基于创客教育的创客课程教学设计研究*——以人工智能实验“塑料（PVC）机械猴”制作为例

马云霞，秦　健，白　珍（.陕西师范大学教育学院，陕西西安7006；.陕西省教育科学研究所，陕西西安7006）

基于创客教育的创客课程教学设计研究*
——以人工智能实验“塑料（PVC）机械猴”制作为例

马云霞1，秦健1，白珍2
（1.陕西师范大学教育学院，陕西西安710062；2.陕西省教育科学研究所，陕西西安710062）

文章基于创客教育理念，设计并实施了机器人兴趣类课程。课程课堂教学分为集中教学和小组合作两个部分，教师和助教作为课堂教学的引导者，学生作为主体通过同伴互助和教师引导完成小组任务。文章通过问卷调查和访谈法，对19名研究对象“PVC机械猴制作”课程学习情况展开研究，发现一堂良好的教学设计对机器人学习效果有一定影响；创客课程的设计不仅主题要选取恰当，根据学生认知水平来设计难易程度不同的任务，而且对教学活动的细节设计要再完善，使其更具体，同时要善于接受学生对教学活动等提出的建议和意见，最终实现师生的共同成长。

创客；创客教育；机器人教育；创客课程教学设计；教育信息化

教育部办公厅《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见》（征求意见稿）中提出：有效利用信息技术推进“众创空间”建设，探索STEAM教育、创客教育等新教育模式，使学生有较强的信息认识与创新意识，养成数字化学习习惯。［1］

“创客教育”以“创新”为代名词正在逐步地影响着教育教学，它可以更好的使让学生进行意义建构，即有意义学习。因此设计一节基于创客教育理念下的教学设计是创客课程教与学过程中非常最重要的一个环节，同时这也是基于教育一线对人才培养的需求，我们设计并实施了改革实践课程的内容。

一、创客和创客教育

创客运动可以理解为“互联网+DIY”：人人都可以像科学家、发明家一样，利用身边的一切资源（如软硬件、材料等），将自己的创意变成现实，并通过互联网平台快速分享给全世界。［2］创客起源于美国，它源自英语单词“Maker”，原意是指“制造者”［3］。现在，创客指代用网络、3D打印以及其他新兴科技，把创意转换成现实，勇于创新的一群人［4］。他们喜欢并且享受创新，他们不分年龄、性别，只要个体具有创新意识、创新精神、动手能力，加以不断的尝试、协作将创意变现实并通过创客社区分享，每个人都可以是信息化时代的创客。

创客教育以信息技术的融合为基础，传承了体验教育、项目学习法、创新教育、DIY理念的思想 （祝智庭等，2015）；［5］提倡“基于创造的学习”，强调学习者融入创造情境、投入创造过程（郑燕林等，2014）。［6］“创客教育”虽然是新生事物，但创客活动与教育领域的交叉、相互影响、相互融合，对推动教育信息化的进程有着重要的作用。

二、创客课程

1.课程介绍

《人工智能实验课》是基于乐高、Arduino、PVC等开源软硬件，通过编写代码以及连接配件的方式来完成小组任务，从而创造出电子产品。该课程面向对机器人设计与制作感兴趣的大学生提供学习、交流、动手实践的机会和平台。

2.教育目标与活动

课程旨在让学生运用教师及助教给出的教学案例，来实现程序功能，重点在于通过动手实践来学习如何设计富有创意的机器人。具体目标首先是让学生了解PVC机器人相关知识；其次是让学生通过自己动手制作各类机器人，培养学生的动手能力与操作能力。

三、研究对象与研究方法

1.研究对象

《人工智能实验课》是针对陕西师范大学教育学院2012级教育技术学专业本科生开设的选修课，在2014-2015学年的第二学期中选修本课程实验课的学生共有19人，授课教师为陕西师范大学教育学院秦健副教授。

2.研究方法与步骤

根据研究的需要，本研究采用问卷调查法和访谈法。问卷有两个部分：即为前测问卷（记为Q）和后测问卷（记为H），问卷采用李克特五点计分法，选用克伦巴赫系数来检验量表的内部一致性信度。前测整体与后测整体的Alpha值依次为0.741、0.796，可见研究所采用的调查问卷具有较高的可信度。访谈是每节课之后以及课程结束后对学生进行半结构访谈。

