美國(guó)KIBO機(jī)器人課程的實(shí)踐分析與改進(jìn)

鐘莉 劉晴 黃芳華 賴(lài)桂花 吳彥林

摘 要：人工智能時(shí)代，幼兒編程發(fā)展迅速，幼兒編程課程的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用也得到較大的促進(jìn)，如KIBO機(jī)器人課程。但是，其實(shí)施效果欠佳，存在一些問(wèn)題，如行動(dòng)路徑過(guò)于理想化、無(wú)法查看掃入的程序、按鍵太單一、售價(jià)高、普及率低等，需要進(jìn)行改良，提高KIBO機(jī)器人課程實(shí)施效果，促進(jìn)幼兒編程教育發(fā)展。

關(guān)鍵詞：KIBO; 機(jī)器人; 編程教育; 課程分析與改進(jìn)

中圖分類(lèi)號(hào)：G434? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-3315（2021）12-008-002

近年來(lái)，隨著大數(shù)據(jù)和人工智能的快速發(fā)展，國(guó)家和各級(jí)政府高度重視，出臺(tái)系列政策措施推進(jìn)幼兒編程教育。例如2017年浙江將信息技術(shù)編程納入高考科目[1];2018年，重慶明確要求：小學(xué)、初中累計(jì)不少于36課程[2];2020年教育部在相關(guān)的答復(fù)函中指出：已制定專(zhuān)門(mén)文件，將包括編程教育在內(nèi)信息技術(shù)內(nèi)容納入到中小學(xué)相關(guān)課程[3]。因此如何有效推進(jìn)幼兒編程教育是我們當(dāng)前急需改革與實(shí)踐的重要課題。然而我國(guó)幼兒編程課程起步較晚，幼兒編程課程的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用大多數(shù)都是引進(jìn)和借鑒國(guó)外的幼兒編程技術(shù)，如美國(guó)KIBO機(jī)器人課程。在實(shí)踐中，該課程本土化實(shí)施效果欠佳。

一、KIBO機(jī)器人的概況

（一）KIBO的發(fā)展

KIBO機(jī)器人課程是由畢業(yè)于美國(guó)麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室的MARINA教授，領(lǐng)銜塔夫茨大學(xué)KINDERLAB ROBOTICS實(shí)驗(yàn)室，在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助下，成功研發(fā)KIBO機(jī)器人及配套的課程[4]。該課程體系基于國(guó)際先進(jìn)的STEAM教育理念，根據(jù)美國(guó)及其周邊國(guó)家的使用案例與市場(chǎng)反饋，在全美四十多個(gè)州普及，并在歐洲落地。2019年波士頓美亞集團(tuán)將KIBO機(jī)器人及其教學(xué)課程引入中國(guó)大陸市場(chǎng)并做好本土化改進(jìn)，命名為CODE KEY編程課程[5]。

（二）KIBO課程體系

該課程體系是以美國(guó)知名編程教育機(jī)器人KIBO為載體，由國(guó)內(nèi)外教育學(xué)背景的專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，是國(guó)內(nèi)低齡段編程教育賽道，非常具有競(jìng)爭(zhēng)力的一套課程體系。該課程體系專(zhuān)為3-8歲孩子量身打造的，培養(yǎng)工程實(shí)踐思維和計(jì)算思維能力的STEAM教育課程體系，以提升中國(guó)孩子在人工智能時(shí)代的核心競(jìng)爭(zhēng)力為最終愿景[4]。

1.KIBO課程的目標(biāo)

KIBO的課程目標(biāo)旨在提升幼兒編程的能力，對(duì)幼兒編程進(jìn)行啟蒙，通過(guò)寓教于樂(lè)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作的教學(xué)方式，激發(fā)幼兒對(duì)編程的興趣。在學(xué)習(xí)中掌握編程的基本理念，樹(shù)立新的思維方式。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，提高幼兒在相關(guān)學(xué)科上的能力與綜合素養(yǎng)[6]。

