中學(xué)機器人社團教學(xué)的框架構(gòu)建研究

趙悅芳 秦健 上官林 陳亞茹

摘? ?要：目前，機器人教育的相關(guān)研究日漸增多，但大多都是以理論研究為主，如何讓其落地、真正切實地實施起來是一個值得研究的問題，需要教師在實踐中不斷探索總結(jié)。研究發(fā)現(xiàn)，不少學(xué)校不知道如何在學(xué)校系統(tǒng)地實施機器人教學(xué)，本文作者在查閱相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，以自己在M中學(xué)所帶的機器人社團課為例，結(jié)合自己的社團實踐經(jīng)驗，構(gòu)建了機器人社團教學(xué)體系框架，以期為學(xué)校開展機器人教學(xué)提供經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：能力風(fēng)暴機器人;機器人教學(xué);社團;任務(wù)驅(qū)動法

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2019）07-0041-05

一、引言

當今時代，機器人技術(shù)不斷發(fā)展，機器人教育方興未艾。2018 年3 月1 日發(fā)布的《美國機器智能國家戰(zhàn)略》中提到，機器智能可以融入課堂教學(xué)，為學(xué)生提供個性化的學(xué)習(xí)體驗，并提升教師的教學(xué)效率與學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗。[1]國務(wù)院副總理劉鶴在2018年世界機器人大會上指出，機器人是當前科技變革的最重要領(lǐng)域之一，將對人類社會的生產(chǎn)模式和生活方式產(chǎn)生深刻影響。百年大計，教育為本，他提出要大力加強教育，培養(yǎng)更多機器人領(lǐng)域發(fā)展所需的人才，努力提升國民教育水平，適應(yīng)機器人時代的新要求。學(xué)校是培養(yǎng)人才的重要基地，我國的機器人教育大多在中小學(xué)開展，學(xué)校機器人教育的開展可以提高學(xué)生的問題解決能力、溝通交流能力與團隊協(xié)作能力，通過創(chuàng)意、搭建、編程、分享來不斷認識并探索知識，以促進學(xué)生全面發(fā)展。

二、機器人教學(xué)現(xiàn)狀

機器人教育近年來發(fā)展迅速，備受關(guān)注。如何開展機器人教育也成為人們討論的熱點話題。目前，隨著各類機器人競賽的開展，許多學(xué)校相繼開展了機器人教育。筆者在中國知網(wǎng)上以機器人教學(xué)為主題進行檢索，獲得相關(guān)文獻并對其進行分析。

1.機器人教學(xué)總體發(fā)展趨勢

從圖1的總體趨勢看，我國的機器人教學(xué)發(fā)展可分為兩個階段：①2000年到2011年為起步發(fā)展期。2000年，機器人教學(xué)研究的主要是單片機控制的示教機器人。[2]2003年，教育部頒布的《普通高中新課程標準》明確將“簡易機器人制作”列入中小學(xué)選修課程內(nèi)容。[3]隨著機器人比賽和國家政策的推動，機器人教學(xué)研究開始發(fā)展起來。②2011年到2018年為快速發(fā)展期。2011年，《基礎(chǔ)教育信息技術(shù)課程標準（2012 版）》就信息技術(shù)課程中的機器人教育有清晰的規(guī)定，明確提出將小學(xué)信息技術(shù)課程拓展部分的模塊二設(shè)置為“機器人入門”，初中信息技術(shù)課程拓展部分的模塊二設(shè)置為“機器人設(shè)計與制作”，龐漢平等將通用技術(shù)中的“智能機器人”與信息技術(shù)科目之一的“算法與程序設(shè)計”進行融合，為機器人教學(xué)提供了新的研究視角。[4]

2.機器人教學(xué)類型

隨著國家政策和機器人比賽的推動，中小學(xué)機器人教學(xué)不斷發(fā)展。筆者根據(jù)查閱到的資料以及對教師的訪談發(fā)現(xiàn)，目前中學(xué)主要通過機器人教學(xué)來進行機器人教育，且多以機器人社團和興趣小組的形式開展，機器人教學(xué)可分為機器人常規(guī)教學(xué)和機器人競賽兩類。

