在中小學(xué)開展機器人教育的課程設(shè)計研究

趙顯敏 劉海川

摘? 要 創(chuàng)客教育、STEAM教育的發(fā)展，使得機器人教育得到廣泛關(guān)注，許多中小學(xué)相繼開展機器人教育課程。但已有的機器人教育研究視野不夠?qū)拸V，在課程設(shè)計上還缺乏建樹。通過課程分析，依據(jù)課程理論，針對課程設(shè)計的課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、學(xué)習(xí)活動、課程評價四個要素進行探索設(shè)計，以期對中小學(xué)機器人教育教學(xué)實踐提供參考。

關(guān)鍵詞 中小學(xué);機器人教育;課程設(shè)計;創(chuàng)客教育;STEAM

中圖分類號：G633.67? ? 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）03-0086-03

1 引言

隨著教育信息化的發(fā)展，結(jié)合創(chuàng)客教育和STEAM教育特點的機器人教育作為一種新型教學(xué)活動，引起教育研究者和學(xué)校的關(guān)注。2003年，教育部頒布的《普通高中技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）》，首次將“簡易機器人制作”模塊納入中小學(xué)選修科目中[1]。這意味著機器人教育邁入一個普及化新時期。

然而，我國機器人教育正處于起步階段，許多教育工作者正摸著石頭過河[2]。據(jù)調(diào)查顯示，雖然學(xué)術(shù)界不斷提升機器人教育領(lǐng)域的研究，但在實際的開展過程中仍有許多問題存在，如因受眾、地域性差異，學(xué)校重視程度不同等，使得機器人課程建設(shè)尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系;課堂流于形式，大多為競賽服務(wù)，阻礙了中小學(xué)機器人教育的發(fā)展進程。因此，深入開展中小學(xué)機器人課程設(shè)計研究，從課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、學(xué)習(xí)活動和課程評價四個方面探索課程教育新思路，具有重要的現(xiàn)實意義。

2 機器人教育的現(xiàn)狀以及特征

在國外，機器人已經(jīng)走入各級各類學(xué)校，其資源豐富，許多一線教育者引導(dǎo)學(xué)生與多學(xué)科進行整合學(xué)習(xí)。國內(nèi)機器人教育發(fā)展數(shù)十年時間，取得一定成果，但當(dāng)前開展的機器人教育課程設(shè)計者多數(shù)為信息技術(shù)教師，他們習(xí)慣模仿信息技術(shù)課程開展，重基礎(chǔ)知識講授，輕技術(shù)整合，影響了學(xué)生動手能力與創(chuàng)造力的培養(yǎng)。因此，為全面促進學(xué)生發(fā)展，應(yīng)充分考慮機器人課程該如何設(shè)計。

機器人課程具有的獨特教學(xué)理念和方式將成為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和實踐能力的重要手段，作為素質(zhì)教育的載體，機器人課程具有何種特征，課程設(shè)計應(yīng)注意哪些方面，已成為學(xué)校關(guān)注的重點。通過對目前機器人課程的分析，發(fā)行其具有以下特征。

系統(tǒng)性? 機器人課程中每一節(jié)課都是一個小系統(tǒng)，它從屬于單元教學(xué)系統(tǒng)，小系統(tǒng)的目標(biāo)為大系統(tǒng)服務(wù)，又需要具有自身的獨特個性及運作體系，整個教學(xué)環(huán)節(jié)一環(huán)扣一環(huán)，促進學(xué)生從思維、創(chuàng)新、技能三個方面發(fā)展。

創(chuàng)新性? 在課程中，機器人、積木等設(shè)備不能簡單機械地應(yīng)用于教學(xué)。課程內(nèi)容、教學(xué)設(shè)計、教學(xué)模式、評價方式等應(yīng)根據(jù)課程目標(biāo)進行創(chuàng)新，使得課程具有自己的特色。同時，在教學(xué)過程中，學(xué)生不再局限于固定的教學(xué)模式下，可以自由發(fā)揮創(chuàng)新能力。

