審視青少年機器人創(chuàng)客教育

□文/毛澄潔

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審視青少年機器人創(chuàng)客教育

□文/毛澄潔

近年來，機器人教育開始受到廣泛關(guān)注，特別是近些年來產(chǎn)生的創(chuàng)客運動、創(chuàng)客文化與創(chuàng)客教育，促進機器人教育開始走向機器人創(chuàng)客教育。經(jīng)過了十多年的積累，我國機器人教育目前發(fā)展如何？中國與國外又有何差別？梳理現(xiàn)狀，提出對策，有利于我們撥云見日，與時偕行。

毛澄潔 北京景山學(xué)校高級教師、北京市東城區(qū)信息技術(shù)學(xué)科帶頭人、2014年Google獎教金獲得者

人類進入21世紀(jì)，科技進步日新月異，令人目不暇接。美國進入了“新硬件時代”，德國進入了“工業(yè)4.0”時代，中國則進入了“互聯(lián)網(wǎng)+”時代。

2016年2月，美國波士頓動力公司（Boston Dynamics）展示的人形機器人Atlas最新版，讓世人震驚。在官方視頻中，可以看到Atlas自己打開門后，在雪地中行走；遇到腳滑現(xiàn)象的時候，也可以通過自主的平衡控制能力在雪地中爬起，繼續(xù)行走；在被人打倒后也能夠自己站起來，還可以檢測環(huán)境，自主完成一些簡單的搬運工作……這些無疑都標(biāo)志著機器人制造水平的新高度。

3月15日，代表人工智能巔峰水平的“AlphaGo（阿爾法狗）”利用高超的運算能力和縝密的邏輯判斷，以4∶1的絕對優(yōu)勢擊敗世界圍棋頂尖高手李世石，讓世人對人工智能刮目相看。

在驚呼技術(shù)的飛速發(fā)展和生活方式的巨大變化的同時，人們開始思考如何應(yīng)對這些變化。機器人產(chǎn)業(yè)是一個國家科技水平的重要標(biāo)志之一，也是改進21世紀(jì)技能的有效工具，大力發(fā)展機器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略。

對于教育而言，機器人創(chuàng)客教育有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、合作能力、自主學(xué)習(xí)能力、交流能力、社會和跨文化技能，以及社會責(zé)任感。因此，在K12教育體系內(nèi)普及機器人教育，培養(yǎng)未來人才，是實現(xiàn)“制造大國”邁向“制造強國”的教育基礎(chǔ)之一。

最近被社會各界廣泛關(guān)注的創(chuàng)客文化、創(chuàng)客空間或者創(chuàng)客教育，其主要內(nèi)容也是圍繞機器人的設(shè)計與創(chuàng)作展開的。創(chuàng)客教育為中小學(xué)機器人教育提供了新的發(fā)展平臺和外在動力，創(chuàng)客文化為整個教育的信息化與現(xiàn)代化創(chuàng)設(shè)了必要的外部條件。但是，機器人創(chuàng)客教育作為一種具有時代鮮明色彩和技術(shù)特點的教育形式，其普及與進展情況如何？面臨何種困難？將走向何方？

圖1　美國機器人教育的四種形式

國際機器人教育的發(fā)展概況

國際機器人教育情況以美國的機器人教育為代表。早在1994年，美國麻省理工學(xué)院（MIT）就設(shè)立了“設(shè)計和建造LEGO機器人”的課程，目的是提高工程設(shè)計專業(yè)學(xué)生的設(shè)計和創(chuàng)造能力，嘗試機器人教育與理科實驗的整合。

美國基礎(chǔ)教育中的機器人教育主要有四種形式：一是機器人技術(shù)課程，一般開設(shè)在技術(shù)類課程中，其中教育計劃與項目占大多數(shù)，主要為選修課；二是課外活動，類似我國的綜合實踐活動課程； 三是機器人主題夏令營等定期活動； 四是利用機器人來輔助其他課程的教學(xué)或者作為一種研究工具來培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，同時學(xué)習(xí)機器人的技術(shù)知識。其中，把機器人教育列入課程，以課程為載體讓學(xué)生系統(tǒng)地、有步驟地學(xué)習(xí)和應(yīng)用機器人技術(shù)，是開展機器人教育的最佳形式，也是目前美國機器人教育的發(fā)展趨勢。

