創客視域下少兒機器人課程設計與實踐

萬冰慧 楊穎

關鍵詞：創客教育；少兒機器人課程；國際創客大賽；編程項目；教學實踐

0 引言

隨著大數據和人工智能技術的發展，創客教育因其注重動手實踐、創新意識與能力以及協同性等特征與基礎教育改革要求的培養創新型人才的目標不謀而合。而創客教育與STEM教育、機器人教育等教學活動的融合與發展也受到眾多教育研究者的關注和興趣。與傳統課程相比，創客教育多以體驗、協作、探究等方式讓學生圍繞核心任務展開創造性活動[1]，教學內容也更為豐富，包括機器人設計與制造、智能編程、3D打印技術、無人機（空中機器人）、App Inventor 與機器人融合、Scratch與機器人融合及VR技術應用等[2]，能夠一定程度彌補傳統課堂的不足，而少兒機器人課程作為創客教育的主要載體，為普及創客教育的相關知識，推動創客教育活動的開展起著非常關鍵的作用，因此本文以少兒機器人課程教學為載體，探索創客教育的實施途徑。

1 少兒機器人課程教學現狀

2018 年教育部發布的《教育信息化2.0》明確指出：“要充實適應信息時代、智能時代發展需要的人工智能和編程課程內容[3]”。國家出臺的相關政策與文件明確指出編程教育對于培養創新型人才的重要性。編程課程關注的不僅是計算機語言的學習，更是編程思維的培養，也就是自主發現問題、分析問題、解決問題的能力[4]。作為人工智能教育的入門課程，機器人課程不僅成為小學信息技術實踐課程開展的重要形式，也成為落實創客教育理念的最佳入口。隨著機器人教育的不斷發展，面向中小學生的國際及國內機器人賽事也逐漸增多，各個學校也逐漸引進機器人特色課程與相關教育資源以培養學生的核心素養，為培養當前中小學生的動手能力、合作交流能力、計算思維及創新思維等核心素養，多所學校采用“以賽促學”教學模式，促使教師不斷地將競賽主題的相關試題所包含德育課程項目相結合，在普及機器人競賽知識的同時教師的專業水平也得到很大提升[5]。但目前大部分中小學仍缺乏系統的機器人課程和資源，且在校內多以社團活動的形式開展，更多是培養少數優秀學生參加機器人競賽。對于課堂中多數學生學習過程的關注較少，且課堂教學整體質量不高。

2 創客理念下少兒機器人課程教學設計

2.1 ICMC 國際機器人創客大賽簡介

為開展中小學機器人教育，推廣人工智能相關創新活動，自2015年起，中國系統工程學會聯合上海市系統工程學會在全國超過20個城市舉辦ICMC國際機器人創客大賽，至今已成長為全國極具影響力的青少年機器人科創展示交流活動。大賽根據能力以及年齡階段分為機械組、動力組、智能組等，其中智能組通過EV3機器人搭建結合樂高模塊化編程軟件LegoMindstorms編寫程序，重點在于考查學生的動手能力、邏輯思維能力以及程序設計能力。2022年12月IC?MC機器人大賽項目主題確定為“月球基地大冒險”，智能組以“智能維修發電機”項目為主題，要求參賽者合作設計并搭建智能機器人，通過編寫程序運行機器人完成項目指定任務。參賽者以3人團體為單位完成搭建以及程序編寫任務，完全現場獨立編程，其中主機、軟件中無基礎軟件環境外的其他程序，全程使用機器人結構零件必須僅來自LEGO SPIKE 45678+45680與EV3 45544+45560套件列表

2.2 基于ICMC 的少兒機器人課程教學設計

1）教學目標

項目要求學生運用數學、物理、工程等跨學科知識設計并搭建機器人模型，因此學生需要靈活運用跨學科知識解決項目實施過程中出現的問題或突發情況，并且能利用多學科知識驗證自己設計的解決方案。搭建完成后學生需要分析任務要求、分解問題、通過設計程序代碼、調試程序參數，在這個過程中要求學生具備問題解決能力、溝通合作能力以及計算思維及邏輯思維等綜合素養。

