审视青少年机器人创客教育

□文/毛澄洁



审视青少年机器人创客教育

□文/毛澄洁

近年来，机器人教育开始受到广泛关注，特别是近些年来产生的创客运动、创客文化与创客教育，促进机器人教育开始走向机器人创客教育。经过了十多年的积累，我国机器人教育目前发展如何？中国与国外又有何差别？梳理现状，提出对策，有利于我们拨云见日，与时偕行。

毛澄洁 北京景山学校高级教师、北京市东城区信息技术学科带头人、2014年Google奖教金获得者

人类进入21世纪，科技进步日新月异，令人目不暇接。美国进入了“新硬件时代”，德国进入了“工业4.0”时代，中国则进入了“互联网+”时代。

2016年2月，美国波士顿动力公司（Boston Dynamics）展示的人形机器人Atlas最新版，让世人震惊。在官方视频中，可以看到Atlas自己打开门后，在雪地中行走；遇到脚滑现象的时候，也可以通过自主的平衡控制能力在雪地中爬起，继续行走；在被人打倒后也能够自己站起来，还可以检测环境，自主完成一些简单的搬运工作……这些无疑都标志着机器人制造水平的新高度。

3月15日，代表人工智能巅峰水平的“AlphaGo（阿尔法狗）”利用高超的运算能力和缜密的逻辑判断，以4∶1的绝对优势击败世界围棋顶尖高手李世石，让世人对人工智能刮目相看。

在惊呼技术的飞速发展和生活方式的巨大变化的同时，人们开始思考如何应对这些变化。机器人产业是一个国家科技水平的重要标志之一，也是改进21世纪技能的有效工具，大力发展机器人产业已经成为国家战略。

对于教育而言，机器人创客教育有利于培养学生的创新能力、合作能力、自主学习能力、交流能力、社会和跨文化技能，以及社会责任感。因此，在K12教育体系内普及机器人教育，培养未来人才，是实现“制造大国”迈向“制造强国”的教育基础之一。

最近被社会各界广泛关注的创客文化、创客空间或者创客教育，其主要内容也是围绕机器人的设计与创作展开的。创客教育为中小学机器人教育提供了新的发展平台和外在动力，创客文化为整个教育的信息化与现代化创设了必要的外部条件。但是，机器人创客教育作为一种具有时代鲜明色彩和技术特点的教育形式，其普及与进展情况如何？面临何种困难？将走向何方？

图1　美国机器人教育的四种形式

国际机器人教育的发展概况

国际机器人教育情况以美国的机器人教育为代表。早在1994年，美国麻省理工学院（MIT）就设立了“设计和建造LEGO机器人”的课程，目的是提高工程设计专业学生的设计和创造能力，尝试机器人教育与理科实验的整合。

美国基础教育中的机器人教育主要有四种形式：一是机器人技术课程，一般开设在技术类课程中，其中教育计划与项目占大多数，主要为选修课；二是课外活动，类似我国的综合实践活动课程； 三是机器人主题夏令营等定期活动； 四是利用机器人来辅助其他课程的教学或者作为一种研究工具来培养学生的探究能力，同时学习机器人的技术知识。其中，把机器人教育列入课程，以课程为载体让学生系统地、有步骤地学习和应用机器人技术，是开展机器人教育的最佳形式，也是目前美国机器人教育的发展趋势。

美国麻省理工学院（MIT）开设有认知机器人学、机器人学导论、自控机器人设计竞赛、机器人编程竞赛等课程。这些课程结合各个专业所需以及当今机器人技术的应用领域，分别开设在航空航天学、机械工程学和电气工程与计算机科学中。开课形式有两类，一类是在整个学期中开设。例如，认知机器人学、机器人学导论；另外一类是在麻省理工学院的独立活动期间开设的，从一月的第一个星期到月底为期4周的特别学习期，例如自控机器人设计竞赛和机器人编程竞赛。它的课程评价形式也非常具有借鉴意义，除了常规考试外，MIT机器人课程学习都要求有实质性的成果。自控机器人设计竞赛课程要求最终制作一个实体机器人，而机器人编程竞赛则必须提交一个游戏对战选手作为自己的实质性成果。