2.課程內(nèi)容

KIBO課程的設(shè)置主要包含8節(jié)課，每周1節(jié)課，每節(jié)課2小時(shí)，每節(jié)課分2次進(jìn)行授課，每次授課時(shí)長(zhǎng)1小時(shí)。

8節(jié)課授課內(nèi)容如下：第1節(jié)課，學(xué)習(xí)KIBO機(jī)器人有關(guān)配件的調(diào)試、設(shè)計(jì)過(guò)程的概念;第2節(jié)課，了解機(jī)器人特殊組件、組件上條形碼、技術(shù)、技能等，掌握組建機(jī)器人小車(chē)，遵循的命令;第3節(jié)課，學(xué)習(xí)編程指令及排序;第4節(jié)課，學(xué)習(xí)傳感器的知識(shí)，使用聲音傳感器編程機(jī)器人;第5節(jié)課，學(xué)習(xí)重復(fù)指令和參數(shù);第6節(jié)課，掌握光和距離傳感器的使用;第7節(jié)課，學(xué)習(xí)控制流程的概念，掌握條件語(yǔ)句，學(xué)會(huì)根據(jù)傳感器的狀態(tài)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程;第8節(jié)課，成果展示匯報(bào)。幼兒對(duì)所學(xué)的編程內(nèi)容和核心概念進(jìn)行遷移與應(yīng)用，按照給出的路線對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程，并控制機(jī)器人到達(dá)目的地[7]。

3.課程特點(diǎn)

一是思維開(kāi)放性。KIBO機(jī)器人具有極強(qiáng)的思維開(kāi)放性，在思維上對(duì)幼兒進(jìn)行引導(dǎo)。如我們想讓kibo機(jī)器人按照我們心中所想的去執(zhí)行指令，從這個(gè)地方到另外一個(gè)地方。我們可以把路線拆解，換成一個(gè)又一個(gè)的指令，例如我想讓它進(jìn)行直行10步，然后左轉(zhuǎn)再直行五步，再右轉(zhuǎn)直行五步，最后停下。我們可以依次掃碼輸入“begin（開(kāi)始）——forward（直走）（掃描10次）——turn left（左轉(zhuǎn)）——forward直走（掃描5次）——turn right（右轉(zhuǎn)）——forward直行（掃描5次）——end（結(jié)束）”。

二是團(tuán)隊(duì)合作性。在學(xué)習(xí)過(guò)程，強(qiáng)調(diào)寓教于樂(lè)，注重團(tuán)隊(duì)協(xié)作。通過(guò)讓孩子適應(yīng)拆分步驟的思維方法，讓孩子盡快養(yǎng)成獨(dú)立思考，懂得用拆分的方法去完成既定的目標(biāo)。引導(dǎo)幼兒建立并完善編程思維、邏輯思維、計(jì)算思維。同時(shí)，引導(dǎo)孩子們通過(guò)協(xié)作使用編程塊來(lái)構(gòu)建一系列代碼來(lái)控制機(jī)器人的動(dòng)作和聲音，靈活地搭建機(jī)器人、制作自己的拼貼畫(huà)、分享玩具。

4.課程評(píng)價(jià)

幼兒在寓教于樂(lè)的KIBO機(jī)器人編程學(xué)習(xí)中，培養(yǎng)計(jì)算機(jī)的思維能力，掌握了學(xué)會(huì)用步驟將問(wèn)題化簡(jiǎn)，以清晰、有條理的思路去解決問(wèn)題。以小組方式去學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)過(guò)程中，懂得了與同伴分工合作和交流。在學(xué)習(xí)中由于不可抗力因素，而產(chǎn)生的路線偏移，幼兒可以在教師的正確引導(dǎo)下，積極探索路線產(chǎn)生偏差的原因。培養(yǎng)幼兒敢于批判，敢于質(zhì)疑，勇于創(chuàng)新，積極探索問(wèn)題的能力。運(yùn)用一些科學(xué)原理來(lái)解釋這些出現(xiàn)的問(wèn)題，能夠?qū)⒋祟?lèi)問(wèn)題與今后學(xué)習(xí)的“物理”、“數(shù)學(xué)”等學(xué)科的知識(shí)聯(lián)系起來(lái)，起到了一個(gè)實(shí)質(zhì)性的啟蒙作用。也進(jìn)一步鼓勵(lì)幼兒積極探索新領(lǐng)域，培養(yǎng)發(fā)散性的思維能力，掌握解決問(wèn)題的能力。