美國麻省理工學(xué)院（MIT）開設(shè)有認(rèn)知機器人學(xué)、機器人學(xué)導(dǎo)論、自控機器人設(shè)計競賽、機器人編程競賽等課程。這些課程結(jié)合各個專業(yè)所需以及當(dāng)今機器人技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，分別開設(shè)在航空航天學(xué)、機械工程學(xué)和電氣工程與計算機科學(xué)中。開課形式有兩類，一類是在整個學(xué)期中開設(shè)。例如，認(rèn)知機器人學(xué)、機器人學(xué)導(dǎo)論；另外一類是在麻省理工學(xué)院的獨立活動期間開設(shè)的，從一月的第一個星期到月底為期4周的特別學(xué)習(xí)期，例如自控機器人設(shè)計競賽和機器人編程競賽。它的課程評價形式也非常具有借鑒意義，除了常規(guī)考試外，MIT機器人課程學(xué)習(xí)都要求有實質(zhì)性的成果。自控機器人設(shè)計競賽課程要求最終制作一個實體機器人，而機器人編程競賽則必須提交一個游戲?qū)?zhàn)選手作為自己的實質(zhì)性成果。

整體而言，美國的機器人教育起步早、形式多樣，教學(xué)以“做中學(xué)”為主，主要培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)造能力，并涉及機器人技術(shù)的最新成果。

美國隨著進入“新硬件時代”，近些年掀起了極客（Geek）運動和創(chuàng)客（Maker）運動浪潮，創(chuàng)客運動反映在教育領(lǐng)域即創(chuàng)客教育。廣義的創(chuàng)客教育強調(diào)培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新精神與創(chuàng)造能力，學(xué)習(xí)者即創(chuàng)造者，學(xué)習(xí)過程也是創(chuàng)造過程，將學(xué)習(xí)者不同的想法變成現(xiàn)實等。狹義的創(chuàng)客教育對于學(xué)習(xí)者而言算是一種業(yè)余愛好，更多是鼓勵學(xué)習(xí)者有效地使用數(shù)字化工具（包括開源硬件、3D打印、計算機、小型車床、激光切割機等），培養(yǎng)學(xué)生動手實踐的能力。因此，創(chuàng)客教育大于機器人創(chuàng)客教育，而機器人創(chuàng)客教育深于創(chuàng)客教育。隨著創(chuàng)客運動的發(fā)起，美國機器人教育進入了快速發(fā)展新時期，具有鮮明的機器人創(chuàng)客教育特點。

圖2　機器人課程的學(xué)習(xí)過程示意圖

我國機器人教育的三個發(fā)展階段

我國機器人教育始于2000 年，迄今為止，經(jīng)歷了機器人教育嘗試期、機器人教育推動期和機器人創(chuàng)客教育時期三個階段。

機器人教育嘗試期（2000年—2000044年）

該階段是我國機器人教育的起始階段，少數(shù)學(xué)校憑經(jīng)驗開展了機器人教育試驗。北京和上海是我國較早開展機器人教育的城市。早在2000年，北京景山學(xué)校以前瞻性的眼光，率先派教師參加了智能機器人的培訓(xùn)，培訓(xùn)結(jié)束后，第一時間在教學(xué)中開展了智能機器人的科技活動。

2001年，北京景山學(xué)校計算機教研組長率先向?qū)W校提出了在景山學(xué)校開展智能機器人普及教育試驗的建議，提出了“從景山學(xué)校畢業(yè)的學(xué)生都要接受智能機器人教育”的行動口號，并提出了“將智能機器人內(nèi)容的教學(xué)納入到信息技術(shù)教育課程中”的建議。在2001年，上海市西南位育中學(xué)、盧灣高級中學(xué)等學(xué)校開始以“校本課程”形式進行機器人普及教育的探索和嘗試。

2002年，北京景山學(xué)校在直升班進行了智能機器人課程的教學(xué)試驗。在四年級同學(xué)中開展了智能機器人的課外小組活動。在六（5）和七（5）班進行了智能機器人的教學(xué)試驗。

