創(chuàng)客教學(xué)法在“機(jī)器人編程”教學(xué)中的應(yīng)用

于欣彤，于 萍

（吉林師范大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院 吉林 四平 136000）

1 研究背景

2017 年，國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，人工智能逐步向中小學(xué)生擴(kuò)展[1]。機(jī)器人教學(xué)能培養(yǎng)計(jì)算思維，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。但傳統(tǒng)的教學(xué)方法已不適用于當(dāng)前機(jī)器人教學(xué)的需求。近年來，許多專家、學(xué)者研究出新的教學(xué)方法，并將其應(yīng)用于機(jī)器人教學(xué)，取得了良好的教學(xué)效果。基于此，本研究融合了創(chuàng)客教學(xué)法的思想，在東豐縣少年宮的機(jī)器人興趣社團(tuán)中實(shí)施，并總結(jié)和歸納了相關(guān)策略，期望通過筆者的研究能為機(jī)器人教學(xué)提供一些新思路。

2 相關(guān)概念

2.1 五步創(chuàng)客教學(xué)法

“創(chuàng)客+教育”的提出，為后來創(chuàng)客教育的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。專家通過努力研究出一系列可用于教學(xué)實(shí)踐的創(chuàng)客教學(xué)法。在遵循創(chuàng)客教育理論的基礎(chǔ)上，黎加厚教授提出了五步創(chuàng)客教學(xué)法，即創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、制作、分享、評價(jià)。本文把五步創(chuàng)客教學(xué)法應(yīng)用于青少年機(jī)器人教學(xué)中，將上課的過程劃分成五個(gè)模塊，教師根據(jù)每個(gè)模塊的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得學(xué)生在每個(gè)環(huán)節(jié)教學(xué)活動(dòng)中都有所收獲[2]。

2.2 全國中小學(xué)生信息技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐大賽

本研究主要采用“以賽促教”的形式進(jìn)行，這當(dāng)中的“賽”則是全國中小學(xué)信息技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐大賽（下文簡稱NOC大賽），它屬于教育部公布的白名單賽事，共分為三個(gè)組別，分別是小、中、高三組。以2022―2023 學(xué)年NOC 大賽的人形機(jī)器人任務(wù)挑戰(zhàn)的比賽項(xiàng)目作為教學(xué)內(nèi)容，機(jī)器人從開始區(qū)出發(fā)，完成翻山越嶺、智能道閘、拆彈專家、搬運(yùn)物資4 個(gè)任務(wù)。在為期半年的機(jī)器人編程教學(xué)后，為測試學(xué)生的學(xué)習(xí)成果、提高學(xué)生的實(shí)踐能力，筆者帶領(lǐng)社團(tuán)學(xué)生參加了NOC 大賽。

3 教學(xué)要素

3.1 創(chuàng)客空間

開展創(chuàng)客教育需要設(shè)計(jì)開展機(jī)器人編程教學(xué)的專門教室，即創(chuàng)客空間。創(chuàng)客空間是師生開展機(jī)器人教學(xué)的必備場地，在編程教學(xué)中具有重要的作用。本研究所用的創(chuàng)客空間由20 臺(tái)電腦、7 臺(tái)機(jī)器人、一個(gè)展示臺(tái)、一塊白板、一個(gè)零件收納柜組成。

3.2 教學(xué)工具

在對比各大教育版人形機(jī)器人后，本研究選取樂聚公司出品的AELOS 人形機(jī)器人作為教學(xué)工具，它全身集成了17 個(gè)新一代高韌性強(qiáng)扭矩復(fù)合材料舵機(jī)和高階運(yùn)動(dòng)控制算法，除擁有AELOS系列一貫的靈活穩(wěn)定特性外，性能和壽命有了進(jìn)一步提升；并采用該公司配套的aelos_edu 編程軟件進(jìn)行教學(xué)。

