青少年機(jī)器人教育課程體系研究

陳良波，林清蘭

(泉州職業(yè)技術(shù)大學(xué)，福建 泉州 362269)

0 引言

青少年機(jī)器人教育在我國已有三十多年的發(fā)展，并在近十年越來越火，主要原因是科技水平的發(fā)展、人們生活水平的提高等，當(dāng)然近年來從政府層面上也重視起來。2017年8月國務(wù)院發(fā)布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃要求實施全民智能教育項目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育。2018年4月教育部發(fā)布了《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》，計劃要求支持高校教師參與中小學(xué)人工智能普及教育和相關(guān)研究工作。目前，機(jī)器人技術(shù)是人工智能的一個重要技術(shù)分支，同時深受中小學(xué)創(chuàng)客者的喜愛。因而，從政府政策層面、高校、中小學(xué)、社會等都非常重視機(jī)器人教育，建構(gòu)一個合理的、完善的機(jī)器人教育體系非常有必要，且具有很好的現(xiàn)實意義。

1 青少年機(jī)器人教育存在的問題

雖然機(jī)器人教育已有三十多年的發(fā)展，在課外培訓(xùn)占據(jù)一定的市場，家長也更加重視，比賽考證也逐步規(guī)范，儼然成為我國教育中不可或缺的一部分，但是在很多專業(yè)人士眼里，還存在不少問題，主要有以下幾點。

(1)課程體系不系統(tǒng)。目前，市場提供主要有樂高課程體系、創(chuàng)客體系等，很多培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的課程零散，沒有體系化，過分依賴某些公司產(chǎn)品或者套件，大多是以產(chǎn)品說明書進(jìn)行教育，學(xué)生還很難系統(tǒng)化學(xué)習(xí)[1]。

(2)缺乏專業(yè)師資隊伍。機(jī)器人教育對師資要求高，老師知識面要廣，主要包括結(jié)構(gòu)知識方面，涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)知識、3D打印知識、激光切割知識等；電子電路方面，可能包括單片機(jī)知識、傳感器知識，電子電路知識等；程序方面，涉及Scratch、Python、C等各種編程語言。目前，高?；緵]有相關(guān)專業(yè)在針對性地教授這些課程，因而，師資是目前機(jī)器人教育最大的一個問題。

(3)機(jī)器人競賽問題。以前機(jī)器人競賽幾乎都是依賴某些公司產(chǎn)品，主要有樂高、WER、VEX等，相互間不兼容，價格昂貴；另外，品牌公司有操控比賽結(jié)果的可能。目前，開源技術(shù)發(fā)展迅速，最近幾年的相關(guān)比賽中很多支持開源硬件，但由于主觀因素較多，比賽結(jié)果的公平性有待進(jìn)一步提高。

(4)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡。農(nóng)村和城市機(jī)器人教育差距較大，很難推廣和普及。

基于以上問題，且有些問題比較嚴(yán)重，因此，充分利用高校資源，借鑒國內(nèi)外一些優(yōu)秀的軟硬件、教學(xué)方法，兼顧經(jīng)濟(jì)落后地方，構(gòu)建了一個以培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新和動手實踐能力為目的的青少年機(jī)器人教育課程體系具有相當(dāng)?shù)默F(xiàn)實和理論意義[2]。

2 課程總體設(shè)計思路

由于機(jī)器人技術(shù)涉及的內(nèi)容很多，另外長期以來中小學(xué)也沒有為其開設(shè)一門學(xué)科，因此，在課程標(biāo)準(zhǔn)、課程內(nèi)容邏輯體系、軟硬件工具的選擇等，沒有可以遵循的標(biāo)準(zhǔn)。對于機(jī)器人教育課程體系的構(gòu)建，建議自上而下，從頂層考慮課程總體設(shè)計的理念，從實施層面考慮課程體系內(nèi)容。因而，本研究從課程設(shè)計理念和課程體系兩個方面進(jìn)行研究，力求為我國青少年機(jī)器人教育的發(fā)展提供參考。

3 課程總體設(shè)計理念

機(jī)器人課程設(shè)計理念應(yīng)該考慮幾點：一是大眾經(jīng)濟(jì)上要能夠接受，特別關(guān)注欠發(fā)達(dá)地區(qū)或者農(nóng)村地區(qū)的學(xué)生；二是課程采用的軟硬件應(yīng)容易獲得，不封閉且支持圖形化編程；三是課程內(nèi)容采用項目化設(shè)計，任務(wù)驅(qū)動以提高學(xué)習(xí)興趣。

3.1 以工程的視角、STEAM理念來設(shè)計教學(xué)內(nèi)容框架

工程的視角是課程每次內(nèi)容可以取自一個工程產(chǎn)品或者每一個項目的學(xué)習(xí)過程，就像一個工程產(chǎn)品的產(chǎn)出過程一樣。STEAM理念是每個課程作品可能會涉及很多相關(guān)學(xué)科的重要知識，比如，科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)、藝術(shù)等，并且把這些重要的知識點比較巧妙地穿插于整個課程教學(xué)過程中。例如，在《吊車》這節(jié)課程中，首先讓大家看下現(xiàn)實中的吊車及它的工作過程；其次通過拼搭介紹其中蘊(yùn)含的專業(yè)知識，如渦輪渦桿、等臂杠桿、機(jī)械互鎖等工程知識，通過拼搭講解讓學(xué)生掌握；接著鼓勵學(xué)生根據(jù)喜好搭建屬于自己的吊車；最后，主要通過3種方式——學(xué)生作品自我講解、學(xué)生互評、老師評價等，從工程知識角度、技術(shù)設(shè)計角度、藝術(shù)審美角度等，讓學(xué)生進(jìn)一步加深對作品的理解，提高學(xué)生的綜合科學(xué)素養(yǎng)[3]。

