青少年機器人教育課程體系研究

陳良波，林清蘭

(泉州職業技術大學，福建 泉州 362269)

0 引言

青少年機器人教育在我國已有三十多年的發展，并在近十年越來越火，主要原因是科技水平的發展、人們生活水平的提高等，當然近年來從政府層面上也重視起來。2017年8月國務院發布了《新一代人工智能發展規劃》，規劃要求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。2018年4月教育部發布了《高等學校人工智能創新行動計劃》，計劃要求支持高校教師參與中小學人工智能普及教育和相關研究工作。目前，機器人技術是人工智能的一個重要技術分支，同時深受中小學創客者的喜愛。因而，從政府政策層面、高校、中小學、社會等都非常重視機器人教育，建構一個合理的、完善的機器人教育體系非常有必要，且具有很好的現實意義。

1 青少年機器人教育存在的問題

雖然機器人教育已有三十多年的發展，在課外培訓占據一定的市場，家長也更加重視，比賽考證也逐步規范，儼然成為我國教育中不可或缺的一部分，但是在很多專業人士眼里，還存在不少問題，主要有以下幾點。

(1)課程體系不系統。目前，市場提供主要有樂高課程體系、創客體系等，很多培訓機構的課程零散，沒有體系化，過分依賴某些公司產品或者套件，大多是以產品說明書進行教育，學生還很難系統化學習[1]。

(2)缺乏專業師資隊伍。機器人教育對師資要求高，老師知識面要廣，主要包括結構知識方面，涉及機械結構知識、3D打印知識、激光切割知識等；電子電路方面，可能包括單片機知識、傳感器知識，電子電路知識等；程序方面，涉及Scratch、Python、C等各種編程語言。目前，高校基本沒有相關專業在針對性地教授這些課程，因而，師資是目前機器人教育最大的一個問題。

(3)機器人競賽問題。以前機器人競賽幾乎都是依賴某些公司產品，主要有樂高、WER、VEX等，相互間不兼容，價格昂貴；另外，品牌公司有操控比賽結果的可能。目前，開源技術發展迅速，最近幾年的相關比賽中很多支持開源硬件，但由于主觀因素較多，比賽結果的公平性有待進一步提高。

(4)經濟發展不平衡。農村和城市機器人教育差距較大，很難推廣和普及。

基于以上問題，且有些問題比較嚴重，因此，充分利用高校資源，借鑒國內外一些優秀的軟硬件、教學方法，兼顧經濟落后地方，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課程體系具有相當的現實和理論意義[2]。

2 課程總體設計思路

由于機器人技術涉及的內容很多，另外長期以來中小學也沒有為其開設一門學科，因此，在課程標準、課程內容邏輯體系、軟硬件工具的選擇等，沒有可以遵循的標準。對于機器人教育課程體系的構建，建議自上而下，從頂層考慮課程總體設計的理念，從實施層面考慮課程體系內容。因而，本研究從課程設計理念和課程體系兩個方面進行研究，力求為我國青少年機器人教育的發展提供參考。

3 課程總體設計理念

機器人課程設計理念應該考慮幾點：一是大眾經濟上要能夠接受，特別關注欠發達地區或者農村地區的學生；二是課程采用的軟硬件應容易獲得，不封閉且支持圖形化編程；三是課程內容采用項目化設計，任務驅動以提高學習興趣。

3.1 以工程的視角、STEAM理念來設計教學內容框架

工程的視角是課程每次內容可以取自一個工程產品或者每一個項目的學習過程，就像一個工程產品的產出過程一樣。STEAM理念是每個課程作品可能會涉及很多相關學科的重要知識，比如，科學、技術、工程、數學、藝術等，并且把這些重要的知識點比較巧妙地穿插于整個課程教學過程中。例如，在《吊車》這節課程中，首先讓大家看下現實中的吊車及它的工作過程；其次通過拼搭介紹其中蘊含的專業知識，如渦輪渦桿、等臂杠桿、機械互鎖等工程知識，通過拼搭講解讓學生掌握；接著鼓勵學生根據喜好搭建屬于自己的吊車；最后，主要通過3種方式——學生作品自我講解、學生互評、老師評價等，從工程知識角度、技術設計角度、藝術審美角度等，讓學生進一步加深對作品的理解，提高學生的綜合科學素養[3]。