3.3 教學(xué)內(nèi)容

一方面，人形機(jī)器人不像其他編程工具比如樂高積木，只需進(jìn)行動(dòng)作編程。所以，如果采用傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法，學(xué)生會(huì)覺得枯燥乏味。另一方面，目前關(guān)于青少年編程沒有可用的教材，教學(xué)資料也較少。本研究決定采用“以賽促教”的方式進(jìn)行青少年機(jī)器人編程教學(xué)，使得機(jī)器人的學(xué)習(xí)內(nèi)容有跡可循，學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果也有證可查。教學(xué)內(nèi)容分成三個(gè)階段，一是基礎(chǔ)篇，它是編程入門級課程，主要講解編程的基本知識。大致包括機(jī)器人及軟件的使用、三種基本語句、視覺模塊和傳感器模塊的使用、簡單的動(dòng)作編程等；二是進(jìn)階篇，它是編程中級課程，主要內(nèi)容是機(jī)器人聯(lián)網(wǎng)操作、人臉識別、視覺追蹤、顏色躲避、動(dòng)作關(guān)鍵幀的建立等；三是應(yīng)用篇，它是編程高級課程。前兩個(gè)階段學(xué)生已經(jīng)了解編程知識網(wǎng)，這一階段需要把所學(xué)知識應(yīng)用于實(shí)際問題中，關(guān)鍵在于把各個(gè)知識點(diǎn)進(jìn)行融合。主要內(nèi)容有機(jī)器人足球賽、接力賽、高爾夫賽、走迷宮、舞蹈動(dòng)作設(shè)計(jì)等。三個(gè)階段相輔相成，前兩個(gè)階段為后一階段奠定夯實(shí)基礎(chǔ)，后一階段為前兩個(gè)階段查漏補(bǔ)缺。

3.4 教學(xué)對象

本研究選擇的教學(xué)對象是東豐縣校外輔導(dǎo)中心中創(chuàng)客興趣社團(tuán)的20 名青少年。該階段的學(xué)生正值少年期，身體各方面機(jī)能發(fā)展迅速，已經(jīng)具備抽象邏輯思維，可以獨(dú)立思考問題，并且曾在少年宮學(xué)習(xí)過樂高積木編程，具有一定的編程基礎(chǔ)。教師要調(diào)動(dòng)他們的求知欲、好勝心，促使他們主動(dòng)地成為課堂的主導(dǎo)者。

4 五步創(chuàng)客教學(xué)法

4.1 創(chuàng)意

教育2.0 新時(shí)代，是學(xué)生“創(chuàng)意”式學(xué)習(xí)的新時(shí)代，而“創(chuàng)意”作為創(chuàng)客教學(xué)法的第一步，為學(xué)生培養(yǎng)創(chuàng)新能力奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在機(jī)器人編程的課堂上，首先，教師需給學(xué)生一個(gè)主題。這個(gè)主題要包含所學(xué)知識點(diǎn)，還要具有趣味性。比如“火眼晶晶”“滅火先鋒”“探險(xiǎn)迷宮”等[3]。其次，通過主題演示，讓學(xué)生在腦海中勾勒出自己的想法，并用流暢的語言將自己的想法表達(dá)出來。例如：一個(gè)人跑步是枯燥無味的，但接力賽跑就大大提升了趣味性。作為熱愛運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人AELOS，自然也要參與到接力賽的項(xiàng)目中來。所以可以大膽把人類接力賽和機(jī)器人相結(jié)合，創(chuàng)設(shè)出接力主題。當(dāng)移動(dòng)物體靠近自動(dòng)門體時(shí)，門就會(huì)自動(dòng)打開，當(dāng)移動(dòng)物體走遠(yuǎn)后，此門又會(huì)自動(dòng)閉合。NOC 大賽大膽把自動(dòng)門和機(jī)器人相結(jié)合，創(chuàng)設(shè)出“智能道閘”主題，學(xué)生根據(jù)教師提供的主題進(jìn)行思考。機(jī)器人通過紅外測距傳感器自主識別道閘的位置，并用雙手升起閘門并通過閘門，視為成功?！安饛棇＜摇保ù虻挂?guī)定顏色的海綿柱）主題中，爆炸物和非爆炸物顏色為紅色、綠色和藍(lán)色，隨機(jī)抽取任意兩種顏色為爆炸物和非爆炸物。機(jī)器人需要通過視覺自主識別爆炸物，成功拆除（打倒）爆炸物，并發(fā)出拆彈成功聲音視為拆彈成功。

4.2 設(shè)計(jì)

