探索少兒機器人編程教育的改革及實踐應用

雷紅華

（襄陽職業(yè)技術(shù)學院， 湖北 襄陽 441050）

編程是適合發(fā)展學生計算思維的載體,隨著中小學信息技術(shù)課程的普及,社會上一些青少年編程教育課程也逐漸活躍起來。2017年,國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確指出：應逐步開展全民智能教育項目,在中小學階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程,逐步推廣編程教育。［1］因此,作為未來能夠提升學生綜合素養(yǎng)的機器人編程應運而生。在少兒編程領(lǐng)域,機器人編程是指通過硬件構(gòu)建模型,為搭建好的機器模型編寫程序,是編程教育啟蒙的一種方式。在少兒編程教育領(lǐng)域,機器人編程教學雖然存在不足,但其自身的優(yōu)勢突出,未來可期。［2］

一、少兒編程教育發(fā)展及政策

國外的編程教育發(fā)展趨勢逐年遞增。2008年美國麻省理工學院（MIT）設(shè)計開發(fā)了一款少兒編程工具Scratch,是一種可視化的編程,小學生可以根據(jù)自己的喜好和能力去選擇適合的積木模塊,可以改善小學生沒有電腦的局限性,還可以實現(xiàn)多場地操作,這對于小學生來說都是降低門檻的方式。［3］2012年日本在中小學普及編程教育科目。2014年被英國定為編程之年,英國教育大綱規(guī)定計算機編程是5～16歲兒童必修課程。2017年新加坡全面推動少兒編程教育,中小學考試中加入編程考試科目。

中國從2013 年末開始,國內(nèi)掀起了一股STEAM教育的熱潮,這種原屬于美國K12教育領(lǐng)域下的跨學科教育,帶動了中國的創(chuàng)客教育發(fā)展。2017年由國務(wù)院頒發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》（國發(fā)〔2017〕35號）和2018年1月16日教育部舉辦新聞發(fā)布會,提出編程納入必修課程。2019年教育部發(fā)布《關(guān)于加強和改進中小學實驗教學的意見》中指出,注重加強實驗教學與多學科融合教育、編程教育、創(chuàng)客教育、人工智能教育、社會實踐等有機融合,有條件的地區(qū)可以開發(fā)地方課程和校本課程,促使國內(nèi)的編程教育企業(yè)呈現(xiàn)出地毯式的爆發(fā),從教育部到各地方教育主管部門陸續(xù)出臺多項政策支持編程教育普及推廣,如濰坊市、深圳市、南京市等教育局先后出臺編程教育政策。

國內(nèi)少兒機器人編程教育可以普及到3歲以上的學前教育階段,以教育機器人開展機器人編程教育。教育機器人是以培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)、創(chuàng)新思維、學習興趣為目標的機器人,具有教學開放性、可擴展性、適用性和良好的人機互動界面。［4］

二、少兒機器人編程教育市場痛點分析

國家權(quán)威機構(gòu)市場調(diào)研顯示,我國機器人編程教育約4.2億適齡市場,每年以10%的增幅增長,但編程教育加盟空間開發(fā)不足15%。國內(nèi)少兒機器人編程教育市場不完善,一些電視欄目、少兒教育專家就提出了在師資、課程體系、教學內(nèi)容、教具等方面存在的問題,分析歸納出目前少兒機器人編程教育市場四個最核心的痛點。

1.滲透率低與客戶流失高。原因在于編程的剛需性不強,少兒編程學了很多枯燥的知識點,沒有應用場景,沒有辦法很好地吸收、消化,造成少兒成就感低,信心和興趣打折扣。少兒機器人編程課程費用昂貴,花了很多的錢,短期內(nèi)家長看不到明顯的學習效果,一年下來好像學了點,又好像什么都沒有學到,這樣就直接導致了機器人少兒編程創(chuàng)客教育續(xù)報率相對較低的問題,極大影響了機構(gòu)盈利能力。

2. 課程體系同質(zhì)化。課程內(nèi)容大同小異,設(shè)置深度不夠,僅僅依靠游戲動畫等元素激發(fā)少兒的學習動機；選擇性單一,生命持久性不足；忽視少兒能力的差異性以及可選擇的學習內(nèi)容有限等問題,不能有效激發(fā)學生學習動機和興趣。

3. 創(chuàng)新、應用與技能挖掘不足。創(chuàng)新、應用、技能指的是少兒創(chuàng)造性思維、創(chuàng)新應用與技能實踐。三大方向的培養(yǎng)因各種因素制約,成效甚微,不好量化,在一定程度上影響品牌口碑。

