創客教學法在“機器人編程”教學中的應用

于欣彤，于 萍

（吉林師范大學數學與計算機學院 吉林 四平 136000）

1 研究背景

2017 年，國務院印發《新一代人工智能發展規劃》，人工智能逐步向中小學生擴展[1]。機器人教學能培養計算思維，鍛煉學生的創新能力、團隊協作能力。但傳統的教學方法已不適用于當前機器人教學的需求。近年來，許多專家、學者研究出新的教學方法，并將其應用于機器人教學，取得了良好的教學效果。基于此，本研究融合了創客教學法的思想，在東豐縣少年宮的機器人興趣社團中實施，并總結和歸納了相關策略，期望通過筆者的研究能為機器人教學提供一些新思路。

2 相關概念

2.1 五步創客教學法

“創客+教育”的提出，為后來創客教育的發展奠定了基礎。專家通過努力研究出一系列可用于教學實踐的創客教學法。在遵循創客教育理論的基礎上，黎加厚教授提出了五步創客教學法，即創意、設計、制作、分享、評價。本文把五步創客教學法應用于青少年機器人教學中，將上課的過程劃分成五個模塊，教師根據每個模塊的特點進行設計，使得學生在每個環節教學活動中都有所收獲[2]。

2.2 全國中小學生信息技術創新與實踐大賽

本研究主要采用“以賽促教”的形式進行，這當中的“賽”則是全國中小學信息技術創新與實踐大賽（下文簡稱NOC大賽），它屬于教育部公布的白名單賽事，共分為三個組別，分別是小、中、高三組。以2022―2023 學年NOC 大賽的人形機器人任務挑戰的比賽項目作為教學內容，機器人從開始區出發，完成翻山越嶺、智能道閘、拆彈專家、搬運物資4 個任務。在為期半年的機器人編程教學后，為測試學生的學習成果、提高學生的實踐能力，筆者帶領社團學生參加了NOC 大賽。

3 教學要素

3.1 創客空間

開展創客教育需要設計開展機器人編程教學的專門教室，即創客空間。創客空間是師生開展機器人教學的必備場地，在編程教學中具有重要的作用。本研究所用的創客空間由20 臺電腦、7 臺機器人、一個展示臺、一塊白板、一個零件收納柜組成。

3.2 教學工具

在對比各大教育版人形機器人后，本研究選取樂聚公司出品的AELOS 人形機器人作為教學工具，它全身集成了17 個新一代高韌性強扭矩復合材料舵機和高階運動控制算法，除擁有AELOS系列一貫的靈活穩定特性外，性能和壽命有了進一步提升；并采用該公司配套的aelos_edu 編程軟件進行教學。

3.3 教學內容

一方面，人形機器人不像其他編程工具比如樂高積木，只需進行動作編程。所以，如果采用傳統的學習方法，學生會覺得枯燥乏味。另一方面，目前關于青少年編程沒有可用的教材，教學資料也較少。本研究決定采用“以賽促教”的方式進行青少年機器人編程教學，使得機器人的學習內容有跡可循，學生的學習結果也有證可查。教學內容分成三個階段，一是基礎篇，它是編程入門級課程，主要講解編程的基本知識。大致包括機器人及軟件的使用、三種基本語句、視覺模塊和傳感器模塊的使用、簡單的動作編程等；二是進階篇，它是編程中級課程，主要內容是機器人聯網操作、人臉識別、視覺追蹤、顏色躲避、動作關鍵幀的建立等；三是應用篇，它是編程高級課程。前兩個階段學生已經了解編程知識網，這一階段需要把所學知識應用于實際問題中，關鍵在于把各個知識點進行融合。主要內容有機器人足球賽、接力賽、高爾夫賽、走迷宮、舞蹈動作設計等。三個階段相輔相成，前兩個階段為后一階段奠定夯實基礎，后一階段為前兩個階段查漏補缺。