整体而言，美国的机器人教育起步早、形式多样，教学以“做中学”为主，主要培养学生的自主创造能力，并涉及机器人技术的最新成果。

美国随着进入“新硬件时代”，近些年掀起了极客（Geek）运动和创客（Maker）运动浪潮，创客运动反映在教育领域即创客教育。广义的创客教育强调培养学习者的创新精神与创造能力，学习者即创造者，学习过程也是创造过程，将学习者不同的想法变成现实等。狭义的创客教育对于学习者而言算是一种业余爱好，更多是鼓励学习者有效地使用数字化工具（包括开源硬件、3D打印、计算机、小型车床、激光切割机等），培养学生动手实践的能力。因此，创客教育大于机器人创客教育，而机器人创客教育深于创客教育。随着创客运动的发起，美国机器人教育进入了快速发展新时期，具有鲜明的机器人创客教育特点。

图2　机器人课程的学习过程示意图

我国机器人教育的三个发展阶段

我国机器人教育始于2000 年，迄今为止，经历了机器人教育尝试期、机器人教育推动期和机器人创客教育时期三个阶段。

机器人教育尝试期（2000年—2000044年）

该阶段是我国机器人教育的起始阶段，少数学校凭经验开展了机器人教育试验。北京和上海是我国较早开展机器人教育的城市。早在2000年，北京景山学校以前瞻性的眼光，率先派教师参加了智能机器人的培训，培训结束后，第一时间在教学中开展了智能机器人的科技活动。

2001年，北京景山学校计算机教研组长率先向学校提出了在景山学校开展智能机器人普及教育试验的建议，提出了“从景山学校毕业的学生都要接受智能机器人教育”的行动口号，并提出了“将智能机器人内容的教学纳入到信息技术教育课程中”的建议。在2001年，上海市西南位育中学、卢湾高级中学等学校开始以“校本课程”形式进行机器人普及教育的探索和尝试。

2002年，北京景山学校在直升班进行了智能机器人课程的教学试验。在四年级同学中开展了智能机器人的课外小组活动。在六（5）和七（5）班进行了智能机器人的教学试验。

2003年，北京景山学校在七年级、高二年级开设了智能机器人课，编制了《初中机器人教学系统设计纲要》，制作了《初中机器人学习园地》网站，开展了基于网站资源的教学模式实践。

图3　我国机器人教育的三个发展阶段

机器人教育推动期（2004年—2001155年）

该阶段的特征是出现了机器人教育的学术组织，逐渐开始了机器人教育的课程与教学方法探讨。比如，2004年12月，全国中小学计算机教育研究中心在昆明召开了《第一届全国中小学程序设计与机器人教学研讨会》，并成立了机器人学组。

2004年，智能机器人课程正式纳入北京景山学校6年级第二学期信息技术课的教学内容中，并在高中开设了智能机器人的研究性学习课和校本课。高中通用技术课上开设了《简易机器人制作》的选修模块。

2005年，哈尔滨市正式将机器人引入课堂教学，在哈尔滨师范附小、60中、省实验中学等41所学校开设了“人工智能与机器人”课程，用必修课形式对中小学生进行机器人科学方面的教育。此外，香港在高中及高等教育新学制的改革中，也在高中“设计与应用科技”课程中增设了机器人制作的课程。随后，越来越多的学校开始了各具特色的机器人校本教育课程的实践探索。

2008年由北京景山学校教师参与编写的《信息技术初中三年级下册——智能机器人》教材由清华大学出版社出版。

2011年，深圳市对机器人模块的教学内容作了较大调整：其一是开课形式由以往的选修课升级为必修课；其二是开课时间由以往的毕业年级，调整为小学五年级上学期和初中七年级下学期；其三是开课的学时，小学阶段和初中阶段的课时都由以往的6-8个学时增加至18学时。

2012年7月，笔者与吴俊杰一起共同策划与筹备了民间的全国Scratch教学交流会，在景山学校的计算机教室召开。

8月，北京景山学校沙有威老师在退休后启动烛光义教活动，开始义务进行智能机器人启蒙教育，他的想法很纯朴。他说：“当2006年我有了自己的汽车时就开始筹划自己七年后退休的事，我想如果身体状况允许，我将带上几个教学用的机器人、几个笔记本电脑和一个投影仪驾车出游，在自驾游的途中到沿途的贫困学校去支教，为那些地区的孩子们上点机器人知识的普及课，义务做点科普的工作”。

根据沙有威的新浪博客，截止到2015年 10月，沙有威 “烛光义教行”在3年多来7个阶段的活动中，已经在31个地区的84所学校上课222节，普及机器人科普知识，惠及近18000多人，自驾行程约35000公里。