二、KIBO機(jī)器人實(shí)施現(xiàn)狀

作為國(guó)際大都市，廣州幼兒編程教育相對(duì)起步快，幼兒編程相關(guān)機(jī)構(gòu)相繼出現(xiàn)。帶有商業(yè)性質(zhì)的編程機(jī)構(gòu)，捕捉住家長(zhǎng)“望子成龍，望女成鳳”的心理，逐漸興起一股“編程熱”。

通過(guò)對(duì)廣州市花都區(qū)幼兒編程機(jī)構(gòu)KIBO課程實(shí)施的調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)KIBO的課程實(shí)施模式都存在延展性。首先，KIBO課程前幾節(jié)課是由編程老師對(duì)幼兒進(jìn)行編程教育與啟發(fā)。讓幼兒掌握KIBO機(jī)器人的相關(guān)構(gòu)造及操作。其次，教師會(huì)對(duì)幼兒進(jìn)行分組，讓他們根據(jù)前面課程學(xué)到的知識(shí)，進(jìn)行團(tuán)隊(duì)協(xié)作，自主編程KIBO機(jī)器人。讓幼兒自己設(shè)計(jì)路線將KIBO機(jī)器人從起點(diǎn)送達(dá)目的地。以實(shí)際的操作培養(yǎng)幼兒的動(dòng)手能力，培養(yǎng)幼兒的編程思維。最后，進(jìn)行匯報(bào)展示，分享學(xué)習(xí)成果。

根據(jù)我們對(duì)于花都區(qū)XX幼兒編程機(jī)構(gòu)課程觀察，我們發(fā)現(xiàn)了KIBO幼兒編程課程實(shí)施現(xiàn)存的一些問(wèn)題。

（一）KIBO課程實(shí)施現(xiàn)存問(wèn)題

1.行動(dòng)路徑過(guò)于理想化

根據(jù)幼兒編程機(jī)構(gòu)課程教學(xué)觀察，兩組小朋友在同一個(gè)起點(diǎn)，輸入同一指令，KIBO機(jī)器人開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，這兩組機(jī)器人應(yīng)當(dāng)是到達(dá)同一個(gè)目的地。可是結(jié)果卻多次與之相駁。通過(guò)觀察KIBO機(jī)器人的運(yùn)行軌跡，發(fā)現(xiàn)前后兩次的運(yùn)行軌跡，都有差別。走直線的差別較小，而經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)或者轉(zhuǎn)彎后再直行的差別較大，甚至在后面會(huì)發(fā)生兩個(gè)完全不同方向的運(yùn)行軌跡。

根據(jù)觀察發(fā)現(xiàn)，由于車(chē)輪本身設(shè)計(jì)問(wèn)題，車(chē)輪小且與地面的接觸面也很小，車(chē)身較輕，不同地面的摩擦力也不同等原因，會(huì)影響到它的行動(dòng)路徑，造成行動(dòng)路徑的偏轉(zhuǎn)，以至于指令相同，而走出不同的路徑，使得機(jī)器人偏離既定的軌道，甚至發(fā)生很大地改變，沒(méi)有辦法正確地完成指令。

