美國KIBO機器人課程的實踐分析與改進

鐘莉 劉晴 黃芳華 賴桂花 吳彥林

摘 要：人工智能時代，幼兒編程發展迅速，幼兒編程課程的開發和應用也得到較大的促進，如KIBO機器人課程。但是，其實施效果欠佳，存在一些問題，如行動路徑過于理想化、無法查看掃入的程序、按鍵太單一、售價高、普及率低等，需要進行改良，提高KIBO機器人課程實施效果，促進幼兒編程教育發展。

關鍵詞：KIBO; 機器人; 編程教育; 課程分析與改進

中圖分類號：G434? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ?文章編號：1006-3315（2021）12-008-002

近年來，隨著大數據和人工智能的快速發展，國家和各級政府高度重視，出臺系列政策措施推進幼兒編程教育。例如2017年浙江將信息技術編程納入高考科目[1];2018年，重慶明確要求：小學、初中累計不少于36課程[2];2020年教育部在相關的答復函中指出：已制定專門文件，將包括編程教育在內信息技術內容納入到中小學相關課程[3]。因此如何有效推進幼兒編程教育是我們當前急需改革與實踐的重要課題。然而我國幼兒編程課程起步較晚，幼兒編程課程的開發和應用大多數都是引進和借鑒國外的幼兒編程技術，如美國KIBO機器人課程。在實踐中，該課程本土化實施效果欠佳。

一、KIBO機器人的概況

（一）KIBO的發展

KIBO機器人課程是由畢業于美國麻省理工學院媒體實驗室的MARINA教授，領銜塔夫茨大學KINDERLAB ROBOTICS實驗室，在美國國家科學基金會資助下，成功研發KIBO機器人及配套的課程[4]。該課程體系基于國際先進的STEAM教育理念，根據美國及其周邊國家的使用案例與市場反饋，在全美四十多個州普及，并在歐洲落地。2019年波士頓美亞集團將KIBO機器人及其教學課程引入中國大陸市場并做好本土化改進，命名為CODE KEY編程課程[5]。

（二）KIBO課程體系

該課程體系是以美國知名編程教育機器人KIBO為載體，由國內外教育學背景的專業團隊設計開發，是國內低齡段編程教育賽道，非常具有競爭力的一套課程體系。該課程體系專為3-8歲孩子量身打造的，培養工程實踐思維和計算思維能力的STEAM教育課程體系，以提升中國孩子在人工智能時代的核心競爭力為最終愿景[4]。

1.KIBO課程的目標

KIBO的課程目標旨在提升幼兒編程的能力，對幼兒編程進行啟蒙，通過寓教于樂、團隊協作的教學方式，激發幼兒對編程的興趣。在學習中掌握編程的基本理念，樹立新的思維方式。在學習過程中，提高幼兒在相關學科上的能力與綜合素養[6]。

2.課程內容

KIBO課程的設置主要包含8節課，每周1節課，每節課2小時，每節課分2次進行授課，每次授課時長1小時。

8節課授課內容如下：第1節課，學習KIBO機器人有關配件的調試、設計過程的概念;第2節課，了解機器人特殊組件、組件上條形碼、技術、技能等，掌握組建機器人小車，遵循的命令;第3節課，學習編程指令及排序;第4節課，學習傳感器的知識，使用聲音傳感器編程機器人;第5節課，學習重復指令和參數;第6節課，掌握光和距離傳感器的使用;第7節課，學習控制流程的概念，掌握條件語句，學會根據傳感器的狀態對機器人進行編程;第8節課，成果展示匯報。幼兒對所學的編程內容和核心概念進行遷移與應用，按照給出的路線對機器人進行編程，并控制機器人到達目的地[7]。

3.課程特點

一是思維開放性。KIBO機器人具有極強的思維開放性，在思維上對幼兒進行引導。如我們想讓kibo機器人按照我們心中所想的去執行指令，從這個地方到另外一個地方。我們可以把路線拆解，換成一個又一個的指令，例如我想讓它進行直行10步，然后左轉再直行五步，再右轉直行五步，最后停下。我們可以依次掃碼輸入“begin（開始）——forward（直走）（掃描10次）——turn left（左轉）——forward直走（掃描5次）——turn right（右轉）——forward直行（掃描5次）——end（結束）”。

