際產業分工格局正在重塑.因此必須緊緊抓住這一重大歷史機遇，按照“四個全面”戰略布局要求，實施制造強國戰略，加強統籌規劃和前瞻部署，逐步把我國建設成為引領世界制造業發展的制造強國，為實現中華民族偉大復興的中國夢打下堅實基礎[1].綱領確立了堅持把人才作為建設制造強國的根本指導思想，明確了包括“機器人”在內的十大重點領域.同時國家出臺了“機器人工業十三五規劃”等一系列相關政策，在2017年7月，國務院印發的“新一代人工智能發展規劃”中，則更明確地提出了“廣泛開展人工智能科普活動，支持開展形式多樣的人工智能科普活動，鼓勵廣大科技工作者投身人工智能的科普與推廣，全面提高全社會對人工智能的整體認知和應用水平.實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育，鼓勵社會力量參與寓教于樂的編程教學軟件、游戲的開發和推廣”[2].

中小學機器人教育，不但能夠為高等教育機器人等相關專業儲備優質人才，更重要的是能夠激發學生學習科學的興趣，提高科學素質，鍛煉邏輯思維，拓展學生解決問題的思路、方法，提高學生創新能力、糾錯修正的能力及團隊協作能力，對學生綜合素質的提高大有裨益.

2 國內外機器人教育研究現狀

目前各個國家都在機器人教育領域做了很多探索.王凱等在《日本機器人教育的發展現狀和趨勢以重視科技創新的日本為例》一文中指出，早在1998年文部科學省將編程列為中學必修內容，隨后各類機器人教育項目迅速增加，日本的企業也積極為中小學提供設備，以支持中小學編程教育的開展[3].2017年紐約市多所小學、初中和高中開設計算機科學相關課程，學生在課堂上借助塊碼、機器人等，學習計算機科學的基本概念[6].

在我國，北京、上海等一線城市及其他經濟、文化發達地區也已經有很多中小學陸續開展了機器人等相關課程.比如早在1979年就開設計算機課程的北京景山學校，自2000年起開設了“智能機器人教育”，2011年又引入了Scratch課程.

國內相關的研究表明截至目前，以中國知網所收錄的文獻為來源，以“中小學機器人教育”為關鍵詞，檢索到相關文獻267篇.對檢索結果進行分析獲得如下數據：

首先從文章數量來看，2014年以前每年相關文章數不足20篇，自2014年起相關研究明顯增多，尤其從2017年至今增長幅度翻倍.

其次從主題上看，除檢索關鍵字之外，作者們的關注點主要集中在“人工智能”“機器人技術”“智能機器人”“創客教育”“教育機器人”“信息技術課程”“校本課程”等內容上.

目前機器人教育在我國還處于探索發展階段，中小學機器人課程還沒有全國性的統一標準，但是已經有越來越多的人意識到了中小學機器人教育的重要性并做出了很多積極的探索.

3 赤峰市機器人教育存在的問題

赤峰市是教育大市，從政府到市民普遍重視教育.2018年9月赤峰市科學技術學會和赤峰市教育局聯合下發了“關于舉辦赤峰市首屆青少年機器人競賽的通知”文件.該活動對推動機器人科學技術的普及，鼓勵更多的青少年機器人愛好者在電子、信息、自動控制等高新科技領域進行學習、探索、研究和實踐，激發學生學習科學的興趣，提高科學素質，推動青少年機器人普及教育起到非常積極的作用.但是在良好的形勢下還是存在一些制約機器人教育發展的問題，具體如下：

3.1 機器人課程普及面過窄

我市目前已有多所中小學將機器人教學納入了學校教育的行列，但主要是以社團活動的形式為主，能夠參與的學生人數非常有限，受惠面窄.以赤峰市實驗小學二年級為例，二年級共有8個班級，每班平均50人，各班能夠參加機器人社團人數僅為1～2人.普及面過于狹窄，使得很多具有學習興趣、具備良好科學思維的學生得不到及時的發掘.

3.2 教育資源、師資力量缺乏

機器人課程不能大面積普及的重要原因之一是中小學校里缺乏專業教師，從事機器人教育的老師人數非常少，絕大多數學校沒有專門教師，基本都由信息技術老師甚至是其他專業教師兼任，以赤峰二中國際實驗學校為例，機器人興趣小組的指導教師是由物理老師兼任.師資力量的匱乏也使得機器人教育的教育資源非常稀缺.

3.3 市場需求旺盛，培訓機構質量良莠不齊

教育是家庭的頭等大事，在當今社會大背景下，很多家長迫切希望讓子女能得到邏輯思維、創新能力、動手能力的鍛煉，很多家長把目光投向了機器人相關方面的課程.機器人教育市場需求非常旺盛，我市也早有多所培訓機構面向青少年開設機器人課程，但這些機構魚龍混雜，教學質量良莠不齊，特別是在師資力量上，普遍存在待遇低、流動性大、專業性差的問題.臨時招募的社會人員經過短期培訓就立即上崗，既缺乏機器人方面的專業知識、專業素養、理論功底，也沒有良好教育經驗.目前我市整體業務水平最高、最專業的師資力量主要集中在公立學校，而學校機器人教育由于師資力量有限，教學資源匱乏，使得惠及面過于狹窄，每個班級能參加機器人相關學習的學生屈指可數.因此，很多家長不得不把目光放在了這些先天不足的培訓機構上.而不專業的教學，甚至是不科學的教學內容不但不能使學生相關能力、素質得到提升，甚至會給學生帶來誤導.