（1）機器人常規(guī)教學(xué)

隨著人工智能和機器人領(lǐng)域的不斷發(fā)展，機器人以新的教育載體走入大家的視野，一些學(xué)校積極探索，教育部也頒布了相關(guān)條例來推動機器人教育，促進學(xué)生的全面發(fā)展。2000年，北京景山學(xué)校創(chuàng)辦智能機器人小組，將機器人內(nèi)容納入信息技術(shù)教學(xué)中，率先在國內(nèi)開展了智能機器人教學(xué);2003年，教育部頒布《普通高中·技術(shù)課程標準（實驗）》將機器人以選修三“簡易機器人”的形式納入通用技術(shù)模塊中;2017年12月教育部印發(fā)《普通高中課程方案和語文等學(xué)科課程標準（2017年版）》在通用技術(shù)課程中增加了“機器人設(shè)計與制作”模塊，涉及計算機、程序設(shè)計、傳感器等。這些大都以培訓(xùn)班的形式開展，主要以講授法和任務(wù)驅(qū)動法為主，學(xué)校多以購買器材，在信息技術(shù)或者物理學(xué)科教師的指導(dǎo)下進行教學(xué)，學(xué)生進行機器人搭建和編程的學(xué)習(xí)，同時使機器人在教學(xué)中起到輔助的作用。

（2）機器人競賽

機器人競賽也是中小學(xué)開展機器人教學(xué)的形式之一?，F(xiàn)在多種機器人競賽，如世界機器人大賽青少年設(shè)計類賽事、FLL比賽、WER比賽等。這些競賽都有自己的競賽主題、規(guī)則和需要配備的器材。教師根據(jù)競賽任務(wù)，給學(xué)生上課，以便學(xué)生可以完成競賽所規(guī)定的任務(wù)。這些競賽情境性很強，一下給學(xué)生以代入感，比如足球機器人賽事;FLL“飲水思源”，這樣的主題可以與學(xué)生生活發(fā)生聯(lián)系，讓學(xué)生更有興趣去學(xué)習(xí)。學(xué)生通過競賽設(shè)置的任務(wù)來學(xué)習(xí)機器人相關(guān)知識，并且比賽多以團隊形式開展，在這個過程中可以培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力、合作交流能力，提升自己的創(chuàng)造力。可以讓中小學(xué)生提升自己的科技素養(yǎng)。但這種競賽一般需要配有相應(yīng)的場地和器材，學(xué)校耗材太大，不利于一般學(xué)校開展，而且學(xué)校參加比賽，會有名額限制，學(xué)校出于各種原因，選擇的都是很優(yōu)秀的學(xué)生，這種培優(yōu)的競賽模式，難免會挫傷剩下學(xué)生參與機器人學(xué)習(xí)的信心。

筆者認為，機器人教學(xué)完全融合兩種教學(xué)形式的優(yōu)勢，以日常教學(xué)為主，在日常教學(xué)中融入競賽式的主題，以項目式學(xué)習(xí)為主，會提高學(xué)生的參與度，活躍課堂氣氛，也給教師搭建了一種教學(xué)模式，使之可以在教學(xué)時有理論依據(jù)，從而形成機器人教學(xué)的一種風(fēng)格。

3.機器人教學(xué)的開展方式

學(xué)校課堂形式多樣，如何把機器人引入學(xué)校來開展教學(xué)是多數(shù)學(xué)?？紤]的問題。目前，在學(xué)校教育環(huán)境中，我國機器人教學(xué)的形式主要有兩種：①依附于信息技術(shù)課程中的機器人教育模塊來推進實施;②以社團或興趣班的形式對學(xué)生進行相關(guān)的特長培養(yǎng)。近年來，隨著創(chuàng)客、STEAM、人工智能的發(fā)展，很多學(xué)校陸續(xù)開始嘗試將機器人教育設(shè)置成專門的課程來進行獨立的講授與學(xué)習(xí)。