2003年，北京景山學(xué)校在七年級、高二年級開設(shè)了智能機器人課，編制了《初中機器人教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計綱要》，制作了《初中機器人學(xué)習(xí)園地》網(wǎng)站，開展了基于網(wǎng)站資源的教學(xué)模式實踐。

圖3　我國機器人教育的三個發(fā)展階段

機器人教育推動期（2004年—2001155年）

該階段的特征是出現(xiàn)了機器人教育的學(xué)術(shù)組織，逐漸開始了機器人教育的課程與教學(xué)方法探討。比如，2004年12月，全國中小學(xué)計算機教育研究中心在昆明召開了《第一屆全國中小學(xué)程序設(shè)計與機器人教學(xué)研討會》，并成立了機器人學(xué)組。

2004年，智能機器人課程正式納入北京景山學(xué)校6年級第二學(xué)期信息技術(shù)課的教學(xué)內(nèi)容中，并在高中開設(shè)了智能機器人的研究性學(xué)習(xí)課和校本課。高中通用技術(shù)課上開設(shè)了《簡易機器人制作》的選修模塊。

2005年，哈爾濱市正式將機器人引入課堂教學(xué)，在哈爾濱師范附小、60中、省實驗中學(xué)等41所學(xué)校開設(shè)了“人工智能與機器人”課程，用必修課形式對中小學(xué)生進行機器人科學(xué)方面的教育。此外，香港在高中及高等教育新學(xué)制的改革中，也在高中“設(shè)計與應(yīng)用科技”課程中增設(shè)了機器人制作的課程。隨后，越來越多的學(xué)校開始了各具特色的機器人校本教育課程的實踐探索。

2008年由北京景山學(xué)校教師參與編寫的《信息技術(shù)初中三年級下冊——智能機器人》教材由清華大學(xué)出版社出版。

2011年，深圳市對機器人模塊的教學(xué)內(nèi)容作了較大調(diào)整：其一是開課形式由以往的選修課升級為必修課；其二是開課時間由以往的畢業(yè)年級，調(diào)整為小學(xué)五年級上學(xué)期和初中七年級下學(xué)期；其三是開課的學(xué)時，小學(xué)階段和初中階段的課時都由以往的6-8個學(xué)時增加至18學(xué)時。

2012年7月，筆者與吳俊杰一起共同策劃與籌備了民間的全國Scratch教學(xué)交流會，在景山學(xué)校的計算機教室召開。

8月，北京景山學(xué)校沙有威老師在退休后啟動燭光義教活動，開始義務(wù)進行智能機器人啟蒙教育，他的想法很純樸。他說：“當(dāng)2006年我有了自己的汽車時就開始籌劃自己七年后退休的事，我想如果身體狀況允許，我將帶上幾個教學(xué)用的機器人、幾個筆記本電腦和一個投影儀駕車出游，在自駕游的途中到沿途的貧困學(xué)校去支教，為那些地區(qū)的孩子們上點機器人知識的普及課，義務(wù)做點科普的工作”。

根據(jù)沙有威的新浪博客，截止到2015年 10月，沙有威 “燭光義教行”在3年多來7個階段的活動中，已經(jīng)在31個地區(qū)的84所學(xué)校上課222節(jié)，普及機器人科普知識，惠及近18000多人，自駕行程約35000公里。

但是，這個時期內(nèi)的機器人教育普及率依然很低。據(jù)有關(guān)研究與統(tǒng)計，截止到2014 年4月，廣州市有90％以上的學(xué)校希望開展機器人實驗項目，但是在廣州市1605 所中小學(xué)校中僅有116 所學(xué)校開展了機器人實驗活動，569 名學(xué)生和152 位教師參加了機器人教學(xué)及競賽。這些數(shù)據(jù)說明即使在經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)，中小學(xué)機器人教育的普及率依然很低；在已經(jīng)開展了機器人實驗的學(xué)校，也只限于在興趣小組中開展教學(xué)和參加各種機器人競賽，真正能接觸到機器人教育的學(xué)生和教師相當(dāng)少。

