基于微課的中小學機器人教學模式研究與實踐

楊海漩 楊德剛

摘 要：通過對重慶地區(qū)中小學機器人教育現(xiàn)狀進行調查，首先分析了目前中小學機器人教學中存在的問題；其次，分析了微課教學的優(yōu)勢提出將微課與中小學機器人教育相結合的構想，構建了由“情境體驗”、“自主探索”、“學習反思”、“歸納總結”四部分組成的教學模式；最后，結合具體案例設計了基于該教學模型的教學設計，并選取實驗點進行了教學實驗，驗證了將微課與中小學機器人教育相結合進行教學的優(yōu)勢。

關鍵詞：微課；中小學機器人；教學模式

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2018）06-0049-04

一、引言

微課（Micro-Course，Micro-Lecture）是近幾年教育受“微時代”發(fā)展所驅動和催化的直接產物，受到教育工作者的廣泛關注。歷史進入21世紀，社會生活的各個領域正在發(fā)生著深刻變化，網絡技術和通訊技術的發(fā)展催生了新的媒介生態(tài)環(huán)境[1]。自 2000 年以來，為貫徹《2001—2005 年中國青少年科學技術普及活動指導綱要》和《全民科學素質行為計劃綱要（2006-2015-2020 年）》，由教育部、科協(xié)等部門舉辦的全國中小學電腦制作活動、全國青少年機器人競賽等蓬勃發(fā)展[2]。

中小學機器人教育在實際教學的過程中遇到了很多困難，例如：教學器材昂貴、沒有體系化的課程標準和科學完整的教材、缺乏專業(yè)的指導老師等。機器人教學沒有成熟的教學模式，因此本文將微課與中小學機器人教育相結合，設計了一套完整的教學模式并進行了實驗教學，將該教學模式應用于中小學機器人教育當中有利于實現(xiàn)推廣與發(fā)展中小學機器人教育的目的。

二、微課與中小學機器人教育相結合

1.國內外機器人教育發(fā)展現(xiàn)狀

國外的機器人學科教學起步較早： 在 1994年麻省理工學院 （MIT） 就設立了 “設計和建造LEGO 機器人”課程（Martin）， 目的是提高工程設計專業(yè)學生的設計和創(chuàng)造能力，嘗試機器人教育與理科實驗的整合[3]。

我國教育部于 2003年 4 月正式頒布《普通高中技術課程（實驗）標準》，首次在“通用技術”科目中設立了“簡易機器人制作”模塊，它是基于計算機技術的學習平臺、將機械傳動與單片機的應用有機組合的一個選修課程模塊[4]。2003 年， 國家教育部把中小學機器人比賽納入 “全國中小學電腦制作活動”；同時普通高中新課程也將 “人工智能技術及簡易機器人制作”列入選修內容[5]。

2.重慶地區(qū)中小學機器人教育現(xiàn)狀調查

我國中小學機器人教育的發(fā)展史并不是很長，最早可以追溯到2000年，北京市景山學校以科研課題的形式將機器人教育納入到信息技術課程中[6]。目前開展中小學機器人教育的模式可分為學校教育和校外教育。本研究抽樣選取重慶地區(qū)73所中小學（其中中學44所、小學29所）進行有關機器人教育調查，調查結果顯示（截至2016年10月）59.01%的中學開展了機器人教育相關的課程，44.83%的小學開展了機器人教育相關活動。調查結果如圖1、圖2。

根據(jù)調查結果雖然顯示大多數(shù)中學都開展了機器人教育，但是其開展的主要形式基本上為參加各類機器人競賽。由于器材場地經費等因素的限制開設了機器人課程的學校多集中在中發(fā)達城市，偏遠地區(qū)的一些鄉(xiāng)村學校幾乎沒有開設該課程。與相對滯后的學校教育相比，校外培訓機構則發(fā)展較快且主要授課對象為小學生。在國內，近年來也出現(xiàn)很多模塊化機器人教育品牌例如：makeblock、維度積木、中鳴機器人等。中小學機器人培訓機構雖然相對于學校教育發(fā)展稍好，但總體的普及度還是較低。

