基于PTD理論的學前兒童機器人實訓活動體系設計與研究

吳玥喬 黃建國

摘要：作者通過文獻研讀，分析了機器人編程教育在學前兒童階段的開展現狀，基于PTD理論分析了學前兒童的培養目標，并設計符合學前兒童身心特點的機器人編程教育的實踐活動體系。構建學前教育師范生機器人編程的創新實踐教學體系，讓學生在項目學習中融合學與做，培養了他們的創新能力和開發能力，同時反哺學前兒童機器人編程教育，解決目前師資緊缺且師資質量不理想等實際問題。

關鍵詞：學前兒童;PTD理論;機器人;校企結合

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2021）12-0078-04

概述

國內兒童編程機器人的發展相較于國外，有著起步晚、發展態勢保守的特點。高中技術課程標準，把“人工智能初步”和“簡易機器人制作”設為技術領域的選修模塊，這意味著我國的人工智能和機器人教育在大眾化、普及化層面上進入了一個新階段。然而，我國中小學人工智能與機器人教育仍處于初期階段，仍存在較多問題有待進一步研究和實踐。

筆者通過對學前兒童編程教育的研究發現，國外對學前兒童編程的研究已比較細致，不同年齡段的理解與執行能力在不同程度的編程內容里的側重點有一定差別。但是在我國，對學前兒童編程的教學研究尚處于理論向應用研究的轉型期，尤其在實踐環節的支撐還比較薄弱。因此，就我國存在的學前兒童可編程機器人的教學實踐有限、教學師資短缺、教學資源匱乏等問題來看，對學前兒童教師進行編程能力和計算思維的培養，是當務之急。

PTD理論概述

積極的技術發展（Positive? Technological Development）簡稱PTD理論，由美國塔弗茨大學貝斯教授提出。它是由兩組6C模型共同構成的多維框架，其中第一組6C模型即為6個積極的品行特征，也稱6C品質，第二組6C模型即為6種積極的行為，也稱6C行為，兩組內容彼此對應。6C品質包括能力、自信、愛心、聯系、個性、貢獻，這組特征被認為是個人在最初二十年中個體核心動機的一組重要的特征;6C行為包括個人技能層面的內容創作、創造行為、行為選擇和人際交往技能層面的溝通、合作、社區共建。

PTD理論框架核心內容與現代人才培養中“培養全面發展的人，心智健全的人”等理念保持一致。同時，該理論與學前兒童培養方案中的加德納的多元智力發展理論相匹配，對編程活動方案的目標有指向性。PTD理論中的6C品質對應6C行為，6C行為指向活動目標。例如，具體6C行為中，創造行為對應的培養目標是創造力，合作行為對應的培養目標是協作能力等。

學前兒童可編程機器人實訓活動系統設計

對幼兒園一線教師和學前專業在校生進行有針對性的編程課程培訓，是緩解目前學前兒童可編程機器人教學過程中存在的問題的較便捷有效的途徑之一。筆者所在團隊，對學校的學前專業學生和幼兒園一線教師進行集中培訓，以校企結合的形式建立學前兒童可編程機器人實訓中心。區別于工業機器人建設，學前兒童可編程機器人需要充分考慮兒童認知水平低、注意力不集中等特點，因此，學前兒童可編程機器人實訓中心需根據學前兒童特點來規劃實訓內容，培訓實訓教師。具體規劃流程如圖1所示。

1.師資系統構建

考慮師資的不同專業程度，為了保障師資培養的質量，筆者提出了“校企結合”和“園校結合”的多維師資培養方式（如圖2）。

2.課程系統構建

針對學前兒童的教材編寫，首先根據PTD理論框架中對學前兒童特點的分析，有針對性地確定教學目標，再根據教學目標細化對應的教學知識點。考慮到學前兒童身心發展水平不穩定、知識經驗水平低、學習動機弱等特點，課程設計的內容和難度都應降低，并且教學形式應以情境設計、游戲、角色扮演等學前兒童容易接受的形式為主。課程設定參考教育部《3～6歲學習與發展指南》，并根據學齡前兒童（3～6歲）的特點，系統且分層次地進行課程范圍劃分。

①初級活動。3歲兒童通過身體各種知覺感知世界，其邏輯和思維都還未形成，因此，活動通過游戲和情境等形式開展，帶他們參與機器人實體教具的認知和搭建。

②中級活動。4歲兒童基本認知能力已經具備，活動基于幼兒對客觀世界的認知基礎，帶領幼兒領略自然界、常識規定等，幫助幼兒建立基本的邏輯思維和分析判斷能力。

③高級活動。5～6歲兒童已初步形成邏輯判斷和思維能力，已具備建立幼兒編程語言和命令的能力。因此，可以為5～6歲的兒童選擇與其認知發展規律相匹配的編程活動難度。筆者通過文獻研讀發現，研究者們多將活動內容聚焦于排序、循環、調試、復雜排序、復雜循環和復雜調試等活動板塊（如下頁圖3）。值得注意的是，要對知識點進行情境設定，激發學生分析和解決問題的興趣，使之成為便于學生理解和參與的操作案例。