4 研究內容及課程目標定位

我國目前尚沒有形成一套全國通用的中小學機器人課程教學體系，各地都在積極探索、建立適合本地區的機器人課程體系.針對我市機器人教育現存問題的現狀，本團隊意在設計開發一套比較科學、規范、適合我市中小學的專業需求，并且經過教學實踐驗證的，適于大面積推廣的青少年機器人課程體系.此項成果第一能夠大大減輕中小學教師的備課負擔，第二可以使得更多的青少年能夠在學校就得到專業的、統一標準的、高水平的機器人啟蒙教育，第三必將為我市機器人教育的普及和發展起到重要的推動作用.赤峰學院計算機與信息工程學院在機器人教育領域，具有非常豐富的教育資源，擁有教育經驗豐富、研發力量雄厚的教學團隊.課題團隊成員一直從事一線計算機課程教學工作，具有很強的科研、教學和團體攻關能力.團隊計劃利用一年的時間，通過大量的理論研究、需求分析，及課程實踐、反饋、修訂，設計開發出一套符合中小學生認知規律的包含大綱、計劃、教學目標、教案、教學資源包等內容的，適合在本地進行普及的中小學機器人課程體系.

本項目的實施既能滿足我市中小學開展機器人普及教育的需要，又能減輕中小學機器人課程教師的負擔，還能使更多的學生能夠從機器人課程教學中受益.用于項目研究購置的儀器設備可以作為我校機器人學生團隊進行基礎訓練的素材，今后可以依托本套課程體系對我市中小學相關課程任課教師進行培訓，使得我市機器人基礎教育教學水平得到全面的提升，達到甚至趕超經濟發達地區的教育水平，使更多的中小學生從中受益.

5 課程體系及內容規劃

在課程體系上，將機器人課程分為初級、中級、高級、競賽專項四個層次階段，具體如下表所示.

在課程內容上主要包括積木拼搭、機械拼搭，程序設計三大模塊，三個模塊互有交叉.其關系如圖3所示.

其中積木拼搭需要充分利用各種零部件的形狀、構造，以形體搭建、拼裝、模擬為主;機械拼搭要充分利用梁、齒輪、軸、蝸桿、齒條、馬達等各種構件的力學原理實現簡單的運動;程序設計要在積木拼搭和機械拼搭的基礎之上通過程序設計控制機械實現更加復雜、更規律、更自由的各種運動.

在課程設計上，對于不同的課程階段，在教學內容上既有相互獨立的內容，又有層層遞進、螺旋上升的內容.其中相互獨立的內容是依據各個年齡層次的理解能力分別設計，而螺旋上升內容主要是指在不同的課程階段有相同的教學項目，但針對不同的年齡層次提出不同的知識目標、能力目標要求.以“機械抓手”為例，在初級課程中以了解生活中的杠桿原理，運用簡單的杠桿原理解決問題為目標;在中級課程中要增加更多的探索性、研究性，在教學內容上增加復合杠桿、滑動連桿等教學要求;在高級課程中則要提出更深層次的教學要求，如引導學生研究、探索如何為機械結構解決能源動力的問題，以及如何編寫程序使得能源動力的輸出可以滿足實際需求.

6 課程實踐展望

目前本課題團隊已經與赤峰二中國際實驗學校達成了合作協議，計劃通過兩個學期的教學實踐來對課程設計進行教學實踐驗證、反饋及修訂.同時也期待這樣一套的中小學機器人課程體系，能夠盡早在我市廣泛付諸教學實踐.

推廣普及機器人教育的目的并不單純是為了產業發展儲備力量，也不是定位于要培養科學家、發明家，更不是致力于技能的培養，目的在于對學生思維方式和探究能力的培養.建設創新型國家和世界科技強國離不開人才培養，而基礎教育更是人才培養的根基.因此，充分發揮我校在教育教學方面的優勢，整合各方面優質教育資源，利用計算機與信息工程學院的專業力量，精心打造出一套適合在赤峰地區推廣的中小學機器人課程體系，充分發揮我校服務社會的能力，為地方基礎教育的發展貢獻力量.

參考文獻：

〔1〕國務院關于印發《中國制造2025》的通知[Z].國發（2015）8號.

〔2〕國務院關于印發新一代人工智能發展規劃的通知[Z].國發〔2017〕35號.

〔3〕王凱，孫帙，西森年壽，李哲.日本機器人教育的發展現狀和趨勢[J].現代教育技術，2017（04）：5-11.

〔4〕張靜云，鐘柏昌.中小學機器人教育的核心理論研究——論科學探究型教學模式[J].電化教育研究，2017（10）：106-110.

〔5〕楊豪.基于STEAM教育的小學機器人教育課程開發與實踐[D].2018.

〔6〕楊蘭.美國紐約市2017-2018學年12所小學參加初級軟件工程項目[J].世界教育信息，2017（21）：78.