面向創(chuàng)客教育的中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)研究*

王小根 張 爽

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面向創(chuàng)客教育的中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)研究*

王小根 張 爽

（江南大學(xué)教育信息化研究中心，江蘇無錫214122）

創(chuàng)客教育作為創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的新型教學(xué)模式，得到了越來越多教育工作者的關(guān)注。機(jī)器人教育承擔(dān)著培養(yǎng)中小學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的重任，也是創(chuàng)客教育實踐的課程基礎(chǔ)。文章分析了機(jī)器人教學(xué)的現(xiàn)狀與存在的問題，將創(chuàng)客教育與機(jī)器人教育相融合，基于學(xué)習(xí)流程，構(gòu)建出集“知識學(xué)習(xí)過程”、“模仿過程”、“創(chuàng)造過程”、“分享過程”于一體的教學(xué)模型，并結(jié)合具體案例說明了基于該教學(xué)模型的機(jī)器人教學(xué)活動設(shè)計方法，以期為中小學(xué)機(jī)器人教育和創(chuàng)客教育的教學(xué)實踐提供參考。

創(chuàng)客教育；機(jī)器人教學(xué)；教學(xué)模型；教學(xué)活動設(shè)計

引言

近年來創(chuàng)客運(yùn)動席卷全球，由此催生了新的教育形態(tài)——創(chuàng)客教育，成為了社會創(chuàng)新教育的新范式[1]。《2015地平線報告（高教版）》指出，在未來3～5年之內(nèi)，學(xué)生有從知識的消費(fèi)者轉(zhuǎn)換為創(chuàng)造者的趨勢，在未來一年內(nèi)創(chuàng)客空間將成為學(xué)校應(yīng)用的主流[2]，而創(chuàng)客教育在這個轉(zhuǎn)變中將起到至關(guān)重要的作用。創(chuàng)客教育是一種貫穿終身的，面向全人發(fā)展的，培養(yǎng)個體DIY、創(chuàng)造能力與分享精神的教育理念和取向[3]。創(chuàng)客教育秉承“開放創(chuàng)新、探究體驗”，以“創(chuàng)造中學(xué)”為主要學(xué)習(xí)方式[4]，其核心在于培養(yǎng)各式各類的創(chuàng)新型人才，創(chuàng)客教育的形成與發(fā)展為教育的創(chuàng)新發(fā)展開啟了“一扇窗”[5]。創(chuàng)客教育強(qiáng)調(diào)在真實情境中手腦并用，讓學(xué)生在實踐中學(xué)習(xí)、模仿中探索、研究中創(chuàng)造，逐步達(dá)到提升動手實踐能力、發(fā)展創(chuàng)新精神和創(chuàng)造力的目標(biāo)。

作為一項新興事物，從國家課程、地方課程到校本課程，創(chuàng)客教育還缺乏完整、成熟的課程體系和實踐，糅合創(chuàng)客思想、改造現(xiàn)有課程成為了中小學(xué)創(chuàng)客教育開展的有效方法。中小學(xué)機(jī)器人教育涵蓋多方面內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)手腦并用，是培養(yǎng)中小學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的重要載體，也是在校園內(nèi)開展創(chuàng)客教育的良好平臺[6]。將創(chuàng)客教育的理念融入中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)，對原有的教學(xué)模型進(jìn)行重構(gòu)，可以為機(jī)器人教學(xué)提供新方法、新思路，指導(dǎo)教師在創(chuàng)客教育的理念下開展機(jī)器人教學(xué)；同時，能夠充分發(fā)揮機(jī)器人教學(xué)的特點與優(yōu)勢，讓學(xué)生體會到動手、創(chuàng)造、分享的快樂，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。

本研究首先分析了當(dāng)前中小學(xué)機(jī)器人教育教學(xué)的現(xiàn)狀，將創(chuàng)客教育的理念、目標(biāo)和中小學(xué)機(jī)器人教育的目標(biāo)進(jìn)行了對比分析，從中分析當(dāng)前中小學(xué)機(jī)器人教育中揉入創(chuàng)客精神培養(yǎng)的空間和方向，嘗試重構(gòu)了面向創(chuàng)客教育的中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)模型，并以具體案例闡述了該模型下課程教學(xué)活動的設(shè)計流程。