圖4　景山學(xué)校沙有威老師機器人教育觀的結(jié)構(gòu)圖

機器人創(chuàng)客教育時期（2015至今）

隨著STEM教育和創(chuàng)客運動的興起，我國機器人教育進入了大發(fā)展時期，其主要特征是體制外的機器人教育已經(jīng)形成規(guī)模，體制內(nèi)的機器人教育開始探討深層次學(xué)習(xí)的機器人教育問題。

近年來，北京景山學(xué)校的信息技術(shù)課程增加了很多新的元素。學(xué)校參與了北京師范大學(xué)項華教授的數(shù)字科學(xué)家計劃，開設(shè)了數(shù)字科學(xué)家課程，并在數(shù)字科學(xué)家計劃的探究理念指導(dǎo)下創(chuàng)新機器人教育課程，摸索出了基于探究式深度學(xué)習(xí)理論下的機器人創(chuàng)客教育新路徑。另外，學(xué)校還率先在國內(nèi)引入了Scratch 和Arduino等與開源硬件結(jié)合的課程，校園機器人創(chuàng)客教育課程深受學(xué)生喜愛。

2016年5月，中國機器人教育聯(lián)盟在鄭州召開了年會，筆者在此次大會上作為特邀專家作了題為“機器人教育在現(xiàn)代教育中的重要影響”的專題發(fā)言，極力倡導(dǎo)普及機器人創(chuàng)客教育和開啟邊遠(yuǎn)地區(qū)孩子們的智能機器人啟蒙教育義教行動，指出機器人創(chuàng)客教育能夠很好地引領(lǐng)創(chuàng)客教育走向未來，項目式的探究性學(xué)習(xí)是面向未來的機器人創(chuàng)客教育的新模式。

圖5　北京景山學(xué)校沙有威老師 “燭光義教行”掠影

關(guān)于我國機器人教育現(xiàn)狀調(diào)查與分析

我國機器人教育的情況是怎樣的呢？根據(jù)2015年7月《中國電化教育》發(fā)表的南京師范大學(xué)鐘柏昌、張祿合著的《我國中小學(xué)機器人教育的現(xiàn)狀調(diào)查與分析》，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析與歸納后，得到如下結(jié)論：

第一，認(rèn)為每個學(xué)生都有必要學(xué)習(xí)機器人課程的教師，占被調(diào)查教師總數(shù)的83.8％。這說明，在實踐中，大多數(shù)一線教師對“機器人進課堂”持肯定的態(tài)度。

第二，在關(guān)于影響“機器人進課堂”的主要因素的調(diào)研中，79.5％的教師認(rèn)為機器人價格偏高，51.4％的教師認(rèn)為缺乏相關(guān)政策配套支持和課程標(biāo)準(zhǔn)，40％的教師認(rèn)為缺乏師資，39％的教師認(rèn)為缺乏課時。而專家則認(rèn)為前兩個因素最為關(guān)鍵，涉及資本與政策，如能解決好這兩個問題，則相應(yīng)的師資、課時和領(lǐng)導(dǎo)的重視程度都會發(fā)生質(zhì)的變化。

第三，在關(guān)于開設(shè)機器人課程方式的調(diào)研中，68.6％的教師認(rèn)為應(yīng)該以選修課的方式進行，有29.5％的老師則認(rèn)為應(yīng)該以必修課的方式開設(shè)；而對于開課年級，老師們則普遍建議，小學(xué)在四五年級開設(shè)，初中在七年級開設(shè)，每個學(xué)段適宜開設(shè)1學(xué)期。根據(jù)北京景山學(xué)校的機器人課程開設(shè)經(jīng)驗，則建議每學(xué)期14周左右，每周2課時連排開設(shè)課程。

第四，在對現(xiàn)在校內(nèi)機器人教育存在問題的調(diào)研中，從教材方面看，由于大部分學(xué)校的機器人課程以校本課程方式開設(shè)，故有54.2％的教師使用自編的教材，18％的老師沒有教材，26.8％的教師使用了統(tǒng)一采購的、機器人廠家編寫的類似產(chǎn)品說明書式的教材，這無疑是缺乏課程標(biāo)準(zhǔn)的一種表現(xiàn)。

