融合STEAM的青少年智能編程機(jī)器人創(chuàng)客教育研究

梁錦雄，楊偉鈞

（1.廣州城市職業(yè)學(xué)院 信息工程學(xué)院，廣東 廣州510405；2.廣州城市職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 廣東 廣州510405）

STEAM 教育近幾年風(fēng)靡全球，影響著全球的教育體系。 20 世紀(jì)90 年代，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)首次使用STEM 描述涉及一到多門STEM 學(xué)科的事件、政策、項(xiàng)目或?qū)嵺`，即科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathemat?ics）的首字母的縮寫。 之后美國(guó)政府提出STEAM教育計(jì)劃，在科學(xué)、技術(shù)、工程以及數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上加入藝術(shù)（Arts）教育，強(qiáng)調(diào)使用21 世紀(jì)技能來(lái)教育本國(guó)人并培養(yǎng)出世界一流的勞動(dòng)力，以保證國(guó)家未來(lái)創(chuàng)新能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。 STEAM 教育強(qiáng)調(diào)科技教育與人文教育相融合， 有助于提高學(xué)生創(chuàng)新思維能力，合作學(xué)習(xí)的能力，在中國(guó)教育界也開始受到重視。

國(guó)務(wù)院于2017 年發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，加快人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動(dòng)人工智能和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合［1］，規(guī)劃提出“實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置與人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育，鼓勵(lì)社會(huì)力量參與寓教于樂(lè)的編程教學(xué)軟件、游戲的開發(fā)和推廣。 支持開展人工智能競(jìng)賽，鼓勵(lì)進(jìn)行形式多樣的人工智能科普創(chuàng)作”。

青少年智能編程機(jī)器人創(chuàng)客教育活動(dòng)是一種科技教育活動(dòng)，激發(fā)其熱愛(ài)科學(xué)、研究科學(xué)、運(yùn)用科學(xué)的科研興趣，培養(yǎng)出具有邏輯思維能力、合作精神和創(chuàng)新精神的人才［2］。 目前幾種比較流行的創(chuàng)客教育是：以生活趣味性為核心的創(chuàng)客教育（以生活中的事情來(lái)培養(yǎng)創(chuàng)造性，如冰淇淋制作、空氣炮等）、以結(jié)構(gòu)為核心的創(chuàng)客教育（以3D 打印機(jī)、激光切割機(jī)為主要器材，輔助以簡(jiǎn)單電路）、以技術(shù)為核心的創(chuàng)客教育（以編程和開源硬件為主要技術(shù)）等［3］，課題組團(tuán)隊(duì)實(shí)施的是第三種。

一、創(chuàng)新與實(shí)施方案

（一）創(chuàng)新

1.實(shí)施形式創(chuàng)新

線上與線下活動(dòng)相結(jié)合：（1）通過(guò)雨課堂創(chuàng)建智能機(jī)器人課程，面向7?16 歲的青少年進(jìn)行科普、讓社區(qū)中小學(xué)生隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)，受眾范圍較廣；（2）通過(guò)深入學(xué)校和社區(qū)開展融合STEAM 的青少年智能編程機(jī)器人體驗(yàn)活動(dòng)，激發(fā)中小學(xué)生的科技興趣和創(chuàng)造潛力。

2.實(shí)施載體創(chuàng)新

活動(dòng)采用的載體是“科大訊飛”“途道”公司的智能教育編程機(jī)器人套件，如海陸空套件較適合用在此教育活動(dòng)當(dāng)中。 它由主控（控制器、WIFI、供電等）、電機(jī)動(dòng)力、風(fēng)動(dòng)力、積木結(jié)構(gòu)件組合而成，與樂(lè)高積木兼容，支持多種編程方式。

3.實(shí)施內(nèi)容創(chuàng)新

體驗(yàn)活動(dòng)的內(nèi)容多樣化，可以選擇由主持人/教師用項(xiàng)目化的方式來(lái)引導(dǎo)，設(shè)置好任務(wù)之后，活動(dòng)參與者個(gè)人或分組合作完成，最后檢查評(píng)估活動(dòng)成果；也可以選擇由活動(dòng)參與者自由發(fā)揮，自主搭建出可運(yùn)行的機(jī)器人形態(tài)。