2）學習者特征分析

ICMC機器人創客大賽智能組要求3～14歲青少年以3人小組合作的形式參與比賽，因此研究選擇云南省K市各機器人社團與機構中相應年齡階段的12名學習者參與教學實踐。12名參賽者學習樂高相關課程時間均超過一年，能夠掌握EV3機器人基礎搭建方法與技巧，且對于比賽具有較高的興趣，但缺少參與賽事項目經驗。因此在教學實踐過程中遵循組內異質、組間同質的原則，對參賽者進行分組教學，保證參賽者與其他人進行合作的意識，鼓勵選手之間互助交流，著重強調編程思維、計算思維以及合作交流等素養和能力的培養。

3）教學內容

“智能維修發電機”項目要求參賽選手現場設計并搭建好符合項目要求的機器人后，編寫程序使機器人從起點區出發，識別目標軌跡，按軌跡行駛到太陽能發電裝置的指定地點，然后尋找到缺失的齒輪，再行駛到備用零件架，拿取相應的齒輪，返回至發電裝置，安裝齒輪至缺失位置，任務完成后返回初始位置。

學生在此過程中需要不斷進行測試、修改結構以及程序參數。要求參賽選手在30分鐘內以最快速度順利完成所有項目任務。教學采用階段性任務分解的方式，將項目內容分為七項任務，如表1所示。

完成項目需要理解并運用的知識要點如下：? 機器人結構設計原理，如轉向結構、軌跡采集結構、缺失零件識別結構、零件抓取/放下結構等。 EV3主要控制器的使用方法，包括集線器、電機、紅外線傳感器、運動傳感器、顏色傳感器的使用等。 數學計算結合程序編寫，如需要計算路徑、速度與時間之間的關系、判斷傳感器與抓取結構之間的距離對于抓取任務效果的影響等。

4）教學過程

① 規則介紹，制定方案

課程開始前教師講解挑戰任務以及賽事規則，明確比賽任務、要求、時間以及計分標準。為了讓學生體會到競賽場景，重視比賽規則，激發學生的編程興趣，課程首先播放教師制作的參考模型任務挑戰視頻，更加生動形象展示每一項任務，激發孩子的挑戰欲望，梳理比賽的準備工作、計劃大綱以及注意事項。

② 任務分解，模型設計

項目包含教學內容中的七項任務：行駛至太陽能發電裝置位置、尋找缺失齒輪、行駛至備用零件架、準確抓取相應缺失齒輪、返回裝置位置、安裝齒輪至缺失位置并嚙合、返回出發區，通過分解完成每項任務需要實現的功能總結得出模型所設計的STEM跨學科知識。

③ 分解結構，搭建模型

學生需要思考用哪種傳感器采集相應數據，并分析得出什么樣的機械結構才能夠順利完成對應操作，為每項任務對應所需要的傳感器、選用結構及原因：

④ 編寫程序，調試參數

模型搭建完成后，將編寫的程序依次下載至機器人中，進行聯調。同學們需要不斷地測試、調整程序的參數，使機器人可以準確到達相應地點并完成相應數據采集或操作。在聯調過程中，教師會按照七項任務的程序調試，分別向同學們講解程序調試的方法，以及如何做到故障程序或問題結構的迅速定位，使程序和結構之間順利銜接完成本次挑戰。

⑤ 作品展示，匯報成果

結束搭建和編程環節后，學生需要以小組為單位，匯報項目完成的整個流程，其中包括作品搭建過程中所用到的STEM跨學科知識、作品結構的功能實現以及程序編寫邏輯、作品搭建以及完成后運行過程中出現的問題以及解決方式、作品調試過程中的改進理由以及經驗總結等內容。