3.4 教學對象

本研究選擇的教學對象是東豐縣校外輔導中心中創客興趣社團的20 名青少年。該階段的學生正值少年期，身體各方面機能發展迅速，已經具備抽象邏輯思維，可以獨立思考問題，并且曾在少年宮學習過樂高積木編程，具有一定的編程基礎。教師要調動他們的求知欲、好勝心，促使他們主動地成為課堂的主導者。

4 五步創客教學法

4.1 創意

教育2.0 新時代，是學生“創意”式學習的新時代，而“創意”作為創客教學法的第一步，為學生培養創新能力奠定了堅實的基礎。在機器人編程的課堂上，首先，教師需給學生一個主題。這個主題要包含所學知識點，還要具有趣味性。比如“火眼晶晶”“滅火先鋒”“探險迷宮”等[3]。其次，通過主題演示，讓學生在腦海中勾勒出自己的想法，并用流暢的語言將自己的想法表達出來。例如：一個人跑步是枯燥無味的，但接力賽跑就大大提升了趣味性。作為熱愛運動的機器人AELOS，自然也要參與到接力賽的項目中來。所以可以大膽把人類接力賽和機器人相結合，創設出接力主題。當移動物體靠近自動門體時，門就會自動打開，當移動物體走遠后，此門又會自動閉合。NOC 大賽大膽把自動門和機器人相結合，創設出“智能道閘”主題，學生根據教師提供的主題進行思考。機器人通過紅外測距傳感器自主識別道閘的位置，并用雙手升起閘門并通過閘門，視為成功。“拆彈專家”（打倒規定顏色的海綿柱）主題中，爆炸物和非爆炸物顏色為紅色、綠色和藍色，隨機抽取任意兩種顏色為爆炸物和非爆炸物。機器人需要通過視覺自主識別爆炸物，成功拆除（打倒）爆炸物，并發出拆彈成功聲音視為拆彈成功。

4.2 設計

五步創客教學法的第二步是“設計”，它是實現成果的重要步驟，即要把第一步的主題創意具體化。要將設計體現在作品上，這個過程需要搜集必要的資源，在設計中遇到的一系列問題，都是學習者應該考慮的問題。在機器人編程的課堂上，這一系列問題指的就是問題的分析和算法的設計。編程教學的核心是對編程思維和問題解決能力的培養。算法的設計是教學的重點，教師在教學中需引導學生將大問題肢解成一個個小問題[4]，隨后分步解決小問題，再進行下一步驟具體編程，為下一階段的制作奠定夯實基礎。在此過程中，可以引導學生自主設計流程圖，用流程圖的方式把算法設計呈現出來。例如，在“搬運物資”主題中，要把創意具體化，搬運物資（搬運海綿塊）可以是抱起方塊、抱箱左轉、抱箱右轉、抱箱前進、放下方塊五個動作。為了避免誤操作也可以加入抱箱后退這個動作。這個階段要仔細聆聽學生的想法，避免方向錯誤，但不要給學生統一的標準答案，以保證設計結果的多樣性。

4.3 制作

五步創客教學法的第三步是“制作”，需要把第一步的創意和第二步的設計具體化。創客理念下的教學，需要創設出可行的成果。如果不具體制作，那么所有的想法都是空談。一開始學生可能不知從何下手，可以由教師根據流程圖適當講解后再由學生操作。例如上文提到的“拆彈專家”主題，將其分解成三個任務。任務一：定位擊打；任務二：設計擊打動作；任務三：報移除聲音。其中任務一是最難的，機器人先通過RGB 顏色追蹤，發現爆炸物，再通過坐標的POS值檢測出爆炸物上下左右位置，如果爆炸物偏移了中心點，可以通過機器人左右移動進行矯正，從而讓機器人能準確地向爆炸物前進。教師可以引導學生畫出定位擊打的流程圖，并且每一個任務在學生制作之前進行適當講解。

