创客教育视域下中小学机器人教学模型构建

张 爽，王小根，赵康健（江南大学教育信息化研究中心，江苏无锡214122）

创客教育视域下中小学机器人教学模型构建

张 爽，王小根，赵康健
（江南大学教育信息化研究中心，江苏无锡214122）

创客教育作为创新型人才培养的新型教学模式得到越来越多教育工作者的关注，机器人教育承担着培养中小学生创新实践能力的重任，也是创客教育实践的课程基础。文章分析了机器人教学现状与存在的问题，将创客教育与机器人教育相融合，对中小学机器人教学模型进行构建。通过与传统机器人教学的对比，阐明创客教育视域下的机器人教学模型的优越性。基于学习流程，构建出集“知识学习过程”、“模仿过程”、“创造过程”于一体的教学模型。以期为中小学机器人教育和创客教育的教学实践提供参照。

创客教育；机器人教学；教学模型

一、引言

2015年初，李克强总理探访深圳柴火创客空间，推动了“大众创新、万众创业”的浪潮。创客们在创客空间里共享资源和知识，来实现他们的想法［1］，创客们一起协作，利用创客空间里的技术和硬件实现他们的创意［2］。随着创客空间的普及，将创客思想与教育融合也越来越引起教育者的思考。2012年美国政府宣布，在未来四年内，将在1000所美国中小学校引入创客空间，配备开源硬件、3D打印机和激光切割机等数字开发和制造工具，通过推动创客空间的建设和各种创客项目的实施，培养孩子们的兴趣、动手能力和创造力。2015地平线报告（New Horizon Report）中指出，在未来三到五年之内，学生有从知识的消费者（Consumer）转换为创造者（Creator）的趋势，在未来一年内创客空间将成为学校应用的主流［3］，而创客教育在这个转变中将会起到至关重要的作用。创客教育以培养学生的动手能力、创造能力、分享精神为目标，提倡基于创造的学习，秉承“做中学”、快乐学习、基于项目的学习、体验学习等理念［4］，充分发挥学生在学习过程中的主体作用。

作为一项新兴事物，从国家课程、地方课程到校本课程，创客教育还缺乏完整、成熟的课程和实践，糅合创客思想、改造现有课程成为中小学创客教育开展的有效方法。中小学机器人教育涵盖多方面内容，强调手脑并用，是培养中小学生科学素养和创新能力的重要载体，也是在校园内开展创客教育的良好平台［5］。将创客教育的理念融入到中小学机器人教学，对原有的教学模型进行重构，可以为机器人教学提供新方法、新思路，指导教师在创客教育的视域下开展机器人教学。同时，能够充分发挥机器人教学的特点与优势，让学生能够体会到动手、创造、分享的快乐，促进学生的全面发展。

本文首先分析了当前中小学机器人教育教学的现状，将创客教育的理念与目标和中小学机器人教育的目标进行了对比分析，从中分析当前中小学机器人教育中揉入创客精神培养的空间和方向，尝试重构了面向创客教育的中小学机器人教学模型。

二、中小学机器人教学现状分析

机器人融合了机械制造、电子技术、传感器、无线通讯、声音识别、图像处理和人工智能等领域的先进技术，代表着现代高新技术发展的前沿［6］。2003年4月教育部正式颁布《普通高中技术课程标准（实验）》，首次在高中“信息技术”、“通用技术”课程中分别设立了“人工智能初步”、“简易机器人制作”选修模块，部分省市也把机器人教学内容纳入到初中和小学信息技术、综合实践和科学课程中［7］。目前国内已有数百所学校开展了机器人教学，主要以机器人教学和机器人竞赛的形式展开［8］。经过十余年的教学和实践，中小学机器人教育教学取得了长足的发展，从早期的由竞赛推动到当前的注重能力的培养。然而在我国基础教育中，机器人教学部分没有明确进入国家课程序列，在国家的课程体系框架中是采用的三级课程体系设计，即国家课程、地方课程和校本课程［9］。因此，多数学校都是以校本课程和兴趣小组的形式开展机器人教育，由于缺乏一定的课程标准和相关专家的指导，各学校的机器人课程的教法、学法以及采用的机器人种类不尽相同。