3.2 實施趣味性設計的項目驅動

興趣是最好的老師，青少年機器人教育首先也是要讓學生感興趣，因而實施趣味性設計的項目驅動是很有必要的。采用趣味化的任務驅動項目設計，注重理論和實際操作的結合，讓學生在動手中學習理論知識，體會做中學、學中做、樂中學的目的。在課程內容的設計上，突出系統性、趣味性和實用性特點。在教學方法上，采用任務驅動，以學生為中心，鼓勵學生多思考、多動手，教師主要負責理論講解、學習過程的引導、作品總結與反思，重點培養學生的動手能力、創新能力和科學素養[4]。

3.3 支持開源精神

最近十幾年，支持開源軟硬件的公司越來越多，種類和應用也越來越廣泛，常見的適合青少年的開源軟件有麻省理工的Scratch，拓展Scratch的Kitten、Mand +、Kittenblock等，Blockly、Linux、Appinventor、Mixly等，硬件有Micro:bit、Arduino、掌控板、樹莓派等，當然還有各種各樣的傳感器，非常豐富且使用方便。要支持開源精神，主要有幾方面原因：一是品牌機器人過于昂貴，經濟欠發達地區和農村地區的學生很難負擔得起；二是品牌機器人在兼容性方面不夠友好，很多產品對于非自身品牌配件不兼容，可能會限制學生學習和想象力空間；三是開源軟硬件的優勢，其價格便宜、容易獲得，各類比賽不會指定器材，產品間的兼容性也相當友好，產品外觀結構設計開放且可以手工設計，可鼓勵學生創客精神。

4 課程體系設計

4.1 內容與教具選取

機器人技術的內容主要涉及外觀結構、電子技術、程序控制等綜合學科知識，因此，在課程體系設計上應該包括如圖1所示的3個方面。機器結構主要由樂高積木拼搭、手工制作、3D打印、激光切割等方式獲得，一般樂高積木拼搭作為機器結構的入門學習，3D打印和激光切割為高階的應用學習。電子電路技術是一個難點，目前市面上主要有兩大類，一是塑料封閉標準接口接線，可讓學生不需要掌握多少電子知識，專注電子編程；一是無封裝裸板所有引腳自行接線，要求學生擁有較高水平的電子知識，有利于創新。編程主要有圖形化編程和代碼編程，其中，圖形化編程非常適合初學者入門和用來提高，代碼編程比較合適較高年級的學生。

教具與內容的選取：在機器結構方面，入門采用樂高積木，先大顆粒再小顆粒，建議學前采用樂高9656，幼小銜接采用樂高9686，小學低年級采用Wedo套裝，較高年級進階3D打印、激光切割課程。在電子電路方面，采用開源電子產品，建議使用Micro:bit、Arduino、掌控板、樹莓派、虛谷號等開源主控制器，電子元件器采用開源元器件。在編程方面，建議圖形化入門再代碼編程學習，圖形編程建議使用Scratch、進階Kitten、Kittenblock、谷德微等，代碼編程建議Python和C++。

圖1 機器人教育的3個方面

4.2 課程體系構建

課程基于STEAM教學理念，將科學、信息技術、工程、藝術、數學等學科知識有機結合起來，面向4～16周歲的孩子，根據課程設計思路和漸進式學習要求，開發學前拼搭、初級拼搭與圖形化編程、中級Scratch編程、高級電子課程、拓展創客課程、考證競賽課程等，培養少兒的動手能力、邏輯思維能力和創新創造能力，如圖2所示。

圖2 漸進式課程體系