4.4 分享

在機器人編程的課堂中，學生自己制作程序后，向同學演示并講解自己的程序，一方面可以查漏補缺，改進自己的程序，另一方面可以鍛煉學生的語言表達能力。這為后續NOC 大賽的答辯環節奠定了夯實基礎。以小組為單位派一個代表上臺分享作品。大部分同學表示，在將任務進行分解之后，能夠更好地理解項目，每一個分解的任務點對應一個或兩個編程模塊，能夠讓他們有更清晰的思路進行編程。部分同學分享了在編程過程中遇到的問題及解決的辦法。例如，在上文提到的“搬運物資”主題中，學生小組完成任務后，需要在展示臺演示并講解自己的作品，第一步：機器人需保持站立狀態；第二步：雙手前伸，腿部微微彎曲；第三步：機器人腿部下蹲；第四步：準備抱方塊；第五步：機器人手臂收攏，開始抱住方塊；第六步：抱住方塊后，準備起身；第七步：機器人抱住方塊，開始起身。這個過程有兩個小組做的動作重心不穩，導致抱起方塊時，機器人會前傾，甚至倒地。在分享過程中，學生及時發現了自己的錯誤，教師讓學生聯系生活實際，思考自己下蹲時身體各部分的承重，學生恍然大悟：重心向前傾時應該添加剛度針，使腿部更有力量，以此來增強穩定性。

4.5 評價

所有的評價都應該是多維度的，第四步分享后，緊接著需要學生和老師進行評價。評價則需要具體明確的量規，并且這個量規應該是由學生和老師共同制訂的。例如，學生評價需要按照學生的評價標準。在上文提到的“拆彈專家”主題中，如果機器人成功拆除（打倒）爆炸物且非爆炸物處于站立狀態，同時機器人發出拆彈成功聲音，則視為成功，獲得60 分。任務執行過程中如果非爆炸物被打倒，扣20 分。任務執行過程中如果機器人拆除爆炸物后沒有播放拆彈成功聲音，扣20 分。而教師評價需要按照學生調查表，學生調查表中可能包括課堂參與度、團隊合作、創新創造、遵守紀律、問題解決、情感態度、跨學科知識應用能力等。

5 結果分析

本研究通過“以賽促教”的方式進行結果分析，在2023年5 月，筆者帶領東豐縣校外輔導中心中創客興趣社團的七支隊伍（兩人一隊）參加了2023 年NOC 吉林省賽，在比賽過程中選手根據具體任務采取不同的策略，合作默契，編寫出一個又一個思維縝密的程序，并耐心調試，最后完美通關，展現了選手的隨機應變能力、團隊協作能力。在答辯環節，選手們面對裁判員的審問，談吐清晰、落落大方、自信滿滿，吐字清晰地說出自己的想法和實施過程[5]。經過激烈角逐，其中一支隊伍榮獲省賽一等獎、兩支隊伍榮獲省賽二等獎、兩支隊伍榮獲省賽三等獎，獲獎率高達85%。指導教師也因此被評為優秀輔導員。

通過平時觀察、比賽成績和與參賽選手的談心，筆者發現創客教學法對學生計算思維和編程能力的培養至關重要。美中不足的是：六支隊伍在省賽取得名次后，自動晉級到7 月份的國賽，但由于種種原因，學生沒有參加這次的國賽。一是國賽比賽場地是內蒙古包頭市，距離師生所在的省份較遠；二是比賽時間是7 月份，正值期末考試來臨之際，學生主要任務是為一學期的努力學習畫上完美的句號，沒有太多精力；三是入圍隊伍較多，指導教師有限……希望來年有機會可以再創輝煌。

6 結語

本研究把五步創客教學法應用于青少年機器人編程教學中，在為期半年的實驗中，提升他們對編程的興趣、注重培養學生的創新思維和團隊協作能力。教師由課堂知識的傳授者，變成課堂的指導者，幫助學生更好地成長。但本研究的學生數量較少，數據說服力不足，應該在以后的研究中擴大教學范圍。由此可見，要想把創客教學法真正應用于實踐中，還有很長的路要走。但是通過“以賽促教”的方式進行結果分析，學生獲獎率高達85%。由此說明五步創客教學法對學生創新思維、團隊協作能力的培養具有重要意義。希望本研究可以為創客教學法提供一些新思路。