二是團隊合作性。在學習過程，強調寓教于樂，注重團隊協作。通過讓孩子適應拆分步驟的思維方法，讓孩子盡快養成獨立思考，懂得用拆分的方法去完成既定的目標。引導幼兒建立并完善編程思維、邏輯思維、計算思維。同時，引導孩子們通過協作使用編程塊來構建一系列代碼來控制機器人的動作和聲音，靈活地搭建機器人、制作自己的拼貼畫、分享玩具。

4.課程評價

幼兒在寓教于樂的KIBO機器人編程學習中，培養計算機的思維能力，掌握了學會用步驟將問題化簡，以清晰、有條理的思路去解決問題。以小組方式去學習，在學習過程中，懂得了與同伴分工合作和交流。在學習中由于不可抗力因素，而產生的路線偏移，幼兒可以在教師的正確引導下，積極探索路線產生偏差的原因。培養幼兒敢于批判，敢于質疑，勇于創新，積極探索問題的能力。運用一些科學原理來解釋這些出現的問題，能夠將此類問題與今后學習的“物理”、“數學”等學科的知識聯系起來，起到了一個實質性的啟蒙作用。也進一步鼓勵幼兒積極探索新領域，培養發散性的思維能力，掌握解決問題的能力。

二、KIBO機器人實施現狀

作為國際大都市，廣州幼兒編程教育相對起步快，幼兒編程相關機構相繼出現。帶有商業性質的編程機構，捕捉住家長“望子成龍，望女成鳳”的心理，逐漸興起一股“編程熱”。

通過對廣州市花都區幼兒編程機構KIBO課程實施的調查，我們發現KIBO的課程實施模式都存在延展性。首先，KIBO課程前幾節課是由編程老師對幼兒進行編程教育與啟發。讓幼兒掌握KIBO機器人的相關構造及操作。其次，教師會對幼兒進行分組，讓他們根據前面課程學到的知識，進行團隊協作，自主編程KIBO機器人。讓幼兒自己設計路線將KIBO機器人從起點送達目的地。以實際的操作培養幼兒的動手能力，培養幼兒的編程思維。最后，進行匯報展示，分享學習成果。

根據我們對于花都區XX幼兒編程機構課程觀察，我們發現了KIBO幼兒編程課程實施現存的一些問題。

（一）KIBO課程實施現存問題

1.行動路徑過于理想化

根據幼兒編程機構課程教學觀察，兩組小朋友在同一個起點，輸入同一指令，KIBO機器人開始運動。一般來說，這兩組機器人應當是到達同一個目的地。可是結果卻多次與之相駁。通過觀察KIBO機器人的運行軌跡，發現前后兩次的運行軌跡，都有差別。走直線的差別較小，而經過旋轉或者轉彎后再直行的差別較大，甚至在后面會發生兩個完全不同方向的運行軌跡。

根據觀察發現，由于車輪本身設計問題，車輪小且與地面的接觸面也很小，車身較輕，不同地面的摩擦力也不同等原因，會影響到它的行動路徑，造成行動路徑的偏轉，以至于指令相同，而走出不同的路徑，使得機器人偏離既定的軌道，甚至發生很大地改變，沒有辦法正確地完成指令。

2.無法查看掃入的程序

根據對機器人的操作可以發現KIBO機器人僅僅只有一個掃碼器（傳感器），沒有顯示屏。操作機器人需要通過掃碼器來輸入指令，而掃碼器僅僅用于掃碼，而沒有辦法把掃進去的碼通過屏幕展現出來，這將無法查看指令的功能。調研發現，上課過程中，幼兒經常會問：“老師，下一個該掃哪一個積木？”而這時候授課的老師也很難回答他們所提的類似問題。只能通過啟動機器人來判斷。

此外，掃碼器不夠靈敏。KIBO機器人的掃描器，屬于紅外線傳感器，且感應范圍也小，需要通過條形碼對準掃描器，才可以掃入指令。可是幼兒在使用過程中經常會出現掃碼掃不上或者出現存在著重復掃描的現象。

3.按鍵太單一

KIBO機器人僅有開關機的鍵。而在實踐過程中發現，在機器人的掃碼過程中，極易出現多掃、漏掃、錯掃等現象，而這時候就需要一個刪除鍵來進行改正。KIBO機器人并沒有delete鍵，孩子在掃碼的過程中如果出現錯掃時，就需從頭開始進行掃描，這就會造成學習成本過高，且可能讓幼兒產生厭棄的心理。