（二） 實(shí)施方案

根據(jù)美國(guó)K?12 階段STEAM 教育的經(jīng)驗(yàn)，分析其對(duì)中國(guó)處在探索階段的創(chuàng)客教育在活動(dòng)設(shè)計(jì)、創(chuàng)客學(xué)習(xí)空間構(gòu)建、師資團(tuán)隊(duì)建設(shè)與創(chuàng)客文化營(yíng)造等方面的啟示，以積極構(gòu)建適合中國(guó)國(guó)情的融合STEAM 的青少年智能編程機(jī)器人活動(dòng)。 活動(dòng)成果將有效幫助各校開展融合STEAM 的青少年智能編程機(jī)器人創(chuàng)客活動(dòng)的教學(xué)模式，打牢科技教育特色發(fā)展基礎(chǔ)，推動(dòng)廣州市青少年科技教育實(shí)現(xiàn)“全面上水平、全國(guó)走前列”目標(biāo)［4］。

1.制作調(diào)查問(wèn)卷，進(jìn)行調(diào)研

設(shè)計(jì)調(diào)查問(wèn)卷，調(diào)查對(duì)象為社區(qū)中小學(xué)生、科技教師及家長(zhǎng)，了解當(dāng)前中小學(xué)融合STEAM 的青少年智能編程機(jī)器人創(chuàng)客教育發(fā)展的現(xiàn)狀、水平以及感興趣的活動(dòng)形式等內(nèi)容，為接下來(lái)的社區(qū)活動(dòng)安排和研究提供參考和依據(jù)。

2.進(jìn)行課程設(shè)計(jì)并在雨課堂在線教學(xué)平臺(tái)上創(chuàng)建課程

在雨課堂上普及機(jī)器人相關(guān)知識(shí)以及進(jìn)行活動(dòng)宣傳，課程主要介紹機(jī)器人技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的關(guān)系、機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展歷史、機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀及前景、機(jī)器人分類、機(jī)器人實(shí)物模型的講解、機(jī)器人概念的介紹、機(jī)器人的一般結(jié)構(gòu)形式、機(jī)器人開發(fā)、機(jī)器人模型的搭建與編程控制等知識(shí)點(diǎn)。 通過(guò)雨課堂不但可以進(jìn)行活動(dòng)的宣傳以及為社區(qū)青少年提供一個(gè)交流的平臺(tái)，還可以讓他們隨時(shí)隨地自主學(xué)習(xí)，達(dá)成優(yōu)質(zhì)資源進(jìn)社區(qū)目標(biāo)。

3.成立融合STEAM 的青少年智能編程機(jī)器人教育團(tuán)隊(duì)

活動(dòng)團(tuán)隊(duì)由廣州城市職業(yè)學(xué)院專任教師及學(xué)生志愿者組成。 進(jìn)行團(tuán)隊(duì)建設(shè)，做好團(tuán)隊(duì)成員的培訓(xùn)工作。 在專任教師的帶領(lǐng)下，通過(guò)聘請(qǐng)專業(yè)教練，參與校內(nèi)外的各種培訓(xùn)，不斷加強(qiáng)機(jī)器人教育團(tuán)隊(duì)專業(yè)素養(yǎng)和專業(yè)技能，同時(shí)吸引新的成員加入，打造一支高素質(zhì)的科技教育隊(duì)伍。

4.開展機(jī)器人搭建與編程體驗(yàn)活動(dòng)

利用“科大訊飛”“途道”公司的智能教育編程機(jī)器人套件進(jìn)行活動(dòng)，給活動(dòng)參與者提供基板、主控板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、導(dǎo)線、電池等基礎(chǔ)組件，搭建智能機(jī)器人。 搭建智能機(jī)器人的關(guān)鍵是搭建物理框架、邏輯控制機(jī)構(gòu)、傳感器、動(dòng)力系統(tǒng)，編程控制等內(nèi)容，而外觀表現(xiàn)形式多種多樣，學(xué)習(xí)者可以充分發(fā)揮想象力，組裝出形式各異的機(jī)器人，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者積極性和創(chuàng)造力。

二、課程構(gòu)建

融合STEAM 的青少年智能編程機(jī)器人創(chuàng)客教育課程目的是讓青少年通過(guò)組裝、搭建積木機(jī)器人及編寫程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制［5］。

