創(chuàng)客視域下少兒機(jī)器人課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐

萬(wàn)冰慧 楊穎

關(guān)鍵詞：創(chuàng)客教育；少兒機(jī)器人課程；國(guó)際創(chuàng)客大賽；編程項(xiàng)目；教學(xué)實(shí)踐

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，創(chuàng)客教育因其注重動(dòng)手實(shí)踐、創(chuàng)新意識(shí)與能力以及協(xié)同性等特征與基礎(chǔ)教育改革要求的培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的目標(biāo)不謀而合。而創(chuàng)客教育與STEM教育、機(jī)器人教育等教學(xué)活動(dòng)的融合與發(fā)展也受到眾多教育研究者的關(guān)注和興趣。與傳統(tǒng)課程相比，創(chuàng)客教育多以體驗(yàn)、協(xié)作、探究等方式讓學(xué)生圍繞核心任務(wù)展開創(chuàng)造性活動(dòng)[1]，教學(xué)內(nèi)容也更為豐富，包括機(jī)器人設(shè)計(jì)與制造、智能編程、3D打印技術(shù)、無(wú)人機(jī)（空中機(jī)器人）、App Inventor 與機(jī)器人融合、Scratch與機(jī)器人融合及VR技術(shù)應(yīng)用等[2]，能夠一定程度彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂的不足，而少兒機(jī)器人課程作為創(chuàng)客教育的主要載體，為普及創(chuàng)客教育的相關(guān)知識(shí)，推動(dòng)創(chuàng)客教育活動(dòng)的開展起著非常關(guān)鍵的作用，因此本文以少兒機(jī)器人課程教學(xué)為載體，探索創(chuàng)客教育的實(shí)施途徑。

1 少兒機(jī)器人課程教學(xué)現(xiàn)狀

2018 年教育部發(fā)布的《教育信息化2.0》明確指出：“要充實(shí)適應(yīng)信息時(shí)代、智能時(shí)代發(fā)展需要的人工智能和編程課程內(nèi)容[3]”。國(guó)家出臺(tái)的相關(guān)政策與文件明確指出編程教育對(duì)于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要性。編程課程關(guān)注的不僅是計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的學(xué)習(xí)，更是編程思維的培養(yǎng)，也就是自主發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力[4]。作為人工智能教育的入門課程，機(jī)器人課程不僅成為小學(xué)信息技術(shù)實(shí)踐課程開展的重要形式，也成為落實(shí)創(chuàng)客教育理念的最佳入口。隨著機(jī)器人教育的不斷發(fā)展，面向中小學(xué)生的國(guó)際及國(guó)內(nèi)機(jī)器人賽事也逐漸增多，各個(gè)學(xué)校也逐漸引進(jìn)機(jī)器人特色課程與相關(guān)教育資源以培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，為培養(yǎng)當(dāng)前中小學(xué)生的動(dòng)手能力、合作交流能力、計(jì)算思維及創(chuàng)新思維等核心素養(yǎng)，多所學(xué)校采用“以賽促學(xué)”教學(xué)模式，促使教師不斷地將競(jìng)賽主題的相關(guān)試題所包含德育課程項(xiàng)目相結(jié)合，在普及機(jī)器人競(jìng)賽知識(shí)的同時(shí)教師的專業(yè)水平也得到很大提升[5]。但目前大部分中小學(xué)仍缺乏系統(tǒng)的機(jī)器人課程和資源，且在校內(nèi)多以社團(tuán)活動(dòng)的形式開展，更多是培養(yǎng)少數(shù)優(yōu)秀學(xué)生參加機(jī)器人競(jìng)賽。對(duì)于課堂中多數(shù)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程的關(guān)注較少，且課堂教學(xué)整體質(zhì)量不高。

2 創(chuàng)客理念下少兒機(jī)器人課程教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 ICMC 國(guó)際機(jī)器人創(chuàng)客大賽簡(jiǎn)介

