中學機器人社團教學的框架構建研究*
——以M學校能力風暴機器人社團課為例

趙悅芳，秦 健 ，上官林 ，陳亞茹

（1.陜西師范大學 教育學院，陜西 西安 710062；2.陜西師范大學 萬科中學，陜西 西安 710062）

一、引言

當今時代，機器人技術不斷發(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，為學生提供個性化的學習體驗，并提升教師的教學效率與學生的學習體驗。[1]國務院副總理劉鶴在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)更多機器人領域發(fā)展所需的人才，努力提升國民教育水平，適應機器人時代的新要求。學校是培養(yǎng)人才的重要基地，我國的機器人教育大多在中小學開展，學校機器人教育的開展可以提高學生的問題解決能力、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，以促進學生全面發(fā)展。

圖1 機器人教學論文發(fā)表年度趨勢圖

二、機器人教學現(xiàn)狀

機器人教育近年來發(fā)展迅速，備受關注。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)上以機器人教學為主題進行檢索，獲得相關文獻并對其進行分析。

1.機器人教學總體發(fā)展趨勢

從圖1的總體趨勢看，我國的機器人教學發(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，《基礎教育信息技術課程標準（2012版）》就信息技術課程中的機器人教育有清晰的規(guī)定，明確提出將小學信息技術課程拓展部分的模塊二設置為“機器人入門”，初中信息技術課程拓展部分的模塊二設置為“機器人設計與制作”，龐漢平等將通用技術中的“智能機器人”與信息技術科目之一的“算法與程序設計”進行融合，為機器人教學提供了新的研究視角。[4]

2.機器人教學類型

隨著國家政策和機器人比賽的推動，中小學機器人教學不斷發(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)，目前中學主要通過機器人教學來進行機器人教育，且多以機器人社團和興趣小組的形式開展，機器人教學可分為機器人常規(guī)教學和機器人競賽兩類。

（1）機器人常規(guī)教學

隨著人工智能和機器人領域的不斷發(fā)展，機器人以新的教育載體走入大家的視野，一些學校積極探索，教育部也頒布了相關條例來推動機器人教育，促進學生的全面發(fā)展。2000年，北京景山學校創(chuàng)辦智能機器人小組，將機器人內(nèi)容納入信息技術教學中，率先在國內(nèi)開展了智能機器人教學；2003年，教育部頒布《普通高中·技術課程標準（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科課程標準（2017年版）》在通用技術課程中增加了“機器人設計與制作”模塊，涉及計算機、程序設計、傳感器等。這些大都以培訓班的形式開展，主要以講授法和任務驅(qū)動法為主，學校多以購買器材，在信息技術或者物理學科教師的指導下進行教學，學生進行機器人搭建和編程的學習，同時使機器人在教學中起到輔助的作用。

（2）機器人競賽

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

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

3.機器人教學的開展方式

學校課堂形式多樣，如何把機器人引入學校來開展教學是多數(shù)學?？紤]的問題。目前，在學校教育環(huán)境中，我國機器人教學的形式主要有兩種：①依附于信息技術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生進行相關的特長培養(yǎng)。近年來，隨著創(chuàng)客、STEAM、人工智能的發(fā)展，很多學校陸續(xù)開始嘗試將機器人教育設置成專門的課程來進行獨立的講授與學習。

三、機器人社團教學的框架體系構建

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

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

筆者結合自己的教學實踐經(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，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，它是對一個學期的社團教學以及學習效果的總結，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2 社團活動關系圖

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大綱和教學器材。社團還應該有自己的教學場所（機器人教室）以便教師教學活動的開展，教室里面有桌子板凳和電腦等供學生學習。線上建立QQ群，以便學生建立聯(lián)系，了解學生，給學生課后輔導。