第一步，前测问卷调查，是在课程开始之前对19名研究对象做了一个关于《人工智能实验课》学科基础知识的调查，前测问卷包括了学生对于机器人的兴趣（Q1）和已具备的基本水平（Q3）、对创客课程的态度（Q2）等。

第二步，分组。其遵循多元化的原则，让学生根据自愿、性别、学科背景、兴趣爱好等不同因素自由组合学习小组。最终形成每2至3人的8个小组。

第三步，实施教学活动。首先向学生介绍课程概述，然后进入正式的课程学习阶段，课堂上采用小组合作的方式，进行小组间成果互评，相互质疑，促进新知迁移。

第四步，后测问卷（H）调查，课程结束之后同样采用问卷调查法对研究对象对机器人的兴趣（H1）、对创客课程的态度（H2）、对机器人的学习情况（H3）这三个维度来调查学生课程结束后对课程的态度和学习效果的情况。

第五步，对学生进行半结构访谈，了解各个小组本人学习与合作学习的情况以及各个实验课机器人功能实现之后的感悟与心得体会。

3.教学过程

本实验课程基于创客教育的理念，着重开发及培养学生的创新意识与创新能力，通过一系列实际动手操作活动，激发学生的创新意识及提高学生的动手能力。本文将选取该实验课中的“塑料（PVC）机械猴制作”［7］这一实验展开讨论创客课程教学设计。

在本节实验课中教师和助教的主要工作首先是讲解PVC机械猴实现运动的原理，其次是为每组提供原材料和案例代码，在小组制作机器人的过程中，教师和助教为学生提供引导与辅助讲解，学生之间进行互助式学习，实现知识和想法的交换。

PVC机械猴实验课主要是模仿灵长类动物在吊绳攀爬时的运动方式。本案例的机器人造型类似一只猴子，故又称为“机械猴”，案例采用模块化的开发方式，可以快速有效的完成整体机器人的搭建。下面将从机械猴实现运动的基本原理、材料准备、制作过程、调试完善几个方面做一些简单介绍。（教学流程见图1）

图1　教学流程图

图2　教学各要素关系图

图3　教学场景

（1）基本原理

图4　连杆结构图

本案例中吊绳攀爬机器人运动的方式是以减速电机为动力，通过连杆机构（见图4）来实现在绳索上的攀爬运动。即由抓握住绳索的一只手臂把身体往前送；接着由另一手臂再往前抓握新的一段绳索；然后原来的手臂放弃抓握绳索，身体往前摆；再由抓住绳索的手臂把身体往前送……如此循环往复，实现在绳索上攀爬前进。

本案例中我们采用电机作为动力，为了实现绳索上的攀爬，需要把电机的旋转运动变为不断前后摆动的抓伸运动，为了使本项目机器人能够吊挂在绳索上，机器人与绳索接合的部分设计成了一个吊钩（见图4）的形状。

本案例机器人的电路原理是一组电池连接一个电机，中间通过一个拨动开关来控制电路的通断。

图5　成品展示

（2）材料准备

实验材料包括减速箱部件、主体结构部件以及电源部件的材料。

（3）制作过程

制作过程主要包括主体结构、电源、总装三个方面。其中主体结构分为动力、腿部、背部、传动、手臂、接口、头部、脚掌、躯干九部分；电源分为支架、开关、导线、接口四部分；总装就是把整个电源模块固定到结构平台的背部，然后再将把DC-7A电源模块的PH插头插入结构平台的PH插座上，这样就完成整个吊绳攀爬机器人的制作。

（4）调试完善

这个环节主要是通电检查电路连接，进行测试与调试，以及对其他细节进行修正。

四、研究结果

1.对机器人的兴趣和对创客课程的态度

对参与调查的学生进行描述性统计，结果如表1所示，可以得出：选修人工智能实验课程的学生对机器人有很高的兴趣，对科学的学习态度也较积极；在对机器人的兴趣和对创客课程态度上均具有更高的得分，即对机器人的兴趣和对创客课程的态度较积极的学生更易坚持学习完整的课程内容；可见创客课程在一定程度上提高了学生机器人的兴趣和对创客课程的态度。