2.無(wú)法查看掃入的程序

根據(jù)對(duì)機(jī)器人的操作可以發(fā)現(xiàn)KIBO機(jī)器人僅僅只有一個(gè)掃碼器（傳感器），沒(méi)有顯示屏。操作機(jī)器人需要通過(guò)掃碼器來(lái)輸入指令，而掃碼器僅僅用于掃碼，而沒(méi)有辦法把掃進(jìn)去的碼通過(guò)屏幕展現(xiàn)出來(lái)，這將無(wú)法查看指令的功能。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，上課過(guò)程中，幼兒經(jīng)常會(huì)問(wèn)：“老師，下一個(gè)該掃哪一個(gè)積木？”而這時(shí)候授課的老師也很難回答他們所提的類(lèi)似問(wèn)題。只能通過(guò)啟動(dòng)機(jī)器人來(lái)判斷。

此外，掃碼器不夠靈敏。KIBO機(jī)器人的掃描器，屬于紅外線傳感器，且感應(yīng)范圍也小，需要通過(guò)條形碼對(duì)準(zhǔn)掃描器，才可以掃入指令。可是幼兒在使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)掃碼掃不上或者出現(xiàn)存在著重復(fù)掃描的現(xiàn)象。

3.按鍵太單一

KIBO機(jī)器人僅有開(kāi)關(guān)機(jī)的鍵。而在實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在機(jī)器人的掃碼過(guò)程中，極易出現(xiàn)多掃、漏掃、錯(cuò)掃等現(xiàn)象，而這時(shí)候就需要一個(gè)刪除鍵來(lái)進(jìn)行改正。KIBO機(jī)器人并沒(méi)有delete鍵，孩子在掃碼的過(guò)程中如果出現(xiàn)錯(cuò)掃時(shí)，就需從頭開(kāi)始進(jìn)行掃描，這就會(huì)造成學(xué)習(xí)成本過(guò)高，且可能讓幼兒產(chǎn)生厭棄的心理。

4.售價(jià)高，普及率低

KIBO機(jī)器人在國(guó)內(nèi)是沒(méi)有生產(chǎn)銷(xiāo)售的，全都來(lái)自于進(jìn)口，而進(jìn)口售價(jià)又相對(duì)比較高，市場(chǎng)的普及率低。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，許多機(jī)構(gòu)的KIBO機(jī)器人在上課時(shí)，需要五六個(gè)甚至更多的小朋友一起共用一個(gè)。而學(xué)習(xí)操作的團(tuán)隊(duì)人數(shù)過(guò)多，不能很好地發(fā)揮小朋友各自的特長(zhǎng)，一些不善言辭的小朋友，在團(tuán)隊(duì)中更沒(méi)有機(jī)會(huì)接觸到KIBO機(jī)器人，導(dǎo)致一些幼兒對(duì)KIBO機(jī)器人的操作不足。

5.語(yǔ)言障礙加大學(xué)習(xí)難度

在上課的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)帶有條形碼的積木的命令是以英文為主，箭頭為輔。這無(wú)疑加大了我國(guó)幼兒學(xué)習(xí)難度，一方面要記住辨別積木上面英文，一方面要理解其表達(dá)的意思?？墒牵芏嘤變悍较蚋信c理解能力也不是很強(qiáng)，僅僅通過(guò)箭頭來(lái)分清楚路徑與方向，但是對(duì)于前進(jìn)和后退兩個(gè)又很容易混淆。

三、美國(guó)KIBO機(jī)器人課程的改進(jìn)對(duì)策

（一）改進(jìn)機(jī)器人外觀，更換車(chē)輪

一是把KIBO機(jī)器人的輪子換成一種較寬的輪胎，摩擦力較大的轱轆輪，減少地面摩擦力對(duì)車(chē)輪偏轉(zhuǎn)的影響。

例如汽車(chē)在比較光滑的路面行駛，需要換上防滑的輪胎，來(lái)增大與地面的摩擦力。比較而言，自行車(chē)遇到障礙物時(shí)，如果經(jīng)過(guò)障礙物，自行車(chē)收到的偏轉(zhuǎn)，比汽車(chē)的要大。由于kibo機(jī)器人的重量是固定的，牽引力無(wú)法改變，但是可以改變摩擦力使得正常行駛。