靈活性? 機器人課程的開設(shè)本身就具有靈活性，既可以作為系統(tǒng)課程，也可以是課外活動。在教學(xué)活動中，機器人教育模式不同于傳統(tǒng)教學(xué)，不用按部就班一一進行，而應(yīng)依據(jù)教學(xué)情境、學(xué)生情況，靈活開展教學(xué)。

開放性? 機器人教育課程應(yīng)具備開放性，不僅限于課堂常規(guī)學(xué)習(xí)，也可作為家庭的益智活動，利用社會眾多資源，連通課上、課下、校內(nèi)、校外，以及引進虛擬機器人教育平臺，鼓勵學(xué)生家長共同參與。

3 機器人教育課程設(shè)計

課程設(shè)計一詞具有多義，既可以指為學(xué)習(xí)某一課程內(nèi)容而進行的設(shè)計，也可以指對某一課程進行教學(xué)策劃的系統(tǒng)化活動。泰勒的《課程與教學(xué)基本原理》一書圍繞課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、經(jīng)驗組織、課程評價四個方面展開，奠定了現(xiàn)代課程理論框架[3]?；诖耍狙芯繕?gòu)建了圖1所示課程設(shè)計模型。

課程目標(biāo)? 課程目標(biāo)既是教學(xué)行為的目標(biāo)和方向，也是教學(xué)活動的起點和落腳點，它規(guī)定著學(xué)生通過一段時間的學(xué)習(xí)所到達的期望程度[4]。課程目標(biāo)一般來源于對學(xué)習(xí)對象、學(xué)習(xí)環(huán)境等的分析。下面通過對學(xué)習(xí)對象分析以及學(xué)習(xí)環(huán)境分析來確定課程目標(biāo)。

1）學(xué)習(xí)對象分析。中小學(xué)生是機器人教育的主要群體。據(jù)調(diào)查，他們中的大多數(shù)對機器人教育課程有著濃厚興趣，但機器人教育中涉及的編程和程序操作等，對中小學(xué)生的抽象思維要求較高，在教師講解過程中容易使學(xué)生注意力不集中，興趣低下。同時，中小學(xué)生對于機器人這門新興科目普遍存在基礎(chǔ)知識不足，創(chuàng)新意識薄弱，實踐能力還需引導(dǎo)，團隊協(xié)助意識不強等問題[5]。因此，機器人課程應(yīng)初步確立以下課堂教學(xué)目標(biāo)：

①知識目標(biāo)：掌握機器人基礎(chǔ)知識，認(rèn)識零件以及了解如何拼接。

②技能目標(biāo)：搭建簡易機器人，進行編程，操作運行，積極參與探討，制訂計劃，與同學(xué)進行分工合作并分享交流。

③情感態(tài)度目標(biāo)：敢于嘗試，具有團隊協(xié)作意識與能

力，能面對困難，解決問題。

2）學(xué)習(xí)環(huán)境分析。機器人教育受到越來越多的人關(guān)注，許多學(xué)者對它寄予厚望，但在實際的課堂開展中并不順利。目前，機器人教育的課程資源、師資配備、實驗場地大多不完善，學(xué)校重視程度不夠，已經(jīng)無法滿足社會需要。因此，為轉(zhuǎn)變學(xué)校觀念，加快課程體系建設(shè)，為學(xué)生創(chuàng)造更好的學(xué)習(xí)環(huán)境，開展機器人課程還需做好以下工作：

①豐富課程資源配置，轉(zhuǎn)變功利觀念，構(gòu)建適合機器人教育的課程體系;

②加強專業(yè)教師的培訓(xùn)工作，引入機器人產(chǎn)品、虛擬實驗平臺等拓寬課堂內(nèi)外聯(lián)系;

③建立學(xué)習(xí)空間、實驗基地等，擴大家庭以及社會參與程度。

通過對學(xué)習(xí)對象分析以及學(xué)習(xí)環(huán)境分析，中小學(xué)機器人教育課程總目標(biāo)是：培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，促進學(xué)生全面且具有特性地發(fā)展。具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）知識與技能：樹立遠大理想，熱愛科學(xué)，自覺關(guān)注科學(xué)發(fā)展;理解機器人概念，關(guān)注機器人未來發(fā)展趨勢以及對社會影響。