三、機器人社團教學(xué)的框架體系構(gòu)建

機器人教育因其自己的特色，使機器人教學(xué)在開展過程中具有特殊性。社團活動作為學(xué)生課外興趣的學(xué)習(xí)形式，對學(xué)生的成長很重要。機器人社團是一種廣為接受的學(xué)校機器人教學(xué)形式之一，有自己的優(yōu)勢：第一，有利于提高教學(xué)質(zhì)量。它不是傳統(tǒng)的班級授課制的課業(yè)學(xué)習(xí)，而是多以硬件為載體、軟件為依托，結(jié)合小班教學(xué)的理念，以小組合作的形式展開，教師在課堂中起到一個指導(dǎo)者、協(xié)調(diào)者的作用，可以關(guān)注到每個學(xué)生在課堂中出現(xiàn)的問題，并有針對性地加以解決。第二，可以加深學(xué)生對自己的認知。在這個過程中，教師去了解學(xué)生，發(fā)現(xiàn)每個學(xué)生的優(yōu)勢，個性化地給以指導(dǎo)，幫他們更好地認識自己。第三，可以提高學(xué)生的自我效能感。平時學(xué)習(xí)不好的學(xué)生在社團活動中找到自信，以促進自己平時文化課的學(xué)習(xí)，幫助他們健康發(fā)展。

機器人教學(xué)的開展是學(xué)校開展機器人教育的重要途徑，多數(shù)學(xué)校不知如何在本校開展機器人教育。筆者結(jié)合訪談和查閱相關(guān)文獻，根據(jù)自己將近一年的機器人社團教學(xué)經(jīng)驗，構(gòu)建了如圖2、圖3所示的社團教學(xué)框架體系。整個框架體系包括兩大部分：一是社團活動關(guān)系，二是社團活動過程模式。

筆者結(jié)合自己的教學(xué)實踐經(jīng)驗提出的機器人社團活動模型總體包括前期準備活動、日常教學(xué)活動以及社團展示活動3大部分。最底層是前期準備活動，它是整個活動開展的基礎(chǔ)，只有做好了前期準備，后面工作才可以展開。中間是日常教學(xué)活動，這個是整個活動圖的中心，也是我們社團活動開展的重要環(huán)節(jié)。最頂層是社團展示活動，它是對一個學(xué)期的社團教學(xué)以及學(xué)習(xí)效果的總結(jié)，可以說是對社團的總體評價。這三個活動是逐漸遞進但又相輔相成，共同促進了整個社團活動環(huán)節(jié)的完整性。如圖2所示。

圖3展現(xiàn)了整個社團的運行過程。前期準備活動是整個社團活動的開端。有線上線下兩種形式。線下，首先要根據(jù)招募要求，在學(xué)生自愿的前提下為社團招募成員。然后社團教師準備社團教學(xué)大綱和教學(xué)器材。社團還應(yīng)該有自己的教學(xué)場所（機器人教室）以便教師教學(xué)活動的開展，教室里面有桌子板凳和電腦等供學(xué)生學(xué)習(xí)。線上建立QQ群，以便學(xué)生建立聯(lián)系，了解學(xué)生，給學(xué)生課后輔導(dǎo)。

日常教學(xué)活動是指教師的日常教學(xué)，這個可基于項目式學(xué)習(xí)或任務(wù)驅(qū)動法以合作學(xué)習(xí)的形式開展。教師先確定上課的主題、教給學(xué)生的知識，為學(xué)生講解知識點。然后給學(xué)生布置任務(wù)，讓學(xué)生分組進行學(xué)習(xí)。接著組織學(xué)生進行分享與交流，經(jīng)過一段時間的思考與探索，學(xué)生有了自己的答案。教師可以組織分享，以便讓其他小組了解自己的想法;也可以在過程中進行指導(dǎo)，找出共性問題，統(tǒng)一進行講解。最后教師進行點評。學(xué)生自行完善方案進行優(yōu)化。