目前开展机器人教学的学校普遍采用任务驱动法、讲授演示法、讲练结合法这三种普通信息技术课的教学方法进行教学［10］，而机器人课程与信息技术课程相比有其鲜明的特点，机器人课程涉及到多学科知识的融合，更偏重于学生的动手实践，机器人教学的一个重要目标则是培养学生的创新能力。单纯的任务驱动、讲授演示与讲练结合更适合于机器人基础知识内容与简单技能掌握的教学，而不能给学生充分的创造机会和创造空间，这很难促进学生创新能力的形成与发展。因此，机器人教学不能简单的模仿信息技术课程，而应在此基础上引入新的教学理念，发挥学科特色，形成机器人学科特有的教学方式。创客行动席卷全球的背景下，创客教育融合信息技术的发展，为创新教育开拓了新园地［11］。在提倡人人皆可为“创客”的环境中，亟待用创客教育的理念对中小学机器人教学模型进行重构。

三、创客教育视域下的机器人教学

创造、技术、全人发展是中小学创客教育内涵中最重要的因素［12］。创客教育视域下的机器人教学目的在于为所有学生提供适宜的用于创造的环境、资源与机会，特别是利用一些技术工具和资源，使学生可以将学习过程与创造过程相结合，实现基于创造的学习；同时，使学生在创造过程中提高学习质量，尤其是提升科学、技术、工程、数学、艺术等学习中的自信心、创造力与兴趣［13］，在这样的学习中，学生不再是知识的被动接受者，而是身兼数学家、科学家、发明家等多重角色［14］。创客教育视域下的机器人教学可以说是一种新的教学理念和教学方式的体现：

（1）教师主导地位弱化

传统课堂中教师是学习的主导者，而在创客教育中教师是学习的引导者。教师不再是知识传递中心，学生可以根据创造的实际需要自主获取新知识，新资源，但在学生学习过程中教师仍具有十分重要的推动作用。当学生在创造的过程中需要指导的时候，教师便会向他们提供必要的支持。教师的任务是通过教学活动的设计来培养学生的兴趣、习惯和能力，但是不能干预学生的选择与创造。

（2）学习形式多样化

创客教育中学生可以在课堂上学习到基础知识与操作技能，课堂中教师减少了讲授时间，留给学生更多的自己动手的时间。教师通过设计与实际问题相关的项目和课题让学生进行制作，学生在交互协作中完成自己动手的过程。学习和制作的过程并不局限于课上的时间，还可以利用课后时间在学校的创客空间内进行制作，知识的来源也是多方面的，不仅仅是教师的指导，也包括同学、社会上的创客以及互联网的海量资源等等。

（3）注重分享交流

克里斯·安德森提出创客运动一个重要的特点就是“分享”［15］。分享也是创客教育中一个不可忽视的组成部分，在学生完成作品之后，要与其他同学分享创作的过程、资源与心得，不仅能够将知识与资源进行共享，还可以方便其他学生在此基础上继续进行制作。同时，这种分享精神将渗透到学生的生活当中去，更是未来发展的宝贵财富。

四、创客教育视域下中小学机器人教学模型

为改造当前我国中小学机器人教学，糅合创客教育的内涵、特征与理念，本文结合中小学机器人教学的实际需求，构建出更加完善的适合中小学的机器人教学模型（见图1）。该教学模型强调“做中学”和基于项目的学习，充分调动学生的积极性和能动性，让学生在自己动手的过程中习得基本知识原理，学会工具的使用；在模仿项目学习中深化知识内容，了解如何将理论应用到实际项目中；在创造过程中学生发挥想象力，确定创造的项目，通过合作探究，协作完成创造项目。

图1　创客教育视域下中小学机器人教学模型

信息技术和开源的资源是创客教育实施的两个有力杠杆，创客空间中配备学习与创造过程中需要的设备与资源，构建出个性化协作式的学习环境；多名教师在学生的学习过程和创新性项目的实施中进行指导，为创客教育实践提供支持与保障。

1．知识学习过程

知识学习过程是基础部分，是学生能够产生创意以及进行自主创造的重要保证。很多教育工作者往往将创客教育的核心放在“创”上，“创”固然重要，但是没有一定的知识储备，再精彩的创意也很难变成现实，只有学生具备了相关基础知识，才能将想法付诸于实践，通过不断的学习和制作，最终创造出具有其他功能的机器人。