但是，这个时期内的机器人教育普及率依然很低。据有关研究与统计，截止到2014 年4月，广州市有90％以上的学校希望开展机器人实验项目，但是在广州市1605 所中小学校中仅有116 所学校开展了机器人实验活动，569 名学生和152 位教师参加了机器人教学及竞赛。这些数据说明即使在经济发达地区，中小学机器人教育的普及率依然很低；在已经开展了机器人实验的学校，也只限于在兴趣小组中开展教学和参加各种机器人竞赛，真正能接触到机器人教育的学生和教师相当少。

图4　景山学校沙有威老师机器人教育观的结构图

机器人创客教育时期（2015至今）

随着STEM教育和创客运动的兴起，我国机器人教育进入了大发展时期，其主要特征是体制外的机器人教育已经形成规模，体制内的机器人教育开始探讨深层次学习的机器人教育问题。

近年来，北京景山学校的信息技术课程增加了很多新的元素。学校参与了北京师范大学项华教授的数字科学家计划，开设了数字科学家课程，并在数字科学家计划的探究理念指导下创新机器人教育课程，摸索出了基于探究式深度学习理论下的机器人创客教育新路径。另外，学校还率先在国内引入了Scratch 和Arduino等与开源硬件结合的课程，校园机器人创客教育课程深受学生喜爱。

2016年5月，中国机器人教育联盟在郑州召开了年会，笔者在此次大会上作为特邀专家作了题为“机器人教育在现代教育中的重要影响”的专题发言，极力倡导普及机器人创客教育和开启边远地区孩子们的智能机器人启蒙教育义教行动，指出机器人创客教育能够很好地引领创客教育走向未来，项目式的探究性学习是面向未来的机器人创客教育的新模式。

图5　北京景山学校沙有威老师 “烛光义教行”掠影

关于我国机器人教育现状调查与分析

我国机器人教育的情况是怎样的呢？根据2015年7月《中国电化教育》发表的南京师范大学钟柏昌、张禄合著的《我国中小学机器人教育的现状调查与分析》，经过数据分析与归纳后，得到如下结论：

第一，认为每个学生都有必要学习机器人课程的教师，占被调查教师总数的83.8％。这说明，在实践中，大多数一线教师对“机器人进课堂”持肯定的态度。

第二，在关于影响“机器人进课堂”的主要因素的调研中，79.5％的教师认为机器人价格偏高，51.4％的教师认为缺乏相关政策配套支持和课程标准，40％的教师认为缺乏师资，39％的教师认为缺乏课时。而专家则认为前两个因素最为关键，涉及资本与政策，如能解决好这两个问题，则相应的师资、课时和领导的重视程度都会发生质的变化。

第三，在关于开设机器人课程方式的调研中，68.6％的教师认为应该以选修课的方式进行，有29.5％的老师则认为应该以必修课的方式开设；而对于开课年级，老师们则普遍建议，小学在四五年级开设，初中在七年级开设，每个学段适宜开设1学期。根据北京景山学校的机器人课程开设经验，则建议每学期14周左右，每周2课时连排开设课程。

第四，在对现在校内机器人教育存在问题的调研中，从教材方面看，由于大部分学校的机器人课程以校本课程方式开设，故有54.2％的教师使用自编的教材，18％的老师没有教材，26.8％的教师使用了统一采购的、机器人厂家编写的类似产品说明书式的教材，这无疑是缺乏课程标准的一种表现。

在教学方法上，70.8％的教师采用了任务驱动法，66.7％的教师采用了讲授演示法，52.8％的教师采用了讲练结合法，这三种方法也是信息技术课堂常用的教学方法，而25％的教师采用了项目教学法，29.2％的教师则采用了实验法。

但是，机器人教育应该有其鲜明的特点，国外广泛采用的机器人教学的方法一般是项目教学法和实验法，尤其是国内采用较少的项目教学法被很多教师视为机器人教育的“法宝”，这需要引起我们反思。在对待有关多少学生共用一台机器人问题方面，有79.2％的教师选择了2-4人，因此，小组合作是大家比较认同的方式。

从教学评价角度看，以平时上课表现（过程性评价）和作品评价（总结性评价）为主流，分别占70.8％和63.9％，也有涉及竞赛成绩和书面考试等评价方式，但没有特别的评价方式出现。

从调查的整体情况而言，我国机器人教育实践已经开始从尝试阶段走向大发展阶段。但是，在相关经验的积累和课程化建设方面，与机器人教育发达国家相比较，我国差距依然较大，亟待相关的政策指导与规范。