社團展示活動是指學(xué)校舉辦的社團展示活動。它開展的效果反映了學(xué)校對整個社團的整體評價情況，同時教師通過學(xué)生參加社團展示的表現(xiàn)對學(xué)生個人進行評價。社團展示活動的開展需要師生共同確定活動主題，進而確定參加活動的人員，一般要挑選講解人員與演示人員。然后教師要撰寫活動計劃，包括活動流程的開展、活動器材的準備等。計劃撰寫完后，由教師制作社團活動展示牌，學(xué)生準備演講稿。一般活動前一天下午或者晚上，要布置場地，把所需要的展品擺放到相應(yīng)的教室。活動正常進行，教師要給予一定的引導(dǎo)，讓學(xué)生進行自由的發(fā)揮。活動結(jié)束后，師生進行總結(jié)、反思。

四、M中學(xué)開展機器人教育的實踐案例

1.學(xué)?，F(xiàn)狀

M中學(xué)是陜西省一所新開的私立學(xué)校，學(xué)校新開不到三年，社團建設(shè)也剛剛起步，學(xué)校機器人教育尚未涉足。學(xué)校注重學(xué)生的發(fā)展，開設(shè)各種社團以促進學(xué)生素質(zhì)教育的全面發(fā)展。

2.前期準備活動

筆者所帶的是M中學(xué)的機器人社團，所教授的機器人類型是能力風(fēng)暴機器人。

（1）學(xué)生情況分析

在開學(xué)前期，學(xué)校就已經(jīng)招募了社團成員，社團人數(shù)總共20人，初一15人，初二5人，全是男生。學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊，之前有學(xué)生學(xué)習(xí)了能力風(fēng)暴家庭版的機器人，由于家庭版機器人用手機App以圖形化編程界面進行，學(xué)生對手機依賴較大，學(xué)生上課的效果不好，編程基礎(chǔ)薄弱;部分學(xué)生完全沒有接觸過機器人?？傮w來看，學(xué)生基礎(chǔ)較低，能力基本上持平。

（2）課程資源準備

設(shè)備準備：筆者根據(jù)陜西師范大學(xué)萬科中學(xué)的社團人員情況，跟學(xué)校德育處的教師進行交流，結(jié)合學(xué)校對機器人社團的愿景，它們希望學(xué)生的搭建和編程能力有所提升，并且學(xué)校的社團可以走得遠一些。我們和企業(yè)進行交流，購置了一套學(xué)校課程可以重復(fù)使用的教學(xué)設(shè)備。

（3）教學(xué)內(nèi)容準備

筆者根據(jù)學(xué)生的情況，結(jié)合能力風(fēng)暴產(chǎn)品資料，設(shè)計了如圖4所示的教學(xué)大綱：

（4）教學(xué)環(huán)境準備

教學(xué)環(huán)境是有電腦、桌子、凳子和白板的教室。

3.日常教學(xué)活動

日常教學(xué)活動筆者主要以任務(wù)驅(qū)動法展開。每次授課為兩小節(jié)，每節(jié)課都會給學(xué)生布置一個任務(wù)，整個教學(xué)活動圍繞任務(wù)展開。

現(xiàn)在以第九周《雙灰度巡線》為例來說明。

（1）課前準備，確定主題

本節(jié)課的主題是雙灰度巡線，教師準備一個教學(xué)使用的簡易場地圖。

（2）課前回顧，講解新知

復(fù)習(xí)上節(jié)課所學(xué)的單灰度巡線，給學(xué)生講解關(guān)于能力風(fēng)暴雙灰度巡線的原理。

（3）布置任務(wù)，小組合作

給學(xué)生布置任務(wù)，讓小車沿黑線走到T字的橫線處停下。（見圖5）

學(xué)生開始自己分組研究程序，看看該如何讓小車完成這個任務(wù)。教師在這個過程中進行引導(dǎo)，啟發(fā)學(xué)生思考。（見圖6）

（4）設(shè)計活動，促進合作

由于本社團由初一、初二兩部分學(xué)生組成，為了促進學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，筆者讓兩個年級分別選擇一個小組進行展示，初一、初二大比拼，看一下他們誰的程序編寫得最好。

（5）學(xué)生分享，教師指導(dǎo)

在這個過程中，筆者發(fā)現(xiàn)了一些共性問題，如馬達功率設(shè)置時，有兩個馬達，設(shè)置左右兩個馬達的功率，應(yīng)為馬達01，學(xué)生只設(shè)置了一個馬達;還有這個涉及灰度傳感器識別顏色的判斷程序，學(xué)生對這個程序的理解不是很清楚。