创客教育视域下的机器人教学的知识学习过程不同于传统课堂，并非教师讲、学生听，教师操作演示完，学生进行模仿操作的形式。在创客教育理念指导下知识学习过程中，教师与学生是平等的角色，学生以小组的形式集中在一起，教师在学生中间，边讲解边操作，学生的动手做与教师同时进行，学生可以根据教师的讲解自己动手操作教师讲解的内容，也可以根据自己的理解进行类似内容的操作，学生具有自主权，自己决定如何学习。

在知识学习过程中，教师是学生学习的引导者，教师讲解结束之后给学生充分的时间自己动手操作，教师则在各个小组之间观看学生操作，帮助学生解决遇到的问题，在这个过程中帮助学生巩固所学内容。学生是学习过程的主导者，学生自己把握学习的节奏和步调，自己选择学习方式，可以自主探究也可以与小组同学共同学习。

2．模仿过程

模仿和尝试错误是学习复杂动作技能的早期阶段［16］，学生的创新过程以模仿作为起步［17］。模仿过程中，学生并非跟着教师的操作进行模仿，而是进行模仿型项目学习，教师提供有目标的模仿项目以及具体操作流程，学生据此进行模仿练习。在这个过程中，学生通过小组协作的形式进行学习，不断尝试，在错误中通过同伴互助或教师帮助来完成整个项目。模仿过程的目的在于让学生通过模仿操练成熟的学习项目来深化机器人相关的基本知识，了解机器人原理如何应用到实际机器人设计与制作中。

3．创造过程

创造过程是创客教育的理念融到机器人教育中的特色，也是整个教学模型的核心部分，在创造过程中，学生根据自己想要制作的机器人进行方案设计，再根据设计的方案发现完成机器人制作需要解决的问题，进而自主探究解决问题，当问题解决后进行机器人的制作，机器人制作完成后与同伴、教师进行分享交流，最后教师对作品以及整个过程进行评价。这个过程完全放开让学生自己去做，培养学生的动手能力与创造力，让学生在自己动手、解决问题的过程中感受到创造的快乐，体会到自己动手把想法变成现实的成就感和喜悦。

（1）选定创造项目

在基础知识与模仿型项目学习结束后，学生需要确定自己想创造的作品，学生可以结合所学内容，根据自己的兴趣自主选择。教师在学生进行创造项目的选择时，要肯定学生的创意，激发学生创造的热情，对于一些现实中完成不了的创意，教师在给出建议时要注意言辞，给予肯定的同时表达出修改意见，注意不能打击学生进行创造的信心。

（2）设计实施方案

学生在正式开始创造之前需要设计产品制作实施的方案，方案的制定帮助学生理清作品应该怎么去做，方案的设计是指对创造中所涉及的活动预先进行计划，实施方案的设计应该包含如下两个方面，作品制作的步骤和制作的时间安排。学生在进行制作的时候根据实施方案来进行，可以保证学生的制作进度，同时也可以帮助学生的制作有序进行。方案可以根据制作过程中遇到的问题和实际情况进行修改。

（3）发现问题

在实施方案设计完成后，学生需要对所要制作的作品进行分析，在分析的过程中发现想要将自己的创意变成现实还需要解决哪些问题，这些问题可能是资源上的问题，也可能是技术上的问题、知识上的问题等等，学生需要将这些待解决的问题列出来，逐项解决。

在这个过程中，教师帮助学生检查所考虑的问题是否全面，如果不全面，教师引导学生全面思考，尽可能多的发现问题。同时，教师需要注意学生情绪的变化，有的学生可能会由于待解决的问题太多而丧失信心，教师应该对此进行合理引导，给予学生解决问题的信心。

（4）自主探究

确定了待解决的问题以后，学生进入自主探究阶段，根据所学知识来解决创造过程中的问题。自主探究的过程中学生先根据自己的能力解决可以处理的问题，解决不了的问题可以与同学、老师探讨解决对策，也可以使用互联网来搜集资料，甚至可以向社会上的创客空间寻求帮助。自主探究的形式是由学生自己决定的，学生可以选择适合自己的方式进行探索。

教师在这个过程当中是辅助学生探索的角色，教师可以在学生需要时适当的给予指导，但并不是整个过程都告诉学生怎么去做；学生探究时会需要多种资源，此时，教师应提供学生需要的资源，为学生的探究提供充足的条件，尽可能保证学生创造作品的顺利进行。