表1　对机器人的兴趣和对创客课程的态度前后测描述性统计量

2．创客课程学习情况

对后测的学生进行描述性统计，发现学生对创客课程的态度具有较高的评分（4.232），对机器人的学习情况即学习效果得分也较高 （3.889）。为进一步探究学生对创客课程的态度和学习情况，对学生进行针对这两个维度的半结构性访谈，可以得出参与课程后的学生对创客课程的评价普遍较高。例如“课程设计挺好的，（完成整个作品之后）比较有成就感”、“实验主题很好，自己参与全部过程并完成作品很有成就感，除了切割比较困难（之外）”等。但是对于“PVC材料的裁剪”环节评价较低，例如 “材料特别难裁剪，（应该）提供裁剪好的材料”、“（PVC材料）难打孔”，这可能是由于选课学生中大部分为女生，所以在材料裁剪过程中裁剪材料和使用工具时较为困难。

3．机器人知识掌握程度明显提高，基本达到了该课程的教学目标

从前测的数据可以看出绝大多数学生对于机器人基本知识只是处于听说过甚至未听说过。后测数据显示绝大多数学生认为自己已经掌握或者基本掌握了机器人基本知识。在访谈的过程中，绝大多数被访谈者表示已经掌握或者基本掌握了简易机器人设计、制作等一系列的方法。例如“在学习机器人之前，觉得机器人是特别‘高大上的'，很容易掌握一些基本的（机器人）知识”，“觉得还蛮有趣的，比起单一的学习理论，自己动手进行实际的操作……锻炼了我们的动手能力，很充实”。同时表示在课后也积极应用设计、制作机器人的方法。

五、结论和建议

通过前后测问卷的调查分析和访谈，可为开展创新实践类的课堂教学模式提供以下建议：第一，在课堂中需要不断激发学生的兴趣，并鼓励学生从生活中发现创意；第二，教师要敢于设计实践课程、敢于要求学生，并提供针对性的辅助讲解和扩展性知识；第三，学生虽然对课程活动较为满意，但仍有学生认为活动设计不合理，所以教师及助教要明确实践课程目标提前给予课程资源；第四，评价方式可多样化，让不同水平的学生灵活地选择可以实现的任务，允许制作结果的多样化，同时善于接受学生针对教学提出的意见与建议，使得师生在教与学的过程中实现共同成长。

［1］教育部办公厅关于征求对《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见（征求意见稿）》意 见 的 通 知 ［Z］.http：//www.moe.edu.cn/srcsite/A16/ s3342/201509/t20150907_206045.html.

［2］杨现民，李冀红.创客教育的价值潜能及其争议［J］.现代远程教育研究，2015，（02）：23.

［3］（美）克里斯·安德森，译者：萧潇.创客新工业革命［M］.北京：中信出版社，2012：9-23.

［4］李凌，王颉.“创客”：柔软地改变教育［N］.中国教育报，2014-09-23（005）.

［5］祝智庭，孙妍妍.创客教育：信息技术使能的创新教育实践场［J］.中国电化教育，2015，（1）：14-16.

［6］郑燕林，李卢一.技术支持的基于创造的学习——美国中小学创客教育的内涵、特征与实施路径［J］.开放教育研究，2014，（6）：42-44.

［7］pvcbot，吊绳攀爬机器人［J］.中学科技，2013，11.http：//www.diy-bot.net/_book/boo_article_show.aspx？artSN= 147.

［8］Chu H，Hwang G，Tsai C，et al.A two-tier test approach to developing location-aware mobile learning systems for natural science courses［J］.Computers&Education，2010，（4）：1618-1627.

［9］王辞晓，傅骞，杨思思.创客视野下的创意电子课程设计研究［J］.现代教育术，2015，（10）：106-112.

（编辑：郭桂真）

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1673-8454（2016）12-0012-04

本文为陕西师范大学第三批信息化师范课程项目“人工智能”项目的阶段性研究成果。本文受“机器人在中小学创客教育中的应用研究”项目（项目级别：教育部“十二五”教育科学规划重点项目DHA150287）、陕西师范大学高等教育教学改革研究项目“师范院校工程技术专业学生工程思维能力培养的研究与实践”（编号：15JG13）资助。