（6）學(xué)生反思，完善方案

在對學(xué)生的程序進行了講解與分析后，學(xué)生自行改正，完善自己的程序，把它下載到小車內(nèi)去測試程序，在學(xué)生測試完成后，本節(jié)課的內(nèi)容結(jié)束了。

4.學(xué)校展示活動

第十周的社團課為學(xué)校的社團展示活動。學(xué)校進行展示活動時筆者和學(xué)生共同選定活動主題，根據(jù)筆者所教授的課程內(nèi)容以及學(xué)生的能力情況，確定活動主題——巡線機器人。（見圖7）跟學(xué)生共同制訂活動計劃，并根據(jù)活動計劃確定參賽人員。主要分為兩類，一類主要是負責講解，一類是進行演示。上報學(xué)校之后，教師需要制作社團活動展示牌，筆者設(shè)計了本社團的活動展示。活動前一天，筆者按照學(xué)校的要求進行了場地的布置。第二天活動進行的時候，筆者需要在教室講解，師生前來參觀。筆者在教室引導(dǎo)學(xué)生如何向別人進行展示，學(xué)生講得有聲有色，前來參觀我們社團的人數(shù)絡(luò)繹不絕?；顒咏Y(jié)束后，筆者跟學(xué)生共同總結(jié)活動中出現(xiàn)的問題，并進行反思。

五、建議與反思

機器人社團教學(xué)已逐漸成為當前中小學(xué)開展機器人教育的主要形式，但由于國內(nèi)實踐經(jīng)驗較少，我們在實踐過程中難免會遇到一些困難，基于此，筆者提出以下建議：

1.加強課程資源的建設(shè)

課程資源是學(xué)生學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容，一套好的課程體系的搭建，可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中達到事半功倍的效果。

2.加強機器人教育的教師培訓(xùn)

教師是教學(xué)的關(guān)鍵，是學(xué)校開展機器人教育的主力軍?，F(xiàn)在國內(nèi)機器人教師大多由物理、信息技術(shù)等有學(xué)科背景的教師擔任，這些教師在自己的教育領(lǐng)域所接觸的知識不能跟機器人教學(xué)所需要的知識內(nèi)容、講課方式等恰當對接，不知道如何利用其資源去展開教學(xué)，教學(xué)過程中難免會覺得有些吃力，在教育實踐的過程中也存在著不少問題。

3.在教學(xué)過程中更多關(guān)心學(xué)生心理

初中學(xué)生思維活躍，但容易受影響。少數(shù)學(xué)生上課不認真，在看到這些現(xiàn)象的背后，我們要更多地去關(guān)注學(xué)生的心理建設(shè)，有些學(xué)生是因為對社團課重視不夠，有些學(xué)生則是人際關(guān)系處理時出現(xiàn)了問題，教師要了解學(xué)生問題背后的實質(zhì)，幫助學(xué)生上好課。

4.用好線上交流通道（如QQ群），做好反思

社團上課時間有限，一周一次。有些內(nèi)容較難，學(xué)生基礎(chǔ)不一，對知識的接受度也不一樣。對于這個，教師每次上完課要及時在群里跟進學(xué)生的學(xué)習(xí)進度，問問學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，學(xué)生進行反饋以便教師更好地教學(xué)。此外，加強師生交流，幫助教師了解學(xué)生。

參考文獻：

[1]吳永和，李彤彤.機器智能視域下的機器人教育發(fā)展現(xiàn)狀、實踐、反思與展望[J].遠程教育雜志，2018（4）：79-87.

[2]殷埝生，王剛，孫晨.一種教學(xué)機器人及其單片機控制系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2000（3）：32-34.

[3]王改霞，樸姬順.國內(nèi)機器人教育研究發(fā)展綜述[J].中國教育信息化，2012（12）：14-17.

[4]龐漢平，李明彥.“算法與程序設(shè)計”和“智能機器人”課程整合初探[J].中國電化教育，2011（3）：101-104，111.

（編輯：王天鵬）