4.師資質(zhì)量與供給不平衡。少兒機器人編程教育的普及,誕生了許多少兒機器人編程機構(gòu)。但隨著少兒機器人編程教育隊伍的逐步增大,導致少兒機器人編程師資隊伍人員配置不足,匹配度不高,即高質(zhì)量師資與行業(yè)供給不平衡,教育與師資步伐不一致,也沒有統(tǒng)一的穩(wěn)定的產(chǎn)業(yè)鏈。

三、少兒機器人編程教育改革

少兒機器人編程教育改革是將傳統(tǒng)藝術(shù)課程與少兒機器人編程相結(jié)合,提出了“四化三融合”的改革思路,解決少兒編程教育市場痛點,“四化”為模塊化、融合化、定制化及訂單化,“三融合”為藝術(shù)融合、文化融合以及生活和勞動融合。編程教育中融合“藝術(shù)+機器人”的模塊化、個性化、分層教學的項目,以藝術(shù)、文化、勞動融合引導少兒進行創(chuàng)意性編程,創(chuàng)造出少兒編程的藝術(shù)興趣課程,培養(yǎng)少兒美育教育+編程教育,軟件“計算思維”+硬件“工程素養(yǎng)”。

（一）“四化三融合”的教學體系

解決方案一：模塊化——分段式、模塊化課程體系設(shè)計。如圖1所示。

圖1 模塊化課程體系圖

我們依照少兒自身需求,基于折紙、積木、機器人編程、藝術(shù)編程設(shè)置模塊化課程體系,分為初級入門班、中級培優(yōu)班、高級融合班和考級競賽班四大板塊,讓少兒根據(jù)年齡以及學習能力選擇適合自己的初中高階課程學習。

初級入門班從折紙為興趣切入點,在二維平面構(gòu)造三維立體的形態(tài),培養(yǎng)少兒的空間和形象思維能力。積木開發(fā)右腦提升創(chuàng)造力,積木中的排序、對稱、分類有助于少兒早期數(shù)感開發(fā),加深對空間、數(shù)字等理解,具備數(shù)感思維。中級培優(yōu)班進行結(jié)構(gòu)搭建和思維編程,結(jié)構(gòu)搭建包含電、氣、機械傳動、傳感器、機器人等零件與裝置,少兒通過獨立搭建這些裝置,鍛煉手、眼、腦協(xié)調(diào)能力。思維編程旨在培養(yǎng)和提升少兒的創(chuàng)新思維、計算思維和編程思維,幫助他們更正確地掌握科學世界的底層邏輯,從而更好地應對生活中抽象的各種問題。高級融合班,將編程與文化、藝術(shù)、勞動元素融合,通過這些融合元素,讓少兒從認識原理到運用原理,運用工程師的思維去完成每個項目,綜合運用利于深層次學習,培養(yǎng)運用科學知識分析事物的能力?？技壐傎惏嘤腥珖嗌倌甑燃壙荚嚭蚏OBOCUP全國機器人大賽等,采用理論考試與實踐操作考試相分離的方式,競賽班課程在機械構(gòu)造、電子電路、軟件編程、智能控制、傳感器應用等方面展開強化訓練,引導青少年樹立工程化、系統(tǒng)化的邏輯思想。

解決方案二：融合化——跨界融合、文化融合和生活融合。

依據(jù)兒童對藝術(shù)強烈的興趣愛好,結(jié)合折紙、繪畫、書法等與少兒機器人編程融合在一起,打造一套耳目一新的跨界融合藝術(shù)編程課程。先引入藝術(shù)課程,挖掘少兒的藝術(shù)天賦,培養(yǎng)少兒的空間知覺能力、創(chuàng)意想象能力等,并在學習過程中帶入編程知識,引發(fā)少兒對編程的興趣,改變編程在少兒心里的枯燥形象。結(jié)合非遺文化、傳統(tǒng)文化秦腔木偶、皮影戲等與少兒機器人編程融合在一起,傳承中國文化,感受非遺的魅力,從小培養(yǎng)文化自信。同時,將日常生活實踐與少兒編程融合在一起,引導少兒進行創(chuàng)造性勞動教育。

解決方案三：定制化——定制班級與課程,實施特色個性化教學。

為了滿足少兒自身的定制化需求,設(shè)置有體驗班、啟航班、培優(yōu)班、卓越班、摘星班,為每位少兒量身打造身份牌,提供定制化特色課程,讓他們根據(jù)自身實際情況選擇特色班型,一站式信息化服務(wù),及時更新少兒學習信息,及時反饋當天學習的完成度、表現(xiàn)力、接受能力以及問題與措施等。

解決方案四：訂單化——校企校際聯(lián)合訂單培養(yǎng)。

聯(lián)合少兒機器人培訓機構(gòu)和各大本科、大專院校,進行校企校際聯(lián)合訂單培養(yǎng)。各大院校有雄厚的軟硬件設(shè)施,以及充足的師資籌備人員,能及時補充到少兒機器人編程教育師資隊伍建設(shè)中,充分發(fā)揮各項專業(yè)跨界融合職業(yè)素養(yǎng)的聯(lián)合培養(yǎng),并設(shè)計與完善課程服務(wù)跟蹤信息管理平臺。