為開展中小學(xué)機(jī)器人教育，推廣人工智能相關(guān)創(chuàng)新活動(dòng)，自2015年起，中國(guó)系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)聯(lián)合上海市系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)在全國(guó)超過(guò)20個(gè)城市舉辦ICMC國(guó)際機(jī)器人創(chuàng)客大賽，至今已成長(zhǎng)為全國(guó)極具影響力的青少年機(jī)器人科創(chuàng)展示交流活動(dòng)。大賽根據(jù)能力以及年齡階段分為機(jī)械組、動(dòng)力組、智能組等，其中智能組通過(guò)EV3機(jī)器人搭建結(jié)合樂(lè)高模塊化編程軟件LegoMindstorms編寫程序，重點(diǎn)在于考查學(xué)生的動(dòng)手能力、邏輯思維能力以及程序設(shè)計(jì)能力。2022年12月IC?MC機(jī)器人大賽項(xiàng)目主題確定為“月球基地大冒險(xiǎn)”，智能組以“智能維修發(fā)電機(jī)”項(xiàng)目為主題，要求參賽者合作設(shè)計(jì)并搭建智能機(jī)器人，通過(guò)編寫程序運(yùn)行機(jī)器人完成項(xiàng)目指定任務(wù)。參賽者以3人團(tuán)體為單位完成搭建以及程序編寫任務(wù)，完全現(xiàn)場(chǎng)獨(dú)立編程，其中主機(jī)、軟件中無(wú)基礎(chǔ)軟件環(huán)境外的其他程序，全程使用機(jī)器人結(jié)構(gòu)零件必須僅來(lái)自LEGO SPIKE 45678+45680與EV3 45544+45560套件列表

2.2 基于ICMC 的少兒機(jī)器人課程教學(xué)設(shè)計(jì)

1）教學(xué)目標(biāo)

項(xiàng)目要求學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理、工程等跨學(xué)科知識(shí)設(shè)計(jì)并搭建機(jī)器人模型，因此學(xué)生需要靈活運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)解決項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題或突發(fā)情況，并且能利用多學(xué)科知識(shí)驗(yàn)證自己設(shè)計(jì)的解決方案。搭建完成后學(xué)生需要分析任務(wù)要求、分解問(wèn)題、通過(guò)設(shè)計(jì)程序代碼、調(diào)試程序參數(shù)，在這個(gè)過(guò)程中要求學(xué)生具備問(wèn)題解決能力、溝通合作能力以及計(jì)算思維及邏輯思維等綜合素養(yǎng)。

2）學(xué)習(xí)者特征分析

ICMC機(jī)器人創(chuàng)客大賽智能組要求3～14歲青少年以3人小組合作的形式參與比賽，因此研究選擇云南省K市各機(jī)器人社團(tuán)與機(jī)構(gòu)中相應(yīng)年齡階段的12名學(xué)習(xí)者參與教學(xué)實(shí)踐。12名參賽者學(xué)習(xí)樂(lè)高相關(guān)課程時(shí)間均超過(guò)一年，能夠掌握EV3機(jī)器人基礎(chǔ)搭建方法與技巧，且對(duì)于比賽具有較高的興趣，但缺少參與賽事項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)。因此在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中遵循組內(nèi)異質(zhì)、組間同質(zhì)的原則，對(duì)參賽者進(jìn)行分組教學(xué)，保證參賽者與其他人進(jìn)行合作的意識(shí)，鼓勵(lì)選手之間互助交流，著重強(qiáng)調(diào)編程思維、計(jì)算思維以及合作交流等素養(yǎng)和能力的培養(yǎng)。