圖3 社團活動過程模式圖

日常教學活動是指教師的日常教學，這個可基于項目式學習或任務驅(qū)動法以合作學習的形式開展。教師先確定上課的主題、教給學生的知識，為學生講解知識點。然后給學生布置任務，讓學生分組進行學習。接著組織學生進行分享與交流，經(jīng)過一段時間的思考與探索，學生有了自己的答案。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，找出共性問題，統(tǒng)一進行講解。最后教師進行點評。學生自行完善方案進行優(yōu)化。

社團展示活動是指學校舉辦的社團展示活動。它開展的效果反映了學校對整個社團的整體評價情況，同時教師通過學生參加社團展示的表現(xiàn)對學生個人進行評價。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的教室?；顒诱＿M行，教師要給予一定的引導，讓學生進行自由的發(fā)揮?；顒咏Y束后，師生進行總結、反思。

四、M中學開展機器人教育的實踐案例

1.學?，F(xiàn)狀

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

2.前期準備活動

筆者所帶的是M中學的機器人社團，所教授的機器人類型是能力風暴機器人。

（1）學生情況分析

在開學前期，學校就已經(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。學生基礎參差不齊，之前有學生學習了能力風暴家庭版的機器人，由于家庭版機器人用手機App以圖形化編程界面進行，學生對手機依賴較大，學生上課的效果不好，編程基礎薄弱；部分學生完全沒有接觸過機器人。總體來看，學生基礎較低，能力基本上持平。

（2）課程資源準備

設備準備：筆者根據(jù)陜西師范大學萬科中學的社團人員情況，跟學校德育處的教師進行交流，結合學校對機器人社團的愿景，它們希望學生的搭建和編程能力有所提升，并且學校的社團可以走得遠一些。我們和企業(yè)進行交流，購置了一套學校課程可以重復使用的教學設備。

（3）教學內(nèi)容準備

筆者根據(jù)學生的情況，結合能力風暴產(chǎn)品資料，設計了如圖4所示的教學大綱：

圖4 社團教學大綱

（4）教學環(huán)境準備

教學環(huán)境是有電腦、桌子、凳子和白板的教室。

3.日常教學活動

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

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，教師準備一個教學使用的簡易場地圖。

（2）課前回顧，講解新知

復習上節(jié)課所學的單灰度巡線，給學生講解關于能力風暴雙灰度巡線的原理。

（3）布置任務，小組合作

給學生布置任務，讓小車沿黑線走到T字的橫線處停下。（見圖5）

圖5 教師布置任務圖

學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。教師在這個過程中進行引導，啟發(fā)學生思考。（見圖6）

（4）設計活動，促進合作

由于本社團由初一、初二兩部分學生組成，為了促進學生學習的積極性，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。

圖6 學生小組合作圖

（5）學生分享，教師指導

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

（6）學生反思，完善方案

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

4.學校展示活動

第十周的社團課為學校的社團展示活動。學校進行展示活動時筆者和學生共同選定活動主題，根據(jù)筆者所教授的課程內(nèi)容以及學生的能力情況，確定活動主題——巡線機器人。（見圖7）跟學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。上報學校之后，教師需要制作社團活動展示牌，筆者設計了本社團的活動展示。活動前一天，筆者按照學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。筆者在教室引導學生如何向別人進行展示，學生講得有聲有色，前來參觀我們社團的人數(shù)絡繹不絕?；顒咏Y束后，筆者跟學生共同總結活動中出現(xiàn)的問題，并進行反思。

五、建議與反思

機器人社團教學已逐漸成為當前中小學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

圖7 社團活動展示圖

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

2.加強機器人教育的教師培訓

教師是教學的關鍵，是學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、信息技術等有學科背景的教師擔任，這些教師在自己的教育領域所接觸的知識不能跟機器人教學所需要的知識內(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，教學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.在教學過程中更多關心學生心理

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

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，學生基礎不一，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生的學習進度，問問學生的學習效果，學生進行反饋以便教師更好地教學。此外，加強師生交流，幫助教師了解學生。