一 中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)現(xiàn)狀分析

機(jī)器人融合了機(jī)械制造、電子技術(shù)、傳感器、無線通訊、聲音識別、圖像處理和人工智能等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，代表著現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展的前沿[7]。2003年4月，教育部正式頒布《普通高中技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）》，首次在高中“信息技術(shù)”、“通用技術(shù)”課程中分別設(shè)立“人工智能初步”、“簡易機(jī)器人制作”選修模塊，部分省市也把機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容納入到初中和小學(xué)信息技術(shù)、綜合實踐和科學(xué)課程中[8]。目前，國內(nèi)已有數(shù)百所學(xué)校開展了機(jī)器人教學(xué)，主要以機(jī)器人教學(xué)和機(jī)器人競賽的形式展開[9]。經(jīng)過十余年的教學(xué)和實踐，中小學(xué)機(jī)器人教育教學(xué)取得了長足的發(fā)展，從早期的由競賽推動轉(zhuǎn)為當(dāng)前的注重能力培養(yǎng)。隨著基礎(chǔ)教育新課程改革的不斷實施，機(jī)器人教育的價值已逐步獲得認(rèn)可，當(dāng)前社會各界廣泛關(guān)注的創(chuàng)客空間和創(chuàng)客教育中有部分內(nèi)容就是圍繞機(jī)器人的設(shè)計與制作展開的[10]。

然而在我國基礎(chǔ)教育中，機(jī)器人教學(xué)部分沒有明確地進(jìn)入國家課程序列，而是采用三級課程體系設(shè)計，即國家課程、地方課程和校本課程[11]。多數(shù)學(xué)校都以校本課程和興趣小組的形式開展機(jī)器人教育，由于缺乏課程標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)專家的指導(dǎo)，各學(xué)校機(jī)器人課程的教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容、方法等不盡相同。當(dāng)前的機(jī)器人教學(xué)目標(biāo)側(cè)重模仿實驗、重基礎(chǔ)輕應(yīng)用，教學(xué)內(nèi)容注重學(xué)科本位、重技術(shù)輕整合[12]，而教學(xué)方法則慣用信息技術(shù)課程中常用的任務(wù)驅(qū)動法、講練結(jié)合法、講授演示法等[13]。雖然機(jī)器人的教學(xué)內(nèi)容被納入信息技術(shù)課程中的選修模塊，但機(jī)器人課程與信息技術(shù)課程相比有其鮮明的特點?！吨行W(xué)智能機(jī)器人課程指導(dǎo)意見》指出，中小學(xué)智能機(jī)器人課程的主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生對智能機(jī)器人的興趣，讓學(xué)生了解和掌握以智能機(jī)器人為載體的通用技術(shù)與信息技術(shù)的基本知識和技能，了解技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用對人類生活和科學(xué)的深刻影響，通過智能機(jī)器人課程培養(yǎng)學(xué)生良好的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新精神和實踐能力[14]。由此可見，機(jī)器人教育比信息技術(shù)課程更注重對學(xué)生創(chuàng)造力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。而目前機(jī)器人教學(xué)中普遍采用的任務(wù)驅(qū)動、講授演示與講練結(jié)合法的教學(xué)活動，卻更著重于機(jī)器人基礎(chǔ)知識、原理、編程與組裝、搭建、調(diào)試等學(xué)科本位內(nèi)容的教學(xué)，并不能給學(xué)生提供充分的創(chuàng)造機(jī)會和創(chuàng)造空間，很難促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的形成與發(fā)展。機(jī)器人教學(xué)不能簡單地模仿信息技術(shù)課程，而應(yīng)在此基礎(chǔ)上引入新的教學(xué)理念，發(fā)揮學(xué)科特色，形成機(jī)器人學(xué)科特有的教學(xué)方式。在創(chuàng)客行動席卷全球的背景下，創(chuàng)客教育融合信息技術(shù)的發(fā)展，為創(chuàng)新教育開拓了新園地[15]。在提倡人人皆可為“創(chuàng)客”的環(huán)境中，亟待用創(chuàng)客教育的理念對中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)模型進(jìn)行重構(gòu)。