3）教學(xué)內(nèi)容

“智能維修發(fā)電機(jī)”項(xiàng)目要求參賽選手現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)并搭建好符合項(xiàng)目要求的機(jī)器人后，編寫程序使機(jī)器人從起點(diǎn)區(qū)出發(fā)，識(shí)別目標(biāo)軌跡，按軌跡行駛到太陽(yáng)能發(fā)電裝置的指定地點(diǎn)，然后尋找到缺失的齒輪，再行駛到備用零件架，拿取相應(yīng)的齒輪，返回至發(fā)電裝置，安裝齒輪至缺失位置，任務(wù)完成后返回初始位置。

學(xué)生在此過(guò)程中需要不斷進(jìn)行測(cè)試、修改結(jié)構(gòu)以及程序參數(shù)。要求參賽選手在30分鐘內(nèi)以最快速度順利完成所有項(xiàng)目任務(wù)。教學(xué)采用階段性任務(wù)分解的方式，將項(xiàng)目?jī)?nèi)容分為七項(xiàng)任務(wù)，如表1所示。

完成項(xiàng)目需要理解并運(yùn)用的知識(shí)要點(diǎn)如下：? 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，如轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)、軌跡采集結(jié)構(gòu)、缺失零件識(shí)別結(jié)構(gòu)、零件抓取/放下結(jié)構(gòu)等。 EV3主要控制器的使用方法，包括集線器、電機(jī)、紅外線傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器、顏色傳感器的使用等。 數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)合程序編寫，如需要計(jì)算路徑、速度與時(shí)間之間的關(guān)系、判斷傳感器與抓取結(jié)構(gòu)之間的距離對(duì)于抓取任務(wù)效果的影響等。

4）教學(xué)過(guò)程

① 規(guī)則介紹，制定方案

課程開始前教師講解挑戰(zhàn)任務(wù)以及賽事規(guī)則，明確比賽任務(wù)、要求、時(shí)間以及計(jì)分標(biāo)準(zhǔn)。為了讓學(xué)生體會(huì)到競(jìng)賽場(chǎng)景，重視比賽規(guī)則，激發(fā)學(xué)生的編程興趣，課程首先播放教師制作的參考模型任務(wù)挑戰(zhàn)視頻，更加生動(dòng)形象展示每一項(xiàng)任務(wù)，激發(fā)孩子的挑戰(zhàn)欲望，梳理比賽的準(zhǔn)備工作、計(jì)劃大綱以及注意事項(xiàng)。

② 任務(wù)分解，模型設(shè)計(jì)

項(xiàng)目包含教學(xué)內(nèi)容中的七項(xiàng)任務(wù)：行駛至太陽(yáng)能發(fā)電裝置位置、尋找缺失齒輪、行駛至備用零件架、準(zhǔn)確抓取相應(yīng)缺失齒輪、返回裝置位置、安裝齒輪至缺失位置并嚙合、返回出發(fā)區(qū)，通過(guò)分解完成每項(xiàng)任務(wù)需要實(shí)現(xiàn)的功能總結(jié)得出模型所設(shè)計(jì)的STEM跨學(xué)科知識(shí)。

③ 分解結(jié)構(gòu)，搭建模型

學(xué)生需要思考用哪種傳感器采集相應(yīng)數(shù)據(jù)，并分析得出什么樣的機(jī)械結(jié)構(gòu)才能夠順利完成對(duì)應(yīng)操作，為每項(xiàng)任務(wù)對(duì)應(yīng)所需要的傳感器、選用結(jié)構(gòu)及原因：

④ 編寫程序，調(diào)試參數(shù)

模型搭建完成后，將編寫的程序依次下載至機(jī)器人中，進(jìn)行聯(lián)調(diào)。同學(xué)們需要不斷地測(cè)試、調(diào)整程序的參數(shù)，使機(jī)器人可以準(zhǔn)確到達(dá)相應(yīng)地點(diǎn)并完成相應(yīng)數(shù)據(jù)采集或操作。在聯(lián)調(diào)過(guò)程中，教師會(huì)按照七項(xiàng)任務(wù)的程序調(diào)試，分別向同學(xué)們講解程序調(diào)試的方法，以及如何做到故障程序或問(wèn)題結(jié)構(gòu)的迅速定位，使程序和結(jié)構(gòu)之間順利銜接完成本次挑戰(zhàn)。