課程采用圖形化的編程方式為主，運(yùn)用循序漸進(jìn)、層層加深又互相聯(lián)系的方法培養(yǎng)青少年的邏輯和編程思維，如表1 所示：

表1 循序漸進(jìn)式課程構(gòu)件表

在設(shè)計(jì)智能小車階段，先認(rèn)識(shí)編程的界面，再選用青少年熟悉的“自行車”例子進(jìn)行對(duì)比分析。騎手的踏蹬為自行車提供動(dòng)力，鏈條和鏈輪等組成了自行車的傳動(dòng)部件，車輪是它的執(zhí)行部件，車身是他的機(jī)體，通過(guò)生活中的“水磨房、機(jī)械手表”等圖片了解齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)和連桿傳動(dòng)等方式［6］。 利用途道積木設(shè)計(jì)搭建智能小車模型，理解機(jī)器人齒輪組結(jié)構(gòu)傳動(dòng)及加速和減速原理。 接著利用垂直齒輪傳動(dòng)和程序完成了小車在指定的時(shí)間內(nèi)完成前進(jìn)和后退，并且停止。 最后，指導(dǎo)學(xué)生怎么保存程序，課后讓學(xué)生對(duì)程序進(jìn)行探索和創(chuàng)新。

在設(shè)計(jì)聽話小車階段，先復(fù)習(xí)等待一秒和電機(jī)停止的腳本，再設(shè)計(jì)模擬洗衣機(jī)工作過(guò)程的教學(xué)案例。 設(shè)計(jì)一個(gè)“途道洗衣機(jī)”作品，讓學(xué)生思考如何通過(guò)程序控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)滾筒的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)。 然后學(xué)習(xí)新的等待大于運(yùn)算和麥克風(fēng)的運(yùn)用腳本，還通過(guò)不同的任務(wù)，學(xué)生讓小車按照自己的指令動(dòng)起來(lái)。 學(xué)生通過(guò)不斷嘗試獲得成功，并從中加深對(duì)所學(xué)知識(shí)或原理的理解。

在設(shè)計(jì)識(shí)別障礙小車階段，先復(fù)習(xí)電機(jī)的前進(jìn)腳本，再設(shè)計(jì)制作“霸王龍”教學(xué)案例。 讓霸王龍跟隨叫聲前進(jìn)，摸一下它鼻子就停止，好玩有趣，學(xué)生沉浸其中，不知不覺(jué)中掌握“如果”“那么”“否則”和循環(huán)知識(shí)點(diǎn)，再利用所學(xué)的腳本對(duì)小車進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

三、效果

青少年智能編程機(jī)器人創(chuàng)客教育是一項(xiàng)公益性科技教育活動(dòng)，課題組走進(jìn)社區(qū)和中小學(xué)開展活動(dòng)，提供了積木圖形接口，讓青少年從堆砌程序積木中學(xué)會(huì)“判斷”“循序”“循環(huán)”等基本程序語(yǔ)法，從而提升了他們的邏輯思維。 課題組還提供“逐步式指示”的程序執(zhí)行，讓青少年看到他們編寫的程序錯(cuò)在哪里，然后進(jìn)行修改，最終嘗試成功過(guò)關(guān)的喜悅。 教師根據(jù)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)知識(shí)，設(shè)計(jì)組內(nèi)協(xié)作學(xué)習(xí)任務(wù)：成員分工負(fù)責(zé)復(fù)習(xí)和講解相關(guān)前驅(qū)知識(shí)（例如：分支程序設(shè)計(jì)、事件驅(qū)動(dòng)編程、循環(huán)程序設(shè)計(jì)）并在此基礎(chǔ)上完成協(xié)作任務(wù)，再組織小組分工完成積木堆砌、程序編寫、程序調(diào)試和下一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的作品展示與設(shè)計(jì)思路說(shuō)明，從而鍛煉了青少年的交流分享精神和小組協(xié)作能力［7］。 在此創(chuàng)客教育的推進(jìn)過(guò)程中，課題組對(duì)青少年科技發(fā)展的現(xiàn)狀有了深入了解，獲得了寶貴的一線實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有助于完善教學(xué)設(shè)計(jì)并進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

四、結(jié)語(yǔ)

融合STEAM 的青少年智能編程機(jī)器人創(chuàng)客教育課程以問(wèn)題為起點(diǎn)在雨課堂在線教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行智能編程機(jī)器人課程設(shè)計(jì)，開發(fā)相關(guān)課程案例。教學(xué)團(tuán)隊(duì)到社區(qū)開展融合STEAM 的青少年智能編程機(jī)器人創(chuàng)客課程和體驗(yàn)活動(dòng)，讓社區(qū)中小學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人的基本知識(shí)，發(fā)展學(xué)生的動(dòng)手動(dòng)腦能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，對(duì)推進(jìn)社區(qū)教育創(chuàng)新、促進(jìn)社區(qū)教育改革，以及提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。 此外，在這項(xiàng)活動(dòng)當(dāng)中搭建出多種形態(tài)的智能機(jī)器人并編寫出多種控制代碼，若被“科大訊飛”“途道”等公司采納后可供生產(chǎn)和教育推廣，并產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。