2）過程與方法：掌握機器人硬件軟件，能熟練進行編程設(shè)計，搭建符合需要的智能機器人;在機器人課程的學(xué)習(xí)中，能不斷融合其他學(xué)科知識，提升自我創(chuàng)新意識與能力。

3）情感態(tài)度：培養(yǎng)分析、歸納能力，能與同學(xué)進行協(xié)作，對自己與他人作品結(jié)果進行反思;具有豐富的想象力、積極樂觀的態(tài)度，勇于嘗試，保持對世界的求知欲。

課程內(nèi)容? 機器人教育的課程內(nèi)容是課程設(shè)計的核心要素，課程內(nèi)容的選擇應(yīng)符合讓課程實施者更好地開展教學(xué)內(nèi)容的目的。選擇課程內(nèi)容時要注意與課程目標(biāo)方向一致，符合中小學(xué)生的實際需求，同時具有相應(yīng)的挑戰(zhàn)性。

根據(jù)學(xué)生年齡段不同，可劃分為初中高三個等級，其中初級課程進行基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)，中級加入適當(dāng)編程，高級進行綜合應(yīng)用。從目前開展的課程來看，課程內(nèi)容主要包含以下幾個方面。

1）基礎(chǔ)知識：認(rèn)識機器人，包含機器人概念、原理、發(fā)展歷史、應(yīng)用領(lǐng)域等內(nèi)容。

2）機器人硬件：熟悉機器人的元器件、硬件結(jié)構(gòu)，控制驅(qū)動系統(tǒng)，掌握基本的硬件組裝技巧以及操作、維護方法。

3）機器人編程：認(rèn)識編程，熟悉編程環(huán)境，掌握編程方法、原理，進行編程設(shè)計，開發(fā)程序指揮機器人工作。

4）應(yīng)用：該模塊是綜合應(yīng)用，通過前面的學(xué)習(xí)，能在競賽或項目制作中自由運用所學(xué)知識組裝、搭建完成項目。

機器人課程內(nèi)容是多學(xué)科的結(jié)合，在突出自身特色時又與各學(xué)科相聯(lián)系[6]。課程內(nèi)容應(yīng)具有意義，吸引學(xué)生參與探索，并且要具有一定的復(fù)雜性和相關(guān)性，可與信息技術(shù)、數(shù)學(xué)、物理等學(xué)科進行整合，喚起學(xué)生已有知識經(jīng)驗，綜合應(yīng)用各學(xué)科知識，以“做中學(xué)”的方式促進學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新實踐能力發(fā)展。

學(xué)習(xí)活動設(shè)計? 學(xué)習(xí)活動是指學(xué)生群體與教師或?qū)W習(xí)伙伴為完成特定目標(biāo)而進行的操作總和。學(xué)習(xí)活動過程包含教師活動與學(xué)生活動，應(yīng)構(gòu)建“做中學(xué)”并延伸到“學(xué)中創(chuàng)”的學(xué)習(xí)模式，學(xué)生通過模仿教師進行學(xué)習(xí)，最終實現(xiàn)自我創(chuàng)新。

1）知識學(xué)習(xí)。通過情境創(chuàng)設(shè)，教師引導(dǎo)學(xué)生積極參與并通過課件演示和講解等方式輸入基礎(chǔ)知識;學(xué)生通過基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，了解機器人的概念等常識性知識，思考提問并積極參與討論，形成一定知識儲備，保證下一步的學(xué)習(xí)創(chuàng)作。

2）模仿創(chuàng)造。教師講解實驗項目，通過操作或功能展示，讓學(xué)生了解項目特點、重難點以及注意事項;學(xué)生通過理解以及觀察教師操作，明確自己的任務(wù)，在教師的指導(dǎo)下進行操作模擬，也可以分組與同學(xué)進行自主探究，激發(fā)自我創(chuàng)造潛能與團隊合作意識。

3）任務(wù)驅(qū)動。教師發(fā)布任務(wù)，創(chuàng)設(shè)相應(yīng)情境，設(shè)定比賽規(guī)則;學(xué)生分組競賽，通過頭腦風(fēng)暴進行討論，設(shè)計方案，明確分工，整個過程自己動手實踐，利用多媒體手段解決問題;教師最后進行統(tǒng)一點評。