⑤ 作品展示，匯報(bào)成果

結(jié)束搭建和編程環(huán)節(jié)后，學(xué)生需要以小組為單位，匯報(bào)項(xiàng)目完成的整個(gè)流程，其中包括作品搭建過(guò)程中所用到的STEM跨學(xué)科知識(shí)、作品結(jié)構(gòu)的功能實(shí)現(xiàn)以及程序編寫邏輯、作品搭建以及完成后運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題以及解決方式、作品調(diào)試過(guò)程中的改進(jìn)理由以及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)等內(nèi)容。

3 教學(xué)建議

ICMC機(jī)器人創(chuàng)客大賽項(xiàng)目式的競(jìng)賽方式能夠提供充足的發(fā)揮空間以及多種可能，但參賽者在備賽期間也會(huì)出現(xiàn)一些常見問(wèn)題：如隊(duì)員之間對(duì)于機(jī)器人搭建以及編寫程序方面的能力基礎(chǔ)不同，因此合作過(guò)程中出現(xiàn)協(xié)作困難；由于教學(xué)項(xiàng)目?jī)?nèi)容較多，因此學(xué)生在此過(guò)程中興趣降低且任務(wù)完成程度不高；教學(xué)過(guò)程中如何根據(jù)具體內(nèi)容或目標(biāo)選擇合適的評(píng)價(jià)方式；家長(zhǎng)及學(xué)校對(duì)于機(jī)器人競(jìng)賽的重視程度較低等問(wèn)題。筆者結(jié)合教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中出現(xiàn)的如上問(wèn)題以及指導(dǎo)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)提出以下三點(diǎn)建議。

3.1 教學(xué)內(nèi)容：多元融合不同領(lǐng)域

創(chuàng)客教育強(qiáng)調(diào)實(shí)踐、探究和創(chuàng)造的精神契合了當(dāng)前“大眾創(chuàng)業(yè)，萬(wàn)眾創(chuàng)新”的時(shí)代背景，但在實(shí)際教學(xué)中卻很難做到與學(xué)生實(shí)際生活和學(xué)科教學(xué)內(nèi)容相聯(lián)系，課堂中的知識(shí)難以遷移到現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的解決中。究其原因：創(chuàng)客教育所覆蓋的學(xué)科內(nèi)容廣泛，然而實(shí)際教學(xué)中難以系統(tǒng)科學(xué)地規(guī)劃知識(shí)框架，且缺乏相應(yīng)的課堂教學(xué)模式、專業(yè)豐富的教學(xué)資源支撐以及科學(xué)成熟的評(píng)價(jià)方式。據(jù)此可以將創(chuàng)客教育與注重跨學(xué)科知識(shí)與思維的STEM教育相結(jié)合，二者都重視學(xué)生的綜合能力，但STEM教育更加注重學(xué)生的跨學(xué)科多元思維，彌補(bǔ)教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中缺乏系統(tǒng)知識(shí)的不足。據(jù)此還能夠利用智能機(jī)器人、開源軟硬件、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）等課程內(nèi)容的載體適當(dāng)選擇其他領(lǐng)域的教學(xué)內(nèi)容，主動(dòng)與其他學(xué)科建立關(guān)聯(lián)，以形成更加科學(xué)、多元、跨學(xué)科的課程體系。