在kibo機(jī)器人教學(xué)的過(guò)程中教師是無(wú)法去改變上課時(shí)的地板。所以可以改變輪胎。因?yàn)檩喬ヅc地面的接觸面積和輪胎面的花紋會(huì)直接影響摩擦力。所以可以通過(guò)增大KIBO機(jī)器人輪胎的接觸面積和增大車(chē)輪的花紋。即換一種大一些而花紋多些的車(chē)輪，來(lái)改善教學(xué)過(guò)程中KIBO機(jī)器人的路線偏移。

二是兩輪改變?yōu)?輪，并使得兩側(cè)軸距相同，對(duì)四輪進(jìn)行固定。

（二）增加顯示屏

通過(guò)在掃碼器上面再加一個(gè)顯示屏，通過(guò)顯示屏展示出掃入的指令，來(lái)解決無(wú)法觀看了KIBO機(jī)器人僅僅通過(guò)掃碼器來(lái)輸入指令，掃碼器僅僅用于掃碼，而沒(méi)有辦法查看指令的這一缺陷。使得教師在日常教學(xué)工作中，及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生掃入的指令正確或錯(cuò)誤。

（三）添加一個(gè)“delete”按鍵

在實(shí)踐過(guò)程中，如果出現(xiàn)掃碼錯(cuò)誤，多掃或者漏掃的現(xiàn)象，這時(shí)候就可通過(guò)一個(gè)delete鍵來(lái)進(jìn)行改正。KIBO機(jī)器人并沒(méi)有delete鍵，如果出現(xiàn)錯(cuò)掃時(shí)，就需從頭開(kāi)始進(jìn)行掃描。對(duì)于昂貴的幼兒編程課程價(jià)格來(lái)說(shuō)，這是一種極其浪費(fèi)時(shí)間和精力的，尤其是對(duì)于低齡的孩童來(lái)說(shuō)，多次的重復(fù)操作，大多孩子會(huì)失去學(xué)習(xí)的興趣或者是覺(jué)得這個(gè)過(guò)程是痛苦的，產(chǎn)生排斥的心理。

（四）加大幼兒編程自主研發(fā)生產(chǎn)

隨著我國(guó)科技創(chuàng)新水平的提高，國(guó)家對(duì)編程教育更加地重視。積極研究、努力豐富我國(guó)幼兒編程的課程，對(duì)國(guó)外編程教育的教學(xué)工具進(jìn)行研究與借鑒，取其精華，綜合創(chuàng)新的研制適合我國(guó)幼兒學(xué)習(xí)與發(fā)展的編程教育工具及開(kāi)發(fā)具有我國(guó)特色的編程教育課程，使每個(gè)幼兒有機(jī)會(huì)區(qū)接觸編程、學(xué)習(xí)編程，方便幼兒對(duì)編程的學(xué)習(xí)[8]。

基金項(xiàng)目：本文為2020年廣東省科技創(chuàng)新戰(zhàn)略專(zhuān)項(xiàng)（攀登計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)）“廣州幼兒編程教育的實(shí)證研究——以花都幼兒園為例”的研究成果之一，項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)為pdjh2020b1037）

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[3]關(guān)于政協(xié)十三屆全國(guó)委員會(huì)第三次會(huì)議第3172號(hào)（教育類(lèi)297號(hào)）提案答復(fù)的函[EB/OL].（2020-12-09）http：//www.moe.gov.cn/jyb_xxgk/xxgk_jyta/jyta_jiaocaiju/202012/t20201209_504364.html

[4]幼兒編程觀察.酷奇編程課程體系介紹[EB/OL].（2020-10-28）https：//www.sohu.com/a/427892890_120867974

[5]Scratch少兒編程網(wǎng).株洲晚報(bào)老年大學(xué)引進(jìn)機(jī)器人編程課，想了解一下啵？[EB/OL].（2019-10-22）https：//www.china-scratch.com/news/9076.

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[7]程藝.美國(guó)幼兒編程教育初探[D]上海師范大學(xué)，2019：30