3.2 實施趣味性設(shè)計的項目驅(qū)動

興趣是最好的老師，青少年機(jī)器人教育首先也是要讓學(xué)生感興趣，因而實施趣味性設(shè)計的項目驅(qū)動是很有必要的。采用趣味化的任務(wù)驅(qū)動項目設(shè)計，注重理論和實際操作的結(jié)合，讓學(xué)生在動手中學(xué)習(xí)理論知識，體會做中學(xué)、學(xué)中做、樂中學(xué)的目的。在課程內(nèi)容的設(shè)計上，突出系統(tǒng)性、趣味性和實用性特點。在教學(xué)方法上，采用任務(wù)驅(qū)動，以學(xué)生為中心，鼓勵學(xué)生多思考、多動手，教師主要負(fù)責(zé)理論講解、學(xué)習(xí)過程的引導(dǎo)、作品總結(jié)與反思，重點培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)[4]。

3.3 支持開源精神

最近十幾年，支持開源軟硬件的公司越來越多，種類和應(yīng)用也越來越廣泛，常見的適合青少年的開源軟件有麻省理工的Scratch，拓展Scratch的Kitten、Mand +、Kittenblock等，Blockly、Linux、Appinventor、Mixly等，硬件有Micro:bit、Arduino、掌控板、樹莓派等，當(dāng)然還有各種各樣的傳感器，非常豐富且使用方便。要支持開源精神，主要有幾方面原因：一是品牌機(jī)器人過于昂貴，經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)和農(nóng)村地區(qū)的學(xué)生很難負(fù)擔(dān)得起；二是品牌機(jī)器人在兼容性方面不夠友好，很多產(chǎn)品對于非自身品牌配件不兼容，可能會限制學(xué)生學(xué)習(xí)和想象力空間；三是開源軟硬件的優(yōu)勢，其價格便宜、容易獲得，各類比賽不會指定器材，產(chǎn)品間的兼容性也相當(dāng)友好，產(chǎn)品外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計開放且可以手工設(shè)計，可鼓勵學(xué)生創(chuàng)客精神。

4 課程體系設(shè)計

4.1 內(nèi)容與教具選取

機(jī)器人技術(shù)的內(nèi)容主要涉及外觀結(jié)構(gòu)、電子技術(shù)、程序控制等綜合學(xué)科知識，因此，在課程體系設(shè)計上應(yīng)該包括如圖1所示的3個方面。機(jī)器結(jié)構(gòu)主要由樂高積木拼搭、手工制作、3D打印、激光切割等方式獲得，一般樂高積木拼搭作為機(jī)器結(jié)構(gòu)的入門學(xué)習(xí)，3D打印和激光切割為高階的應(yīng)用學(xué)習(xí)。電子電路技術(shù)是一個難點，目前市面上主要有兩大類，一是塑料封閉標(biāo)準(zhǔn)接口接線，可讓學(xué)生不需要掌握多少電子知識，專注電子編程；一是無封裝裸板所有引腳自行接線，要求學(xué)生擁有較高水平的電子知識，有利于創(chuàng)新。編程主要有圖形化編程和代碼編程，其中，圖形化編程非常適合初學(xué)者入門和用來提高，代碼編程比較合適較高年級的學(xué)生。

教具與內(nèi)容的選取：在機(jī)器結(jié)構(gòu)方面，入門采用樂高積木，先大顆粒再小顆粒，建議學(xué)前采用樂高9656，幼小銜接采用樂高9686，小學(xué)低年級采用Wedo套裝，較高年級進(jìn)階3D打印、激光切割課程。在電子電路方面，采用開源電子產(chǎn)品，建議使用Micro:bit、Arduino、掌控板、樹莓派、虛谷號等開源主控制器，電子元件器采用開源元器件。在編程方面，建議圖形化入門再代碼編程學(xué)習(xí)，圖形編程建議使用Scratch、進(jìn)階Kitten、Kittenblock、谷德微等，代碼編程建議Python和C++。

圖1 機(jī)器人教育的3個方面

4.2 課程體系構(gòu)建

課程基于STEAM教學(xué)理念，將科學(xué)、信息技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識有機(jī)結(jié)合起來，面向4～16周歲的孩子，根據(jù)課程設(shè)計思路和漸進(jìn)式學(xué)習(xí)要求，開發(fā)學(xué)前拼搭、初級拼搭與圖形化編程、中級Scratch編程、高級電子課程、拓展創(chuàng)客課程、考證競賽課程等，培養(yǎng)少兒的動手能力、邏輯思維能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力，如圖2所示。

圖2 漸進(jìn)式課程體系