關于可編程機器人課程中的編譯語言，國外最早的是LOGO語言，之后的兒童編程語言都在此基礎上進行修整和改進。目前使用最廣泛的是Scratch語言，但是由于其語句的成熟程度高于學前兒童，MIT之后開發的版本做了相應的調整，生成了Scratch JR版本，幫助幼兒通過角色扮演，完成運動指令。CHERP編譯語言和Micro python也比較簡單，適合學前兒童通過拖拽打包程序來完成基于圖像的指令操作。博斯教授曾在實驗中證明，通過將有形編程機器人和CHERP編程語言結合，研究結果顯示幼兒在教育干預后，各項能力都有不同程度的提高。

3.實訓系統構建

可編程機器人實訓中心的培訓形式不再只是單一的課堂教學，更具有沉浸式體驗和現場觀摩等適用師資培訓和幼兒教學的情境模式。目前在學前兒童編程中，較主流的編程形式包括基于屏幕的編輯與操作、制作數字有形作品、可以解決問題的方法等。因此，設計的實訓中心要提升公開的可視化教學能力，要有展示、操作、調試等多功能區域，具體設計如圖4所示。在教學綜合區配備可交互的多媒體白板，方便教師和學生更直觀地進行線上和線下的演示和交流。實訓平臺分為線上AI的虛擬仿真平臺和線下的實體機器人操作匹配兩個層次，其中包含演示體驗、實操訓練、調試維修等分階段的操作區域。演示體驗區域適用初級活動中的機械體驗和組裝;實操模擬區域適合中級和高級活動的命令編譯;調試區域適合高級活動中的問題解決等項目。最后，單獨把典型操作案例和編碼過程成立一個區域，供學生翻閱材料或請求協作等。其中，基礎設備包括多媒體教學系統、計算機、加工操作區、編程教學區、體驗實踐區。專業教學設備包括人工智能相關設備，語音、視覺識別系統、電子傳感器等硬件設備，支持uKit、CHERP等簡單編譯語言軟件平臺。

4.教學案例示范

以下是基于PTD框架的學前兒童編程教學示例《會聽話的臺燈》。

（1）材料準備

視頻、交互式白板、積木、硬件結構件、硬件連接件、編譯語言主控盒、執行器等。

（2）實踐過程

選擇教學對象：某學校附屬幼兒園大班學生。

確定教學內容：Python條件語句的編譯命令、循環語句編譯命令，考慮到教學對象年齡小、認知程度低，難以理解條件語句“if...then”和循環語句while，因此，將其轉換為普通話命令，建立與積木感應效果的聯系。

構建教學項目：

①啟動項目。通過積木搭建臺燈，創設問題情境。（臺燈的開關、燈光的強弱，能不能通過我們的聲音來控制呢？）

②項目實施過程。

認識條件語句：教師引導學生了解普通的語音指令，如“開燈”“強光”“暖光”;介紹關聯詞，建立語音命令和臺燈之間的聯系，如“如果主控聽到‘開燈，那么臺燈燈瓣張開”。

認識循環語句：啟發學生思考語音命令“強光”“暖光”和臺燈燈瓣之間的關系，并且讓學生發出語音命令。在程序運行版面上出現完整命令后，引導學生認識：滿足某條件，可多次執行同樣操作，即可形成循環（如圖5）。讓學生獨立思考，合作完成聲控臺燈的編譯命令。

（3）實訓評價

課程評價的多元化是目前課程發展的主要趨勢，科學的評價應該貫穿整個教學過程。學前兒童的認知能力和專注能力都比較弱，單純從項目結果來評價學前兒童認知的變化是比較片面的，因此，編程項目課程的評價可以將終結性評價和形成性評價相結合。

終結性評價：項目教學中的作品分析是終結性評價中認可度較高的形式之一。在兒童完成臺燈的積木搭建、聲控程序的編譯等操作時，可以用項目作品的完成程度和制作效果作為兒童動手能力和認知能力變化的測評標準。

形成性評價：形成性評價多以訪談和問卷的形式開展，但是學前兒童又不具備準確表達自己內心感受和填寫相關測評問卷的能力，因此，在教學過程中建議園方教室設立視頻觀測裝置。在課堂教學結束后，由教師觀察學前兒童課堂表現來填寫調查問卷，并整理分析，由學前兒童行為變化來分析其學習發展和能力水平變化。

結語

學前兒童可編程機器人教學旨在通過簡易的編程活動盡早且合理地培養學前兒童的認知能力和計算思維。目前，國內仍處于起步態勢，缺少有針對性的教學體系和課程開發團隊，但從另一個角度看，學前兒童可編程機器人的教學在內容和方法上仍存在較大的研究空間。期望本文能為該方向的研討提供一點參考，打破編程從高中甚至大學才開始的思維定勢，為真正滲透STEAM教育培養高素質的優秀人才奠定基礎。

參考文獻：

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[3]程藝.美國學前兒童編程教育初探[D].上海：上海師范大學，2019.

[4]Bers M U.Coding as a Playground：Programming and Computational Thinking in the Early Childhood Classroom[M].New York：? Routledge Press，2017.

作者簡介：吳玥喬，助講，碩士，研究方向為智慧學習環境;黃建國：教授，在讀博士，研究方向為智慧學習。

本文為安徽省質量工程項目“合肥幼兒師范高等專科學校——安徽祺勝電子科技有限公司實踐教育基地”（項目編號：2019xqsxzx11）階段性成果。