4.售價高，普及率低

KIBO機器人在國內是沒有生產銷售的，全都來自于進口，而進口售價又相對比較高，市場的普及率低。調查發現，許多機構的KIBO機器人在上課時，需要五六個甚至更多的小朋友一起共用一個。而學習操作的團隊人數過多，不能很好地發揮小朋友各自的特長，一些不善言辭的小朋友，在團隊中更沒有機會接觸到KIBO機器人，導致一些幼兒對KIBO機器人的操作不足。

5.語言障礙加大學習難度

在上課的過程中，發現帶有條形碼的積木的命令是以英文為主，箭頭為輔。這無疑加大了我國幼兒學習難度，一方面要記住辨別積木上面英文，一方面要理解其表達的意思。可是，很多幼兒方向感與理解能力也不是很強，僅僅通過箭頭來分清楚路徑與方向，但是對于前進和后退兩個又很容易混淆。

三、美國KIBO機器人課程的改進對策

（一）改進機器人外觀，更換車輪

一是把KIBO機器人的輪子換成一種較寬的輪胎，摩擦力較大的轱轆輪，減少地面摩擦力對車輪偏轉的影響。

例如汽車在比較光滑的路面行駛，需要換上防滑的輪胎，來增大與地面的摩擦力。比較而言，自行車遇到障礙物時，如果經過障礙物，自行車收到的偏轉，比汽車的要大。由于kibo機器人的重量是固定的，牽引力無法改變，但是可以改變摩擦力使得正常行駛。

在kibo機器人教學的過程中教師是無法去改變上課時的地板。所以可以改變輪胎。因為輪胎與地面的接觸面積和輪胎面的花紋會直接影響摩擦力。所以可以通過增大KIBO機器人輪胎的接觸面積和增大車輪的花紋。即換一種大一些而花紋多些的車輪，來改善教學過程中KIBO機器人的路線偏移。

二是兩輪改變為4輪，并使得兩側軸距相同，對四輪進行固定。

（二）增加顯示屏

通過在掃碼器上面再加一個顯示屏，通過顯示屏展示出掃入的指令，來解決無法觀看了KIBO機器人僅僅通過掃碼器來輸入指令，掃碼器僅僅用于掃碼，而沒有辦法查看指令的這一缺陷。使得教師在日常教學工作中，及時發現學生掃入的指令正確或錯誤。

（三）添加一個“delete”按鍵

在實踐過程中，如果出現掃碼錯誤，多掃或者漏掃的現象，這時候就可通過一個delete鍵來進行改正。KIBO機器人并沒有delete鍵，如果出現錯掃時，就需從頭開始進行掃描。對于昂貴的幼兒編程課程價格來說，這是一種極其浪費時間和精力的，尤其是對于低齡的孩童來說，多次的重復操作，大多孩子會失去學習的興趣或者是覺得這個過程是痛苦的，產生排斥的心理。

（四）加大幼兒編程自主研發生產

隨著我國科技創新水平的提高，國家對編程教育更加地重視。積極研究、努力豐富我國幼兒編程的課程，對國外編程教育的教學工具進行研究與借鑒，取其精華，綜合創新的研制適合我國幼兒學習與發展的編程教育工具及開發具有我國特色的編程教育課程，使每個幼兒有機會區接觸編程、學習編程，方便幼兒對編程的學習[8]。

基金項目：本文為2020年廣東省科技創新戰略專項（攀登計劃專項）“廣州幼兒編程教育的實證研究——以花都幼兒園為例”的研究成果之一，項目批準號為pdjh2020b1037）

參考文獻：

[1]浙江省深化高校考試招生制度綜合改革試點方案[EB/OL]https：//www.zjzs.net/moban/index/4028485474720c500174721cf8410012.html.

[2]關于加強中小學編程教育的通知[N].重慶晚報，2018-09-19

[3]關于政協十三屆全國委員會第三次會議第3172號（教育類297號）提案答復的函[EB/OL].（2020-12-09）http：//www.moe.gov.cn/jyb_xxgk/xxgk_jyta/jyta_jiaocaiju/202012/t20201209_504364.html

[4]幼兒編程觀察.酷奇編程課程體系介紹[EB/OL].（2020-10-28）https：//www.sohu.com/a/427892890_120867974

[5]Scratch少兒編程網.株洲晚報老年大學引進機器人編程課，想了解一下啵？[EB/OL].（2019-10-22）https：//www.china-scratch.com/news/9076.

[6]鄧磊.幼兒編程實行的分析研究與改進—— 一種幼兒編程游戲卡牌教具[J].數碼世界，2020（03）：115

[7]程藝.美國幼兒編程教育初探[D]上海師范大學，2019：30