本研究針對機器人校外教育進行了調查研究，我們將白市驛童樂村少年培訓中心作為調查研究的對象統(tǒng)計了機器人培訓課程以及其他課程學生學習情況。統(tǒng)計結果見下表1：

《2016年地平線報告（高等教育版）》中指出賓夕法尼亞州立大學 GRASP 實驗室的研究生和導師們正在幫助費城學區(qū)中學的數(shù)學和科學教師創(chuàng)造課程單元[7]。在專業(yè)人才培養(yǎng)方面，北京師范大學智慧學習研究院成立了機器人教育工程中心致力于培養(yǎng)從事機器人教育的專業(yè)人才。重慶師范大學機器人創(chuàng)新實驗室開展了一系列有關中小學機器人教育的研究工作與實踐活動，但沒有正式設立這一專業(yè)。除此之外其他高等院校很少有專門開展中小學機器人教育研究與人才培養(yǎng)工作。

3.微課與中小學機器人教育相結合的優(yōu)勢

“微課”（或者稱為“微課程”）的定義是：“微課程”是指時間在10分鐘以內，有明確的教學目標，內容短小，集中說明一個問題的小課程[8]。

將微課與中小學機器人教育相結合可以提高學生的學習效率、節(jié)省師資、便于學生進行個性化學習，也有利于中小學機器人教學在全國范圍內的推廣與普及。

將教學資源做成微課，除了學生學習之外，一方面在一定程度上解決了教師培養(yǎng)的問題，另一方面也解決了家長專業(yè)知識缺乏無法指導孩子的問題。

三、基于微課的中小學機器人教育教學模式的構建

中小學機器人教育要求學習者的動手操作能力較強，鼓勵學習者主動進行探索尋求解決問題的方法，培養(yǎng)學生自主探究的能力，激發(fā)學生的創(chuàng)造性思維。結合微課應用于教學的優(yōu)勢與中小學機器人教育的特點，本文設計了基于微課的中小學機器人教育的教學模式，此模式主要有五個部分組成：學習者分析、教學目標、學習內容、學習過程、教學評價。其中最為重要也是本教學模式的核心是教學過程的設計，它結合了機器人教學的特點設計了“情境體驗”、“自主探究”、“學習反思”、“歸納總結”四個部分，同時還利用微課進行課前課后的學習。具體教學模式見圖3：

1.理論依據(jù)

由于中小學機器人教育多具備動手操作的特點，基于微課平臺的中小學機器人教育教學模式的構建的理論依據(jù)主要是建構主義。建構主義學習理論強調以學生為中心，不僅要求學生由外部刺激的被動接受者和知識的灌輸對象轉變?yōu)樾畔⒓庸さ闹黧w、知識意義的主動建構者；而且要求教師要由知識的傳授者、灌輸者轉變?yōu)閷W生主動建構意義的幫助者、促進者[9]?；诮嬛髁x的教學模式有多種，最典型的代表是支架式教學和拋錨式教學，由于中小學機器人教育強調學生的創(chuàng)新思維和動手探索能力，我們采用拋錨式教學。

拋錨式教學要求建立在有感染力的真實事件或真實問題的基礎上。確定這類真實事件或問題被形象地比喻為“拋錨”，因為一旦這類事件或問題被確定了，整個教學內容和教學進程也就被確定了[10]。

2.教學目標

結合三維目標來進行教學目標的制定：知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀。知識與技能方面要求學習者通過微課視頻自學相關內容，了解和掌握知識點例如：案例機器人的搭建、程序的編寫與調試、模型的設計等。過程與方法主要采用任務驅動法和頭腦風暴法，區(qū)別于傳統(tǒng)課堂教師采用的講授法，通過任務驅動法和頭腦風暴法可以讓學習者更好地學習掌握機器人這一門課程。情感態(tài)度與價值觀要求通過學習激發(fā)學習者學習機器人的熱情，培養(yǎng)團隊的合作精神。