在教學(xué)方法上，70.8％的教師采用了任務(wù)驅(qū)動法，66.7％的教師采用了講授演示法，52.8％的教師采用了講練結(jié)合法，這三種方法也是信息技術(shù)課堂常用的教學(xué)方法，而25％的教師采用了項目教學(xué)法，29.2％的教師則采用了實驗法。

但是，機器人教育應(yīng)該有其鮮明的特點，國外廣泛采用的機器人教學(xué)的方法一般是項目教學(xué)法和實驗法，尤其是國內(nèi)采用較少的項目教學(xué)法被很多教師視為機器人教育的“法寶”，這需要引起我們反思。在對待有關(guān)多少學(xué)生共用一臺機器人問題方面，有79.2％的教師選擇了2-4人，因此，小組合作是大家比較認(rèn)同的方式。

從教學(xué)評價角度看，以平時上課表現(xiàn)（過程性評價）和作品評價（總結(jié)性評價）為主流，分別占70.8％和63.9％，也有涉及競賽成績和書面考試等評價方式，但沒有特別的評價方式出現(xiàn)。

從調(diào)查的整體情況而言，我國機器人教育實踐已經(jīng)開始從嘗試階段走向大發(fā)展階段。但是，在相關(guān)經(jīng)驗的積累和課程化建設(shè)方面，與機器人教育發(fā)達(dá)國家相比較，我國差距依然較大，亟待相關(guān)的政策指導(dǎo)與規(guī)范。

機器人創(chuàng)客教育應(yīng)如何普及

做好頂層設(shè)計，建立課程體系

機器人教育如果只是依靠競賽或興趣小組的方式，可能會局限在少數(shù)學(xué)校的少數(shù)學(xué)生當(dāng)中。在當(dāng)前的教育體制下，機器人教育要想在課堂普及，則必須在國家課程體系中占有一席之地。建議將機器人創(chuàng)客教育列入信息技術(shù)課程中的一個重要模塊，在時間序列上形成小學(xué)、初中、高中相互銜接的機器人課程體系。在橫向聯(lián)系上，與程序設(shè)計、物理、數(shù)學(xué)、通用技術(shù)等課程內(nèi)容合理整合、相互支持。顯然，這牽涉到機器人普及教育的頂層設(shè)計問題，頂層設(shè)計好，才能規(guī)范課程開設(shè)的目標(biāo)、內(nèi)容、課時、教材、師資等與課程配套的相關(guān)內(nèi)容。

目前在北京，有一些學(xué)校已經(jīng)在相關(guān)層面作了相關(guān)嘗試。例如北京景山學(xué)校和北京二中的初中機器人教育走進了課堂教學(xué)，并且結(jié)合信息技術(shù)課程開設(shè)1個學(xué)期的機器人普及課，利用“機房+機器人設(shè)備”的空間，利用“信息技術(shù)1課時+增加的1課時”，2節(jié)課連排，2位老師同時開課，40名學(xué)生分為2個小班。

在高中，北京景山學(xué)校信息技術(shù)選修模塊“基于App Inventor的算法與程序設(shè)計”課程中有用手機控制機器人的單元內(nèi)容；北京171中學(xué)，也在高中的“算法與程序設(shè)計課程”中使用機器人作為呈現(xiàn)載體；北京二中則是利用“通用技術(shù)選修模塊”的課時開展機器人普及課……這些有益的探索與嘗試無疑具有很好的借鑒性意義。

探索適合機器人教育的教學(xué)模式和方法

機器人教育課程有著廣泛而重要的教育價值，比如，Khanlari （2013年在《歐洲科學(xué)雜志》上發(fā)表的“機器人對21世紀(jì)技能的影響”一文）指出，機器人是改進21世紀(jì)技能的有效工具，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、合作能力、自主學(xué)習(xí)能力、交流能力、社會和跨文化技能，以及社會責(zé)任感。再比如，McGill （2012年發(fā)表“學(xué)習(xí)與機器人編程：影響學(xué)生的學(xué)習(xí)動機”一文）的研究則表明，機器人課程能夠?qū)W(xué)生學(xué)習(xí)編程產(chǎn)生積極影響。還比如，“數(shù)字科學(xué)家計劃”創(chuàng)始人項華教授認(rèn)為，機器人創(chuàng)客教育項目非常適合于學(xué)生探究式學(xué)習(xí)，學(xué)生在項目設(shè)計、制作和調(diào)試過程中可能產(chǎn)生很多問題，這些問題源自于學(xué)生，也是很好的數(shù)字科學(xué)家課程內(nèi)容。由此，需要探討關(guān)于機器人創(chuàng)客教育的課程與教學(xué)方法。