五步創(chuàng)客教學(xué)法的第二步是“設(shè)計(jì)”，它是實(shí)現(xiàn)成果的重要步驟，即要把第一步的主題創(chuàng)意具體化。要將設(shè)計(jì)體現(xiàn)在作品上，這個(gè)過程需要搜集必要的資源，在設(shè)計(jì)中遇到的一系列問題，都是學(xué)習(xí)者應(yīng)該考慮的問題。在機(jī)器人編程的課堂上，這一系列問題指的就是問題的分析和算法的設(shè)計(jì)。編程教學(xué)的核心是對編程思維和問題解決能力的培養(yǎng)。算法的設(shè)計(jì)是教學(xué)的重點(diǎn)，教師在教學(xué)中需引導(dǎo)學(xué)生將大問題肢解成一個(gè)個(gè)小問題[4]，隨后分步解決小問題，再進(jìn)行下一步驟具體編程，為下一階段的制作奠定夯實(shí)基礎(chǔ)。在此過程中，可以引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)流程圖，用流程圖的方式把算法設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出來。例如，在“搬運(yùn)物資”主題中，要把創(chuàng)意具體化，搬運(yùn)物資（搬運(yùn)海綿塊）可以是抱起方塊、抱箱左轉(zhuǎn)、抱箱右轉(zhuǎn)、抱箱前進(jìn)、放下方塊五個(gè)動(dòng)作。為了避免誤操作也可以加入抱箱后退這個(gè)動(dòng)作。這個(gè)階段要仔細(xì)聆聽學(xué)生的想法，避免方向錯(cuò)誤，但不要給學(xué)生統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)答案，以保證設(shè)計(jì)結(jié)果的多樣性。

4.3 制作

五步創(chuàng)客教學(xué)法的第三步是“制作”，需要把第一步的創(chuàng)意和第二步的設(shè)計(jì)具體化。創(chuàng)客理念下的教學(xué)，需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)出可行的成果。如果不具體制作，那么所有的想法都是空談。一開始學(xué)生可能不知從何下手，可以由教師根據(jù)流程圖適當(dāng)講解后再由學(xué)生操作。例如上文提到的“拆彈專家”主題，將其分解成三個(gè)任務(wù)。任務(wù)一：定位擊打；任務(wù)二：設(shè)計(jì)擊打動(dòng)作；任務(wù)三：報(bào)移除聲音。其中任務(wù)一是最難的，機(jī)器人先通過RGB 顏色追蹤，發(fā)現(xiàn)爆炸物，再通過坐標(biāo)的POS值檢測出爆炸物上下左右位置，如果爆炸物偏移了中心點(diǎn)，可以通過機(jī)器人左右移動(dòng)進(jìn)行矯正，從而讓機(jī)器人能準(zhǔn)確地向爆炸物前進(jìn)。教師可以引導(dǎo)學(xué)生畫出定位擊打的流程圖，并且每一個(gè)任務(wù)在學(xué)生制作之前進(jìn)行適當(dāng)講解。

4.4 分享

在機(jī)器人編程的課堂中，學(xué)生自己制作程序后，向同學(xué)演示并講解自己的程序，一方面可以查漏補(bǔ)缺，改進(jìn)自己的程序，另一方面可以鍛煉學(xué)生的語言表達(dá)能力。這為后續(xù)NOC 大賽的答辯環(huán)節(jié)奠定了夯實(shí)基礎(chǔ)。以小組為單位派一個(gè)代表上臺(tái)分享作品。大部分同學(xué)表示，在將任務(wù)進(jìn)行分解之后，能夠更好地理解項(xiàng)目，每一個(gè)分解的任務(wù)點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)或兩個(gè)編程模塊，能夠讓他們有更清晰的思路進(jìn)行編程。部分同學(xué)分享了在編程過程中遇到的問題及解決的辦法。例如，在上文提到的“搬運(yùn)物資”主題中，學(xué)生小組完成任務(wù)后，需要在展示臺(tái)演示并講解自己的作品，第一步：機(jī)器人需保持站立狀態(tài)；第二步：雙手前伸，腿部微微彎曲；第三步：機(jī)器人腿部下蹲；第四步：準(zhǔn)備抱方塊；第五步：機(jī)器人手臂收攏，開始抱住方塊；第六步：抱住方塊后，準(zhǔn)備起身；第七步：機(jī)器人抱住方塊，開始起身。這個(gè)過程有兩個(gè)小組做的動(dòng)作重心不穩(wěn)，導(dǎo)致抱起方塊時(shí)，機(jī)器人會(huì)前傾，甚至倒地。在分享過程中，學(xué)生及時(shí)發(fā)現(xiàn)了自己的錯(cuò)誤，教師讓學(xué)生聯(lián)系生活實(shí)際，思考自己下蹲時(shí)身體各部分的承重，學(xué)生恍然大悟：重心向前傾時(shí)應(yīng)該添加剛度針，使腿部更有力量，以此來增強(qiáng)穩(wěn)定性。