（5）动手制作

经过前几个阶段的准备，学生已经具备了把想法变成现实的全部条件，可以进入动手制作的过程。动手制作过程是创客教育区别其他教学模式的重要特征，在这个过程中，学生将自己的创意转换成现实中的作品，体会通过自己的双手创造出新产品的乐趣。学生在进行制作的时候仍会遇到一些困难，然后再进入发现问题阶段，通过自主探究进行解决，再接着进行动手操作。

（6）分享交流

作品制作出来之后，同学之间要相互交流，展示自己制作的作品，分享作品制作的过程，以及在这个过程遇到的困难和解决办法，同时交流自己的经验和体会。在分享交流中，参与的人员除了本校的领导、老师和学生以外，还可有校外来宾，如家长、其他学校的教师和学生和社会上的创客等。学校也可以组织学生定期与校外创客空间进行交流，让学生感受到创客的文化与魅力。

（7）作品评价

创客教育理念下的教学与传统教学的一个重要区别还在于学习评价。在创客教育的理念下，评价要求由教师、同伴、社会上的创客以及学习者自己共同来完成。它不但要求对作品最终的评价，同时也强调对创造过程的评价，真正做到了定量评价和定性评价、形成性评价和终结性评价、自我评价和他人评价之间的良好结合。

评价的内容有作品的功能性、实用性、作品创意、学生在创造过程中的表现、计划、时间安排和成果展示等方面。对结果的评价强调学生的知识、动手能力和创新能力等，对过程的评价强调各种原始数据、活动记录表、调查表、访谈表、学习体会等的评价。

五、结语

创客教育自2011年传入我国后得以不断发展与推广，短短几年间，已成为我国课堂教学改革的新潮流。创客教育视域下的机器人教学，不仅关注机器人知识的学习和操作技能的掌握，同时注重学生的动手操作、创新和分享，体现的是对全人发展的影响。资源的开源性与技术门槛的降低，越来越多的教育工作者们也开始了创客教育的教学实践的探索。创客教育理念支持下的机器人教学模型或许可以为中小学开展创客教育提供参考。

［1］谢作如.如何建设适合中小学的创客空间──以温州中学为例［J］.中国信息技术教育，2014（9）：13-15.

［2］Wikipedia.Hakerspace［DB/OL］.http：//en.wikipedia. org/wiki/Hackerspace.

［3］New Horizon Report：2015 Higher Education Edition［DB/OL］.http：//cdn.nmc.org/media/2014-nmchorizon-report-he-EN-SC.pdf.

［4］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（2）：23-34.

［5］钟柏昌，张禄.基于核心素养的中小学机器人教材内容设计［J］.中小学信息技术教育，2015（6）：14-16.

［6］王同聚.“微课导学”教学模式构建与实践——以中小学机器人教学为例［J］.中国电化教育，2015（2）：112-117.

［7］王同聚.中小学机器人教学中“微课”的制作与应用研究［J］.中国电化教育，2014（6）.

［8］廖伯琴，张大昌．《普通高中物理课程标准（实验）》解读［M］.武汉：湖北教育出版社，2004.

［9］李艺，谢作如.机器人教育何以进入中小学课堂［J］.中国信息技术教育，2015（10）：4-9.

［10］钟柏昌，张禄.我国中小学机器人教育的现状调查与分析［J］.中国电化教育，2015（7）：101-107.

［11］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）：14-21.

［12］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）：42-49.

［13］Maker Education Initiative（2014）.The Maker E-ducation Initiatives mission［DB/OL］.http：//makered.org/ about－us/mission.

［14］Martinez.S&Stager.G.S.How the Maker Movement is Transforming Education［DB/OL］.http：//www.weareteachers. com/hot-topics/special-reports/how-the-maker-movement-is-transforming-education，2014-10-08.

［15］（美）Chris Anderson.创客：新工业革命［M］.北京：中信出版社，2012.

［16］Simpson，E.（1972）.The Classification of educational objectives in the psychomotor domain［M］.Washington，DC：Gryphon House.

［17］雒亮，祝智庭.创客空间2.0：基于O2O架构的设计研究［J］.开放教育研究，2015（4）：35-43.

（编辑：郭桂真）

G40-057

A

1673-8454（2016）12-0019-04