4）分享交流。教師組織分享活動，引導(dǎo)學(xué)生積極參與，并進行現(xiàn)場的指導(dǎo)答疑;學(xué)生可采用PPT等形式進行成果展示，分享自己在制作過程中遇到的問題和收獲，以達到認(rèn)知、行為、情感的發(fā)展。

課程評價? 課程評價是檢驗課程設(shè)計效果的有效方式，并依此進行課程改進。隨著機器人競賽的蓬勃發(fā)展，學(xué)校開展的機器人課程更多服務(wù)于競賽，以競賽成績?yōu)橐罁?jù)，忽視了機器人教育的隱性效果，即培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)作能力與動手能力。因此有必要建立評價內(nèi)容、評價方式多元化的評價模式，轉(zhuǎn)變學(xué)校以及社會的功利性觀念，有效地改進教學(xué)，推進基礎(chǔ)課程的順利實施。

1）內(nèi)容的多元化評價。評價內(nèi)容應(yīng)與課程目標(biāo)一致，除掌握學(xué)科知識外，還應(yīng)依據(jù)課程目標(biāo)從學(xué)生的創(chuàng)新能力、編程能力、綜合應(yīng)用能力、觀察能力、學(xué)習(xí)的態(tài)度與方法等多方面進行評價。

2）形成性評價。學(xué)生的學(xué)習(xí)效果通過形成性評價進行判別。教師可以通過記錄活動日志以及評價量表觀察學(xué)生各階段的學(xué)習(xí)情況、作業(yè)情況，幫助學(xué)生認(rèn)識學(xué)習(xí)過程中存在的問題，并獲取教學(xué)反饋信息，及時進行教學(xué)反思和調(diào)整，以更好地促進學(xué)生學(xué)習(xí)。同時，學(xué)生之間、小組內(nèi)部可進行互評，使學(xué)生站在不同角度給出更多建議。

3）總結(jié)性評價?？偨Y(jié)性評價一般是在課堂教學(xué)完成時，為教學(xué)活動的最終效果進行評價。教師通常通過期末考試、結(jié)業(yè)考試等方式進行判定，從多維度評價學(xué)生是否掌握所學(xué)知識，創(chuàng)新實踐能力是否有所提高。

4 結(jié)語

機器人教育是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的有效活動，通過機器人課程，學(xué)生獲得一個創(chuàng)作空間，沒有傳統(tǒng)課堂的更多束縛，自由發(fā)揮想象，促進自我發(fā)展。隨著機器人教育在中小學(xué)課堂的普及和深入，許多問題也將逐漸顯露，如技術(shù)不斷更新、學(xué)生的差異性、機器人教育的特殊性等使得機器人課程設(shè)計對教育工作者來說是一個巨大挑戰(zhàn)。本文對機器人教育的課程設(shè)計進行了一定的理論和實踐探究，深度和廣度存在不足，在今后的實踐過程中需要不斷地調(diào)整和更新。同時希望更多的一線教育工作者提出寶貴的意見，為我國的機器人教育貢獻一份力量?！?/p>

參考文獻

[1]王同聚.中小學(xué)機器人教學(xué)中“微課”的制作與應(yīng)用研究[J].中國電化教育，2014（6）：107-110.

[2]王同聚.“微課導(dǎo)學(xué)”教學(xué)模式構(gòu)建與實踐：以中小學(xué)機器人教學(xué)為例[J].中國電化教育，2015（2）：112-117.

[3]張元立.面向師范生的“機器人教育”課程設(shè)計與資源開發(fā)研究[D].重慶：重慶師范大學(xué)，2017.

[4]余顯志.STEM教育理念下的慧魚機器人課程教學(xué)設(shè)計研究[D].廣西：廣西師范大學(xué)，2017.

[5]鐘柏昌，張祿.我國中小學(xué)機器人教育的現(xiàn)狀調(diào)查與分析[J].中國電化教育，2015（7）：101-107.

[6]張爽.創(chuàng)客教育視域下中小學(xué)機器人教學(xué)活動設(shè)計研究[D].江蘇：江南大學(xué)，2017.