3.實現(xiàn)條件

首先需要用于播放微課資源的設備，例如：電腦、平板、手機等。同時有些課程還需要準備教學所用到的器材：機器人搭建材料、調試器、USB連接線等。

其次需要教師為學習者創(chuàng)建一個學習平臺不僅能夠下載學習資源、教學材料，還需要完善的教學體系。

4.程序操作

首先進行學習者特征分析，通過分析學習者特征制定相應的教學計劃?；诮虒W者需要制作教學微課，微課視頻的制作有多種工具例如PR、EDIUS、會聲會影等。前期的準備工作包括制定計劃、收集資料、制作PPT或動畫（視情況而定可以不用）等。錄制好微課后上傳教學平臺供學習者下載學習，根據(jù)學生的反饋對微課進行適當?shù)男薷?。其次教師需要對學習者進行指導并對其學習進行評價。

學習者首先下載微課教學資源進行學習、操作，將問題和遇到的困難進行整理與同學討論或者向教師請教。

5.教學評價

采用師生互價、師師互評的方法對學習者、教師、微課資源進行評價。首先要對學習者的學習情況和知識的掌握、應用、實踐等方面進行評估；其次教師之間、學生對教師的教學理念、教學方法、教學反思等方面進行評價；學習者和教師對微課資源的課程設置、知識點的講解、教學形式等進行評價。

四、微課與中小學機器人教育相結合的教學模式實踐

本研究依托重慶師范大學計算機教學實驗示范中心（重慶市重點示范中心）機器人創(chuàng)新實驗室，實驗室配置了工業(yè)機器人教學演示套件、WER機器人競賽包、青少年機器人教學套件包以及Arduino、Scrach、makeblock、樹莓派等平臺及相關教學資源，可以為中小學生提供實踐平臺，培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力。機器人創(chuàng)新實驗室不僅與學校合作還與企業(yè)合作，實驗室與公司聯(lián)合在重慶市設立多個小學生機器人培訓點。本研究選取九龍坡青少年機器人培訓基地和白市驛青少年機器人培訓基地兩個培訓基地的學生作為實驗對象并對其學習過程和結果展開研究。

我們基于此教學模式設計了一系列微課教學課程——《Mblock編程教學系列課程》。本實驗以《Mblock編程教學系列課程》作為教學內容，通過實驗對照法來比較基于微課的教學模式和傳統(tǒng)課堂教學模式的教學效果。

實驗對象均為小學生，年齡在8—12歲之間，實驗對象都經過一段時間的培訓對機器人課程有一定的了解掌握了基本的知識如：硬件的搭建以及軟件Mblock的基本操作?；谖⒄n的中小學機器人教學模式本研究以《Mblock聲音指令——小貓彈鋼琴》為例設計了教學方案。

1.教學目標

知識與技能：了解Mblock軟件輸入輸出程序，了解聲音指令各個模塊的功能，掌握利用聲音指令播放聲音并且設計樂器的方法。

過程與方法：能夠主動探索尋找解決問題的方法并提出解決方案。

情感態(tài)度與價值觀：通過學習激發(fā)學習者學習機器人的興趣調動學習的積極性，使學習者明白團隊合作的重要性，培養(yǎng)學習者自主學習的能力。

2.操作程序

首先根據(jù)教學目標設計教學方案，準備素材制作微課視頻。微課視頻主要介紹Mblock軟件中聲音指令各個功能模塊的功能與作用，整個教學內容圍繞教學案例“小貓彈鋼琴”展開教學，主要內容：