二 面向創(chuàng)客教育的中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)模型

為改造當(dāng)前我國中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)，糅合創(chuàng)客教育的內(nèi)涵、特征與理念，本研究結(jié)合中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)的實際需求，構(gòu)建出更加完善的適合中小學(xué)的機(jī)器人教學(xué)模型（如圖1所示）。該模型強(qiáng)調(diào)“做中學(xué)”和基于項目的學(xué)習(xí)，注重充分調(diào)動學(xué)生的積極性和能動性，讓學(xué)生在自己動手的過程中習(xí)得基本知識原理、學(xué)會工具的使用；在模仿項目學(xué)習(xí)中深化知識內(nèi)容，了解如何將理論應(yīng)用到實際項目中；在創(chuàng)造過程中發(fā)揮想象、選定項目，通過合作探究實現(xiàn)創(chuàng)意；在分享過程中交流互動，汲取多方建議，進(jìn)行評價反思。

1 知識學(xué)習(xí)階段：強(qiáng)調(diào)教師講授和學(xué)生練習(xí)并重

知識學(xué)習(xí)階段是面向創(chuàng)客教育的機(jī)器人教學(xué)的基礎(chǔ)階段，一定的知識儲備是學(xué)生能夠產(chǎn)生創(chuàng)意并進(jìn)行創(chuàng)造的重要保證。在此階段，學(xué)生需要完成對機(jī)器人基本知識和技能的學(xué)習(xí)。首先，教師需要創(chuàng)設(shè)與學(xué)生經(jīng)驗相關(guān)的教學(xué)情境來激起學(xué)生興趣。其次，學(xué)生進(jìn)入教學(xué)情境后，聆聽教師對新知識的講解，仔細(xì)觀察教師的操作，并在教師的引導(dǎo)下進(jìn)行思考、討論。學(xué)生可按照自己的學(xué)習(xí)習(xí)慣來進(jìn)行操作練習(xí)，遇到困難時可向同學(xué)或教師尋求幫助，以使自己能全部掌握教師傳授的新內(nèi)容。最后，學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，深化記憶。面向創(chuàng)客教育的機(jī)器人課程的學(xué)習(xí)過程是學(xué)生主動對知識進(jìn)行建構(gòu)的過程，學(xué)生需要對教師提供的外部信息進(jìn)行加工、處理并選擇。這個學(xué)習(xí)過程不是被動接受而是自我生成的過程，他人無法取代。

圖1 面向創(chuàng)客教育的中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)模型

2 模仿階段：注重學(xué)生協(xié)作學(xué)習(xí)和師生互動

模仿階段在機(jī)器人教學(xué)活動中起承前啟后的重要作用。在此階段，教師需向?qū)W生呈現(xiàn)模仿型項目資料，具體包括項目介紹、項目功能、實現(xiàn)路徑及機(jī)器人搭建、器件連接、程序設(shè)計講解等。在教師對模仿項目要點、注意事項進(jìn)行簡單講解后，學(xué)生便可進(jìn)行協(xié)作學(xué)習(xí)，即研讀模仿型項目資料，在明確任務(wù)后分工合作，共同進(jìn)行模仿型項目的實踐。在此過程中，學(xué)生是主體，自主解決項目中遇到的問題，自行決定項目如何進(jìn)行，自行掌控項目的進(jìn)程。在該階段，學(xué)生能夠在協(xié)作學(xué)習(xí)中加強(qiáng)團(tuán)隊合作的意識；在自主嘗試中完成知識的深層次建構(gòu)，將知識技能進(jìn)行主動內(nèi)化；在模仿過程中獲得創(chuàng)造靈感，激發(fā)創(chuàng)造潛能，為創(chuàng)造型項目的實施做好鋪墊。

3 創(chuàng)造階段：以學(xué)生動手實踐與合作探究為中心

創(chuàng)造階段是學(xué)生實現(xiàn)創(chuàng)意的核心階段。在該階段，教師是整個學(xué)習(xí)階段的引導(dǎo)者，并不直接為學(xué)生指定各個小組的創(chuàng)造型項目，而是給出主題，將項目的設(shè)計權(quán)與選擇權(quán)交給學(xué)生，教師只起指導(dǎo)監(jiān)督的作用；同時，教師在該階段要對學(xué)生在創(chuàng)造過程中的表現(xiàn)進(jìn)行記錄并進(jìn)行形成性評價。學(xué)生是創(chuàng)造階段的主導(dǎo)者，從創(chuàng)造型項目的選定到最后創(chuàng)造型項目的實施與完善，都由學(xué)生自己完成；學(xué)生在整個過程中自己動手實踐，通過利用信息技術(shù)等手段來解決項目實施過程中所遇到的困難，承擔(dān)著項目的設(shè)計者、實施者、管理者、優(yōu)化者等多重角色，并在這個過程中發(fā)展創(chuàng)新思維，提升動手能力和解決問題的能力。