（二）個性化的教具開發(fā)

編程教育對于孩子的邏輯思維、藝術(shù)創(chuàng)造都是很有幫助的。根據(jù)課程教學需求,按照能力設(shè)定難度系數(shù),開發(fā)個性化、應用性、實用性的教具,家長可根據(jù)孩子的興趣來選擇這方面啟蒙的機器人教具（玩具）和相應的媒介APP。比如,我們結(jié)合企業(yè)實際生產(chǎn)數(shù)車車床,開發(fā)了9宮格鍵盤、機械手、紅綠燈、數(shù)控車床四方刀架等教學裝置,既有電、氣、機構(gòu),又有軟件編程,強化少兒綜合技能與素養(yǎng)。

（三）層次化的師資培養(yǎng)

按照目前編程教育普及情況來看,少兒機器人編程教育師資隊伍極度缺乏,為了不同級別、不同層次、不同年齡段的少兒進行針對性的輔導與培養(yǎng),可以進行分層的師資隊伍培養(yǎng),并在師范類相關(guān)專業(yè)開設(shè)一門少兒機器人編程課程,學習1～2種編程軟件,在工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)開設(shè)教育教學課程,學習教學規(guī)范,多方專業(yè)人才的跨界融合,逐步改善師資質(zhì)量與供給不平衡的痛點。

四、少兒機器人編程實踐應用

（一）案例一：基于ROBOPRO的對象模塊化編程

任務(wù)要求：設(shè)計一個9宮格鍵盤（數(shù)字1到9）,當連續(xù)輸入數(shù)字518時,面板文字顯示“right”,其他時候文字輸出框內(nèi)無內(nèi)容顯示。

任務(wù)分析：程序要對鍵盤的每一次點擊進行響應與識別。①鍵盤被按下,程序響應,識別是否為5（百位）,如果是,在十位等待；②鍵盤被按下,程序響應,識別是否為1（十位）,如果是,在個位等待；③鍵盤被按下,程序響應,識別是否為8（個位）,如果是,顯示right；④上述3項任何一項邏輯判斷為否,程序自動復位,在百位等待。編程參考程序如圖2和圖3所示。

圖2 九宮格鍵盤

圖3 對象模塊化機器人編程程序圖

（二）案例二：基于Scratch軟件的圖形化編程

任務(wù)要求：讓學生把握變量、運算語句和標準操縱句子的應用,撰寫計算機語言,讓筆繪畫出魔法隧道的動畫效果。利用Scratch軟件使用變量,自定義一個新的邊長變量,基于舞臺X軸,Y軸（0,0）為起始坐標,使用循環(huán)次數(shù)模塊填入邊長變量/平方根來繪畫圖形。圖形化編程界面如圖4所示。

圖4 scratch圖形化編程界面

任務(wù)分析：起始位置X,Y（0,0）,變量邊長初始50,繪圖從起始位置面向180度方向,大循環(huán)模塊重復執(zhí)行30次,包含兩個子循環(huán)模塊。上循環(huán)執(zhí)行12移動50步,之后向左轉(zhuǎn)30度,再移動步,左轉(zhuǎn)60度。下循環(huán)執(zhí)行12移動50步,之后向右轉(zhuǎn)30度,再移動,右轉(zhuǎn)60度。邊長50+30×3=140,顏色10×30=300。

五、結(jié)論

通過編程背后的社會文化、精神、價值,形成強大的社會凝聚力,為弘揚科學精神,普及科學知識,激發(fā)少兒創(chuàng)新熱情和創(chuàng)造活力,以培養(yǎng)具備未來人工智能時代的核心素養(yǎng)為使命,萃取編程教育、機器人教育、人工智能教育的核心精華,助力少兒在創(chuàng)新、應用、技能三大方向的培養(yǎng)。同時,又可培養(yǎng)少兒機器人編程教師,通過開發(fā)益智類、趣味性強的小游戲或創(chuàng)客項目,調(diào)動學生學習積極性,培養(yǎng)創(chuàng)新型機器人教育人才。［5］

目前已完成了1篇論文,獲得1個新型實用性專利,指導襄陽市長征路小學學生參加2019ROBOCUP機器人世界杯中國賽工程競技賽,獲得小學組二等獎1項。參與協(xié)助完成了襄陽市各種科普文化進校園活動,到團山鎮(zhèn)少兒編程機構(gòu)、恒大小學等單位開展少兒藝術(shù)編程課程教學,已初次推薦少兒機器人編程教育人員15人,帶動了學生就業(yè),增加了學生就業(yè)維度。