充分利用校外與線上資源，加強師資培訓(xùn)

相比傳統(tǒng)的信息技術(shù)課程，機器人教育課程對教師的要求較高，不僅體現(xiàn)在對機器人本體知識的掌握方面，而且體現(xiàn)在教學(xué)方法的差異方面。更重要的是，機器人教育課程不是一種學(xué)科本位的課程，需要卷入STEM，即科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）等多門課程知識，而且，它還是創(chuàng)客教育的主要陣地，需要教師具備一定的創(chuàng)意設(shè)計與整合能力，對教師的素質(zhì)要求要高于傳統(tǒng)的信息技術(shù)課程，這對教師頗具挑戰(zhàn)性。

由于多數(shù)教師沒有學(xué)習(xí)過機器人的專業(yè)課程，需要自學(xué)以獲得必要的知識和技能，這直接影響了機器人教育課程的師資質(zhì)量。因此，普及機器人教育的重中之重是教師培訓(xùn)。機器人教育師資培訓(xùn)可以充分利用校外機器人培訓(xùn)機構(gòu)、機器人硬件廠家、軟件平臺、線上培訓(xùn)等資源，積極地開展在職教師的專業(yè)知識培訓(xùn)。近10年來，校外的機器人培訓(xùn)機構(gòu)和教育機器人產(chǎn)業(yè)有了很大的發(fā)展，這是K12領(lǐng)域內(nèi)能夠充分利用的外部資源。例如，中國機器人教育聯(lián)盟平臺上就擁有豐富的機器人教育產(chǎn)品、課程與教師培訓(xùn)等資源。與此同時，充分利用學(xué)校教師豐富的教學(xué)經(jīng)驗，幫助校外機器人教育機構(gòu)改進教學(xué)模式和教學(xué)方法，形成合力，更好地培養(yǎng)未來創(chuàng)新人才。

開啟邊遠(yuǎn)地區(qū)啟蒙教育，促進教育均衡發(fā)展

在“互聯(lián)網(wǎng)+”和創(chuàng)客文化的大背景下，教育均衡發(fā)展迎來了最好的時機，可以通過機器人創(chuàng)客比賽和義務(wù)支教等活動促進教育均衡發(fā)展。

沙有威4年的燭光義教行感動了很多人，1萬多邊遠(yuǎn)地區(qū)的孩子們接受了智能機器人啟蒙教育，這樣的善舉當(dāng)然是多多益善。在中國經(jīng)濟高速發(fā)展的今天，如果有10家，100家甚至更多企業(yè)愿意提供智能機器人產(chǎn)品與課程，如果有更多的像沙有威一樣的機器人教育志愿者的話，就會有越來越多的學(xué)生們在青少年時期能夠接受到機器人啟蒙教育。邊遠(yuǎn)地區(qū)的學(xué)生接受機器人創(chuàng)客教育，這對于提升國家公民整體的科學(xué)素質(zhì)水平具有重要意義。

將機器人創(chuàng)客教育的思想滲透到其他學(xué)科課程或者創(chuàng)新課程中

在整個教育信息化和現(xiàn)代化的進程之中，借助教育系統(tǒng)以外的社會變革力量，整體優(yōu)化教育系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常重要。當(dāng)前的創(chuàng)客文化運動提供了一個很好的契機。機器人創(chuàng)客教育的寬度不如創(chuàng)客教育，但是機器人創(chuàng)客教育深于創(chuàng)客教育。應(yīng)該看到，機器人創(chuàng)客教育能夠引領(lǐng)整個創(chuàng)客教育。因此，應(yīng)該積極探討機器人創(chuàng)客教育與其他課程的整合，將機器人創(chuàng)客教育的思想滲透到其他學(xué)科課程或者創(chuàng)新課程中。