3.2 教學(xué)過(guò)程：指向創(chuàng)造性解決問(wèn)題

創(chuàng)客教育下的機(jī)器人課程強(qiáng)調(diào)“做中學(xué)”，而在“做”的過(guò)程中又包括模仿、觀察、探究、實(shí)驗(yàn)來(lái)組織教學(xué)[6]，不同的實(shí)踐環(huán)節(jié)為學(xué)生提供了充足的機(jī)會(huì)投入問(wèn)題解決的過(guò)程，但由于項(xiàng)目式教學(xué)方式進(jìn)行周期較長(zhǎng)，學(xué)生在不同實(shí)踐環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的問(wèn)題也較多，因此教師要為學(xué)習(xí)者提供豐富的、具有擴(kuò)展性的課程資源作為學(xué)習(xí)支架，幫助學(xué)習(xí)者發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后自主探究解決方案，并推動(dòng)學(xué)習(xí)者將學(xué)習(xí)成果作品化，促進(jìn)多學(xué)科知識(shí)的融合和綜合運(yùn)用，在此過(guò)程中鍛煉學(xué)習(xí)者問(wèn)題解決與知識(shí)遷移的能力，創(chuàng)造性地解決問(wèn)題，從而使學(xué)習(xí)更有意義[7]。

3.3 評(píng)價(jià)方式：根據(jù)教學(xué)內(nèi)容動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

創(chuàng)客教育下的機(jī)器人課堂涉及方案制作、作品模型設(shè)計(jì)與搭建、程序編寫與調(diào)試、作品展示與分享等多個(gè)環(huán)節(jié)，因此只有多元化的評(píng)價(jià)體系才能夠?qū)τ趯W(xué)習(xí)者的成績(jī)與表現(xiàn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，發(fā)揮評(píng)價(jià)的鼓勵(lì)、診斷和促進(jìn)作用。在本次教學(xué)實(shí)踐中，除了采用評(píng)價(jià)量表詳細(xì)記錄學(xué)生作品的創(chuàng)造過(guò)程和能力發(fā)展外，也對(duì)學(xué)生的知識(shí)技能掌握程度進(jìn)行了測(cè)評(píng)。除此以外，為了提高評(píng)價(jià)結(jié)果的全面性，還需根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的不同特征和性質(zhì)進(jìn)行調(diào)整，也可以通過(guò)不同主體從多個(gè)角度進(jìn)行評(píng)價(jià)，并貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程。如側(cè)重方案設(shè)計(jì)、制作與完善的課堂環(huán)節(jié)就需要更加關(guān)注學(xué)生的參與程度、交流頻率以及創(chuàng)意想法；而側(cè)重于模型設(shè)計(jì)、動(dòng)手搭建、程序編寫與調(diào)試等內(nèi)容時(shí)就需要更加關(guān)注學(xué)習(xí)者的動(dòng)手能力、問(wèn)題解決能力以及知識(shí)掌握程度。評(píng)價(jià)的內(nèi)容可以從問(wèn)題解決能力變化情況、對(duì)學(xué)科核心概念的理解情況、模型搭建及小組匯報(bào)等方面開展，教師在這個(gè)過(guò)程中要扮演好指導(dǎo)者、觀察者和記錄者的角色，收集學(xué)生在整個(gè)課堂過(guò)程中的形成性評(píng)估資料，以調(diào)整教學(xué)策略，提升教學(xué)效果。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究在創(chuàng)客教育視域下，結(jié)合國(guó)際創(chuàng)客大賽機(jī)器人項(xiàng)目進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐，并根據(jù)文獻(xiàn)查閱和教學(xué)案例的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)于創(chuàng)客教育的教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容及評(píng)價(jià)等方面提出部分建議。但在創(chuàng)客教育理論下的教學(xué)項(xiàng)目實(shí)踐過(guò)程中仍存在活動(dòng)設(shè)計(jì)脫離真實(shí)情境、活動(dòng)缺乏與跨學(xué)科之間的聯(lián)系、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)較少以及課程資源不夠豐富等問(wèn)題[8]。未來(lái)可以搭建創(chuàng)客空間，開發(fā)豐富的教學(xué)資源和實(shí)踐工具，作好基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和構(gòu)建多方協(xié)調(diào)機(jī)制等方面出發(fā)進(jìn)行進(jìn)一步探究。