3 教學建議

ICMC機器人創客大賽項目式的競賽方式能夠提供充足的發揮空間以及多種可能，但參賽者在備賽期間也會出現一些常見問題：如隊員之間對于機器人搭建以及編寫程序方面的能力基礎不同，因此合作過程中出現協作困難；由于教學項目內容較多，因此學生在此過程中興趣降低且任務完成程度不高；教學過程中如何根據具體內容或目標選擇合適的評價方式；家長及學校對于機器人競賽的重視程度較低等問題。筆者結合教學實踐過程中出現的如上問題以及指導過程中的經驗提出以下三點建議。

3.1 教學內容：多元融合不同領域

創客教育強調實踐、探究和創造的精神契合了當前“大眾創業，萬眾創新”的時代背景，但在實際教學中卻很難做到與學生實際生活和學科教學內容相聯系，課堂中的知識難以遷移到現實問題的解決中。究其原因：創客教育所覆蓋的學科內容廣泛，然而實際教學中難以系統科學地規劃知識框架，且缺乏相應的課堂教學模式、專業豐富的教學資源支撐以及科學成熟的評價方式。據此可以將創客教育與注重跨學科知識與思維的STEM教育相結合，二者都重視學生的綜合能力，但STEM教育更加注重學生的跨學科多元思維，彌補教學設計過程中缺乏系統知識的不足。據此還能夠利用智能機器人、開源軟硬件、虛擬現實（VR）等課程內容的載體適當選擇其他領域的教學內容，主動與其他學科建立關聯，以形成更加科學、多元、跨學科的課程體系。

3.2 教學過程：指向創造性解決問題

創客教育下的機器人課程強調“做中學”，而在“做”的過程中又包括模仿、觀察、探究、實驗來組織教學[6]，不同的實踐環節為學生提供了充足的機會投入問題解決的過程，但由于項目式教學方式進行周期較長，學生在不同實踐環節中出現的問題也較多，因此教師要為學習者提供豐富的、具有擴展性的課程資源作為學習支架，幫助學習者發現問題后自主探究解決方案，并推動學習者將學習成果作品化，促進多學科知識的融合和綜合運用，在此過程中鍛煉學習者問題解決與知識遷移的能力，創造性地解決問題，從而使學習更有意義[7]。

3.3 評價方式：根據教學內容動態評價

創客教育下的機器人課堂涉及方案制作、作品模型設計與搭建、程序編寫與調試、作品展示與分享等多個環節，因此只有多元化的評價體系才能夠對于學習者的成績與表現進行綜合評價，發揮評價的鼓勵、診斷和促進作用。在本次教學實踐中，除了采用評價量表詳細記錄學生作品的創造過程和能力發展外，也對學生的知識技能掌握程度進行了測評。除此以外，為了提高評價結果的全面性，還需根據教學內容的不同特征和性質進行調整，也可以通過不同主體從多個角度進行評價，并貫穿整個教學過程。如側重方案設計、制作與完善的課堂環節就需要更加關注學生的參與程度、交流頻率以及創意想法；而側重于模型設計、動手搭建、程序編寫與調試等內容時就需要更加關注學習者的動手能力、問題解決能力以及知識掌握程度。評價的內容可以從問題解決能力變化情況、對學科核心概念的理解情況、模型搭建及小組匯報等方面開展，教師在這個過程中要扮演好指導者、觀察者和記錄者的角色，收集學生在整個課堂過程中的形成性評估資料，以調整教學策略，提升教學效果。

4 結語

本研究在創客教育視域下，結合國際創客大賽機器人項目進行教學活動設計與實踐，并根據文獻查閱和教學案例的實踐經驗對于創客教育的教學目標、內容及評價等方面提出部分建議。但在創客教育理論下的教學項目實踐過程中仍存在活動設計脫離真實情境、活動缺乏與跨學科之間的聯系、基礎設施建設較少以及課程資源不夠豐富等問題[8]。未來可以搭建創客空間，開發豐富的教學資源和實踐工具，作好基礎設施建設和構建多方協調機制等方面出發進行進一步探究。