4 分享階段：注重分享交流和生生互動

分享階段參與的人員不局限于師生，還可以邀請校領(lǐng)導(dǎo)、家長、其他學(xué)科教師、外校師生和來自社會的創(chuàng)客等。在該階段，教師是組織者，一方面組織分享活動，引導(dǎo)學(xué)生間及學(xué)生與其他來賓間的互動，組織學(xué)生與他人進(jìn)行思維碰撞，激發(fā)創(chuàng)造熱情；另一方面，對學(xué)生的創(chuàng)造型項目進(jìn)行評價，并提供項目優(yōu)化建議。學(xué)生可采用PPT演示或現(xiàn)場演講的方式對項目進(jìn)行展示說明，在展示過程中，學(xué)生可升華對作品的理解，增強(qiáng)創(chuàng)造的信心；同時在在交流過程中汲取多方建議，體會分享的快樂。此外，學(xué)生還需進(jìn)行組間互評和組內(nèi)互評，以對學(xué)生起到隱形的督促作用，促使學(xué)生積極參與項目、融入項目，逐漸進(jìn)入好學(xué)、樂學(xué)的境界。

三 面向創(chuàng)客教育的中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)活動設(shè)計案例

基于面向創(chuàng)客教育的中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)模型，本研究針對N初中“創(chuàng)意機(jī)器人”課程中“手勢感應(yīng)LED燈”一課進(jìn)行教學(xué)活動設(shè)計，闡述該模型下課程教學(xué)活動的設(shè)計流程。

1教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)分析

“手勢感應(yīng)LED燈”是N初中機(jī)器人校本課程“走進(jìn)虛擬現(xiàn)實的世界”一章的第一課。本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容融合了虛擬現(xiàn)實技術(shù)，引入了LeapMotion傳感器，具體教學(xué)內(nèi)容包括LeapMotion的工作原理以及在計算中結(jié)合APP的控制方法、LeapMotion在Scratch編程中的使用方法、利用LeapMotion實現(xiàn)手勢感應(yīng)控制LED燈條。

該課程的學(xué)習(xí)目的是，在知識學(xué)習(xí)階段，激發(fā)學(xué)生興趣，了解LeapMotion的工作原理以及如何在APP中進(jìn)行控制；在模仿階段，通過模仿型項目學(xué)習(xí)，掌握LeapMotion在Scratch中的編程方法及實現(xiàn)手勢感應(yīng)控制LED燈條效果；在創(chuàng)造階段，形成創(chuàng)意，通過小組合作探索，用LeapMotion控制LED燈條實現(xiàn)其它效果，培養(yǎng)創(chuàng)造力和動手能力；在分享階段，通過交流互動，鞏固學(xué)生對LeapMotion工作原理以及相關(guān)程序編寫的認(rèn)知，并培養(yǎng)學(xué)生的分享精神。

2教學(xué)活動設(shè)計

（1）知識學(xué)習(xí)階段

首先，通過用手從桌面劃過、LED燈亮起來的魔術(shù)引入課程，激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。然后，引導(dǎo)學(xué)生討論魔術(shù)效果，引出LeapMotion體感傳感器，利用LeapMotion的微視頻與內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析對其工作原理進(jìn)行講解，并演示如何用APP控制LeapMotion。最后，給學(xué)生留出時間進(jìn)行體驗操作，教師對學(xué)生的操作過程進(jìn)行指導(dǎo)。該階段可使學(xué)生在動手實踐、直觀體驗的過程中掌握基本概念和操作方法，為模仿型項目的學(xué)習(xí)做好基礎(chǔ)知識的鋪墊。

（2）模仿階段

教師給每個小組發(fā)放“手勢控制LED燈”模仿型項目資料（如表1所示），然后學(xué)生根據(jù)這些資料進(jìn)行協(xié)作學(xué)習(xí)。學(xué)生在自主探究過程中提出遇到的問題，教師根據(jù)學(xué)生所提的問題對重點、難點進(jìn)行講解。學(xué)生在反復(fù)的模仿嘗試中加深對LeapMotion工作原理中笛卡爾右手坐標(biāo)系的理解，掌握程序編寫要點，完成模仿型項目的學(xué)習(xí)。在模仿過程中，學(xué)生逐漸形成創(chuàng)意，為后續(xù)的創(chuàng)造階段打下基礎(chǔ)。