机器人创客教育应如何普及

做好顶层设计，建立课程体系

机器人教育如果只是依靠竞赛或兴趣小组的方式，可能会局限在少数学校的少数学生当中。在当前的教育体制下，机器人教育要想在课堂普及，则必须在国家课程体系中占有一席之地。建议将机器人创客教育列入信息技术课程中的一个重要模块，在时间序列上形成小学、初中、高中相互衔接的机器人课程体系。在横向联系上，与程序设计、物理、数学、通用技术等课程内容合理整合、相互支持。显然，这牵涉到机器人普及教育的顶层设计问题，顶层设计好，才能规范课程开设的目标、内容、课时、教材、师资等与课程配套的相关内容。

目前在北京，有一些学校已经在相关层面作了相关尝试。例如北京景山学校和北京二中的初中机器人教育走进了课堂教学，并且结合信息技术课程开设1个学期的机器人普及课，利用“机房+机器人设备”的空间，利用“信息技术1课时+增加的1课时”，2节课连排，2位老师同时开课，40名学生分为2个小班。

在高中，北京景山学校信息技术选修模块“基于App Inventor的算法与程序设计”课程中有用手机控制机器人的单元内容；北京171中学，也在高中的“算法与程序设计课程”中使用机器人作为呈现载体；北京二中则是利用“通用技术选修模块”的课时开展机器人普及课……这些有益的探索与尝试无疑具有很好的借鉴性意义。

探索适合机器人教育的教学模式和方法

机器人教育课程有着广泛而重要的教育价值，比如，Khanlari （2013年在《欧洲科学杂志》上发表的“机器人对21世纪技能的影响”一文）指出，机器人是改进21世纪技能的有效工具，有利于培养学生的创新能力、合作能力、自主学习能力、交流能力、社会和跨文化技能，以及社会责任感。再比如，McGill （2012年发表“学习与机器人编程：影响学生的学习动机”一文）的研究则表明，机器人课程能够对学生学习编程产生积极影响。还比如，“数字科学家计划”创始人项华教授认为，机器人创客教育项目非常适合于学生探究式学习，学生在项目设计、制作和调试过程中可能产生很多问题，这些问题源自于学生，也是很好的数字科学家课程内容。由此，需要探讨关于机器人创客教育的课程与教学方法。

充分利用校外与线上资源，加强师资培训

相比传统的信息技术课程，机器人教育课程对教师的要求较高，不仅体现在对机器人本体知识的掌握方面，而且体现在教学方法的差异方面。更重要的是，机器人教育课程不是一种学科本位的课程，需要卷入STEM，即科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）等多门课程知识，而且，它还是创客教育的主要阵地，需要教师具备一定的创意设计与整合能力，对教师的素质要求要高于传统的信息技术课程，这对教师颇具挑战性。

由于多数教师没有学习过机器人的专业课程，需要自学以获得必要的知识和技能，这直接影响了机器人教育课程的师资质量。因此，普及机器人教育的重中之重是教师培训。机器人教育师资培训可以充分利用校外机器人培训机构、机器人硬件厂家、软件平台、线上培训等资源，积极地开展在职教师的专业知识培训。近10年来，校外的机器人培训机构和教育机器人产业有了很大的发展，这是K12领域内能够充分利用的外部资源。例如，中国机器人教育联盟平台上就拥有丰富的机器人教育产品、课程与教师培训等资源。与此同时，充分利用学校教师丰富的教学经验，帮助校外机器人教育机构改进教学模式和教学方法，形成合力，更好地培养未来创新人才。

开启边远地区启蒙教育，促进教育均衡发展

在“互联网+”和创客文化的大背景下，教育均衡发展迎来了最好的时机，可以通过机器人创客比赛和义务支教等活动促进教育均衡发展。

沙有威4年的烛光义教行感动了很多人，1万多边远地区的孩子们接受了智能机器人启蒙教育，这样的善举当然是多多益善。在中国经济高速发展的今天，如果有10家，100家甚至更多企业愿意提供智能机器人产品与课程，如果有更多的像沙有威一样的机器人教育志愿者的话，就会有越来越多的学生们在青少年时期能够接受到机器人启蒙教育。边远地区的学生接受机器人创客教育，这对于提升国家公民整体的科学素质水平具有重要意义。

将机器人创客教育的思想渗透到其他学科课程或者创新课程中

在整个教育信息化和现代化的进程之中，借助教育系统以外的社会变革力量，整体优化教育系统结构非常重要。当前的创客文化运动提供了一个很好的契机。机器人创客教育的宽度不如创客教育，但是机器人创客教育深于创客教育。应该看到，机器人创客教育能够引领整个创客教育。因此，应该积极探讨机器人创客教育与其他课程的整合，将机器人创客教育的思想渗透到其他学科课程或者创新课程中。