4.5 評價(jià)

所有的評價(jià)都應(yīng)該是多維度的，第四步分享后，緊接著需要學(xué)生和老師進(jìn)行評價(jià)。評價(jià)則需要具體明確的量規(guī)，并且這個(gè)量規(guī)應(yīng)該是由學(xué)生和老師共同制訂的。例如，學(xué)生評價(jià)需要按照學(xué)生的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在上文提到的“拆彈專家”主題中，如果機(jī)器人成功拆除（打倒）爆炸物且非爆炸物處于站立狀態(tài)，同時(shí)機(jī)器人發(fā)出拆彈成功聲音，則視為成功，獲得60 分。任務(wù)執(zhí)行過程中如果非爆炸物被打倒，扣20 分。任務(wù)執(zhí)行過程中如果機(jī)器人拆除爆炸物后沒有播放拆彈成功聲音，扣20 分。而教師評價(jià)需要按照學(xué)生調(diào)查表，學(xué)生調(diào)查表中可能包括課堂參與度、團(tuán)隊(duì)合作、創(chuàng)新創(chuàng)造、遵守紀(jì)律、問題解決、情感態(tài)度、跨學(xué)科知識應(yīng)用能力等。

5 結(jié)果分析

本研究通過“以賽促教”的方式進(jìn)行結(jié)果分析，在2023年5 月，筆者帶領(lǐng)東豐縣校外輔導(dǎo)中心中創(chuàng)客興趣社團(tuán)的七支隊(duì)伍（兩人一隊(duì)）參加了2023 年NOC 吉林省賽，在比賽過程中選手根據(jù)具體任務(wù)采取不同的策略，合作默契，編寫出一個(gè)又一個(gè)思維縝密的程序，并耐心調(diào)試，最后完美通關(guān)，展現(xiàn)了選手的隨機(jī)應(yīng)變能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。在答辯環(huán)節(jié)，選手們面對裁判員的審問，談吐清晰、落落大方、自信滿滿，吐字清晰地說出自己的想法和實(shí)施過程[5]。經(jīng)過激烈角逐，其中一支隊(duì)伍榮獲省賽一等獎(jiǎng)、兩支隊(duì)伍榮獲省賽二等獎(jiǎng)、兩支隊(duì)伍榮獲省賽三等獎(jiǎng)，獲獎(jiǎng)率高達(dá)85%。指導(dǎo)教師也因此被評為優(yōu)秀輔導(dǎo)員。

通過平時(shí)觀察、比賽成績和與參賽選手的談心，筆者發(fā)現(xiàn)創(chuàng)客教學(xué)法對學(xué)生計(jì)算思維和編程能力的培養(yǎng)至關(guān)重要。美中不足的是：六支隊(duì)伍在省賽取得名次后，自動(dòng)晉級到7 月份的國賽，但由于種種原因，學(xué)生沒有參加這次的國賽。一是國賽比賽場地是內(nèi)蒙古包頭市，距離師生所在的省份較遠(yuǎn)；二是比賽時(shí)間是7 月份，正值期末考試來臨之際，學(xué)生主要任務(wù)是為一學(xué)期的努力學(xué)習(xí)畫上完美的句號，沒有太多精力；三是入圍隊(duì)伍較多，指導(dǎo)教師有限……希望來年有機(jī)會(huì)可以再創(chuàng)輝煌。

6 結(jié)語

本研究把五步創(chuàng)客教學(xué)法應(yīng)用于青少年機(jī)器人編程教學(xué)中，在為期半年的實(shí)驗(yàn)中，提升他們對編程的興趣、注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。教師由課堂知識的傳授者，變成課堂的指導(dǎo)者，幫助學(xué)生更好地成長。但本研究的學(xué)生數(shù)量較少，數(shù)據(jù)說服力不足，應(yīng)該在以后的研究中擴(kuò)大教學(xué)范圍。由此可見，要想把創(chuàng)客教學(xué)法真正應(yīng)用于實(shí)踐中，還有很長的路要走。但是通過“以賽促教”的方式進(jìn)行結(jié)果分析，學(xué)生獲獎(jiǎng)率高達(dá)85%。由此說明五步創(chuàng)客教學(xué)法對學(xué)生創(chuàng)新思維、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)具有重要意義。希望本研究可以為創(chuàng)客教學(xué)法提供一些新思路。