（3）創(chuàng)造階段

在創(chuàng)造階段，教師啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)意，引導(dǎo)學(xué)生思考：還能通過LeapMotion實現(xiàn)哪些控制LED燈的效果？學(xué)生形成自己的想法，然后小組合作探索，發(fā)現(xiàn)通過不同方式實現(xiàn)不同效果所需解決的問題，共同討論解決問題的方案，接下來進(jìn)行分工協(xié)作、動手實踐，實現(xiàn)手勢控制LED燈的其它方式。在此過程中，教師觀察學(xué)生的創(chuàng)造過程，對各小組學(xué)生在該階段的表現(xiàn)進(jìn)行形成性評價——教師在該階段不對學(xué)生的創(chuàng)意做過多干擾，當(dāng)學(xué)生沒有想法時進(jìn)行適當(dāng)啟發(fā)，盡量幫助每個小組形成獨(dú)特的想法并引導(dǎo)其實現(xiàn)效果。該階段能給學(xué)生充分的空間發(fā)揮創(chuàng)意、自主探究，使學(xué)生的創(chuàng)造力和動手能力得到充分的發(fā)揮和培養(yǎng)。

表1 模仿型項目資料——“手勢控制LED燈”

（4）分享階段

各小組學(xué)生展示創(chuàng)意作品，說明實現(xiàn)過程、遇到的困難和解決辦法。小組間可互相提問，獲得作品優(yōu)化的建議，加深對所學(xué)的理解。教師對各組作品進(jìn)行點評總結(jié)，幫助學(xué)生梳理要點，并進(jìn)行作品總結(jié)性評價。分享結(jié)束后，組內(nèi)成員根據(jù)每個人在各學(xué)習(xí)階段的表現(xiàn)進(jìn)行組內(nèi)互評，各小組根據(jù)作品展示情況對其他小組作品進(jìn)行評價。最后，教師參照多元教學(xué)評價形式的反饋結(jié)果，分析教學(xué)過程中的收獲和問題，以此作為改進(jìn)未來教學(xué)實踐的依據(jù)。該階段增加了學(xué)生間的交互，讓學(xué)生樂于分享觀點，并增加了創(chuàng)造的信心。

四 結(jié)語

面向創(chuàng)客教育的機(jī)器人教學(xué)模式，不僅消融了機(jī)器人知識學(xué)習(xí)與機(jī)器人項目創(chuàng)新的界限，而且?guī)砹碎_放、多元的教學(xué)活動方式。融合創(chuàng)客教育理念的機(jī)器人教育關(guān)注機(jī)器人知識的學(xué)習(xí)和操作技能的掌握，同時注重學(xué)生的實踐、創(chuàng)新和分享，體現(xiàn)了全人發(fā)展的理念。資源的開源性與技術(shù)門檻的降低，使越來越多的教育工作者開始了創(chuàng)客教育教學(xué)實踐的探索之旅。面向創(chuàng)客教育的機(jī)器人教學(xué)模式及其教學(xué)活動設(shè)計，或許可以為中小學(xué)開展創(chuàng)客教育提供一定參考。

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The Research on Primary and Secondary School’s Robot Teaching Geared for Maker Education

WANG Xiao-gen ZHANG Shuang

As a new instructional model focusing on cultivating innovative talents, maker education has received increasing attentions of educators. Robot education takes the responsibility of fostering the innovative practice ability of primary and secondary students, and serves as the curriculum foundation of maker education practice. This article analyzed the present situations existing in robot teaching, integrated the maker education with robot education, and constructed an instructional model that integrated the processes of “knowledge learning” “imitating” “creating” “sharing” was constructed.Besides, the paper elaborated the instructional activity design of the robot teaching by combining concrete cases, expecting to provide a reference for teaching practice of robot education and maker education.

maker education; robot education; instructional model; instructional activity design

G40-057

A

1009—8097（2016）08—0116—06

10.3969/j.issn.1009-8097.2016.08.017

本文為國家社會科學(xué)基金項目“吳地文化遺產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)知識服務(wù)研究”(項目編號:14BTQ040)的階段性研究成果。

王小根，教授，博士，研究方向為信息化教育，郵箱為982696061@qq.com。

2015年11月30日

編輯：小西