（1）演示小貓彈鋼琴程序，教學者在電腦鍵盤上按鍵操控動畫里的小貓彈奏《兩只老虎》；

（2）提出問題如何利用Mblock制作樂器；

（3）打開Mblock新建項目演示制作鍵盤鋼琴的程序過程，讓學生了解軟件如何制作樂器，設計播放聲音場景程序，運行并且保存程序；

（4）布置任務讓學習者根據(jù)自己的喜好，設計屬于自己的樂器控制程序，能夠彈奏一首簡單的曲子，運行效果并且保存程序、運行程序。

教師將制作好的微課資源上傳，學習者下載Mblcok軟件后在教學平臺上觀看視頻進行學習。

3.實現(xiàn)條件

硬件：電腦一臺（教學者），電腦、手機、平板等微課觀看設備；

軟件：Mblock，cs8.0，WPS等。

4.教學評價

針對本教學模式共設計了學習者學習情況評價量表、微課課程評價量表、學習者學習情況自我評價量表三種評價量表。教師通過分析評價量表，有助于了解學習者的學習情況、及時調整教學策略及教學方法、調整微課課程設置。

《小貓彈鋼琴》主要的教學內容是程序的編寫，除了程序的編寫在中小學機器人教育中還有硬件的搭建。我們?yōu)榱说玫娇茖W、準確、全面的實驗結果，從多方面驗證微課的教學效果，還選取了一節(jié)硬件搭建課程——藍牙小車將其制作成微課。藍牙小車所用到的主板是Makeblock Orion ，是一個基于Arduino Uno針對教學用途，升級改進的主控板，它擁有強大的驅動能力，輸出功率達18W，可以驅動4個直流電機。它設計的色標體系用于主板與傳感器模塊的連接，Makeblock通過不同的傳感器模塊進行功能的實現(xiàn)，Orion主板有8個獨立的RJ25接口，可以實現(xiàn)電路連接，非常方便學習者使用。Makeblock主板Makeblock Orion、模塊藍牙模塊以及藍牙小車搭建完成圖見圖4：

機器人教育微課課程《Mblock——小貓彈鋼琴》和《Mblock——藍牙小車的搭建》制作完成后，我們進行了教學實驗。本研究將學生分為A、B兩組，實驗組的學生通過微課進行課程的學習，對照組進行傳統(tǒng)課堂授課。為了盡量排除其他因素的干擾影響實驗結果，我們將教學實驗分為兩個部分：首先，將A組學生作為實驗組，B組作為對照組學習課程《Mblock——小貓彈鋼琴》；然后，B組學生作為實驗組，A組作為對照組學習課程Mblock——藍牙小車的搭建》。教學實驗共進行了4個課時，我們統(tǒng)計了學習相同內容學習者所花費的時間。結果如圖5：

實驗結果表明學習者學習同樣的知識點，通過微課學習完成設定目標學生學習時間為30到40分鐘，傳統(tǒng)課堂教學則需要90分鐘左右。利用微課學習可以縮短學習時間主要是因為傳統(tǒng)的課堂教學需要照顧到大部分學生的學習進度造成教學時間增加，而利用微課學習完全按照自己的學習進度來學習。

實驗完成后我們通過訪談法對實驗對象的學習情況進行了調查，95%的學習者在沒有教師幫助的情況下通過微課學習可以完全掌握相關知識點。并且90%以上的學習者認為學習進度的調整這方面相比于傳統(tǒng)課堂教學更喜歡利用微課學習，可以按照自己的學習情況來學習。

通過實驗可以得出結論：基于微課的中小學機器人教學模式具有可行性，并且相比于傳統(tǒng)課堂教學利用微課學習在一定程度上可以提高學習機器人課程的學習效率。有利于學生進行個性化學習，更重要的是節(jié)省了教學資源，降低了學習成本，有利于實現(xiàn)資源共享。

五、結束語

本文針對中小學機器人教學的特點與微課應用于教學的優(yōu)勢將兩者結合，構建了基于微課的中小學機器人教學模式。中小學機器人教育并不等同于貴族教育，我們通過教學實踐不斷對教學模式進行修改和完善，本文希望能夠為我國的中小學機器人教育提供一種切實可行高效的學習模式，為學校提供行之有效的教學方法、為教師提供廣闊的交流平臺、為學習者提供優(yōu)質的學習資源，能夠為推動中小學機器人教育發(fā)展做出貢獻。

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（編輯：郭桂真）