创客理念下师范院校的机器人教学模式探究*

刘淑云 马 燕 范文翔



创客理念下师范院校的机器人教学模式探究*

刘淑云1马 燕2范文翔1

（1．重庆师范大学计算机与信息科学学院，重庆 401331；2．重庆师范大学研究生院，重庆 401331）

智能技术的发展及创新型人才的培养需求推动机器人教育在师范院校的广泛开展，创客理念作为一种新型创新人才的培养理念，为师范院校的机器人教育提供了新思路。文章首先分析了创客理念的内涵与师范院校机器人教育的现状；其次在深入分析“创造即学习”的创客理念与师范院校机器人教育相结合的优势基础上，建构了基于创客理念的师范院校机器人教学模式；最后以建构的教学模式为指导，在重庆师范大学教育技术学研究生的“人工智能”课程中开展创客理念支持的机器人教育实践，取得了较好的成效。

创客；师范院校；机器人教育；教学模式

近年来，以移动互联网、云计算、物联网、大数据等为代表的新一代信息技术，正在推动社会各领域的深刻变革，关于机器人的研究与应用水平也取得了重大突破。随着智能机器人技术的发展，机器人教育必将给信息技术教育带来新的活力，并全面推动信息技术教育的发展。师范院校作为高水平师资力量的“孵化厂”，担负着为社会输送综合性人才的重要任务，为了适应社会的发展需求，加强师范院校的机器人教育势在必行。近期以“互联网+DIY”形式出现的创客运动正在席卷全球，《2014上海基础教育信息化进程蓝皮书》也明确指出：“5年后，将进入‘创客’式学习的新时代”。因此，将创客理念引入师范院校的机器人教育，必将成为高校实践教育创新的一个新的突破口。

一 创客理念与师范院校机器人教育的结合

1 创客理念的内涵

创客一词源于英文单词Maker或Hacker，指乐于动手实践和分享，努力把各种创意转变为现实的人[1]。创客运动（Maker Movement）则是利用身边各种材料、计算机相关设备（如3D打印机）、程序及其它技术性资源（如互联网上的开源软件），通过自己动手或与他人合作创造出独创性产品的一种行动[2]。

创客运动的普及引发了国内外教育者对创客教育的思考。自2013年以来，美国众多中小学开始实施“创客教育”（Maker Education）[3]。国内学者也从教育模式[4]和教育理念[5]两个方面对创客教育开展了相关研究。而所谓创客教育，是创客运动与传统教育相互碰撞所产生的一种融合信息技术、秉承“开放创新、探究体验”教育理念、以“创造中学”为主要学习方式、以培养各类创新型人才为目的的新型教育模式[4]；是一种以信息技术融合为前提，以体验教育、项目学习法、创新教育、DIY思想为理论基础，以学生为中心，并与实践相结合的新兴的教育理念[5]。

2 师范院校机器人教育现状

机器人教育通常是指学习机器人的基本知识与基本技能，或利用教学机器人优化教育教学效果的理论与实践[6]。在高等教育中，以智能机器人技术为载体的教学实践与创新能力培养活动已经得到了广泛认可，越来越多的师范类院校开始机器人通识教育及校本课程的建设。然而，由于院校、学科的特殊性以及机器人课程知识体系的跨学科性，师范类院校的机器人教育并无定式。近年来，机器人竞赛对师范院校机器人教育的发展起了一定的推动作用。据不完全统计，截至2016年4月底，国内有63.6%的师范类院校以各种形式开展了机器人教育活动，具体开展情况如图1所示。其中，机器人课程性质认定如图2所示。

图1 师范院校机器人教育开展情况

图2 机器人课程性质认定

结合图1、图2，本研究认为当前师范院校的机器人教育主要存在以下问题：

（1）过分注重竞赛本身，忽视学生能力培养

我国师范院校的机器人教育从机器人竞赛发展而来，并通过机器人竞赛带动机器人学科建设。近年来，机器人竞赛虽然发展迅速，但由于企业的介入，机器人竞赛的教育本质并没有得到较好的体现。许多机器人竞赛门槛较高，学生参与度低；即使是参与比赛的学生，由于受时间的限制且工作强度大，无法进行深层次内容的学习，故很难在短时间内领悟到机器人教育的真正意义与乐趣。此外，竞赛用的机器人产品集成度较高、可开发性较差，不利于学生实践能力和创新思维能力的培养。

（2）课程设置以专业教育为主，机器人通识教育尚未普及

当前，我国师范院校的机器人教育在北京师范大学、华南师范大学和陕西师范大学等发展较快，但大多数院校的机器人教育主要以科研和专业教育为主，课程主要针对机械、电子、计算机等相关专业的学生进行开展，注重培养技术型人才。只有北京师范大学、陕西师范大学等少数院校开设了“简易机器人制作”、“通识教育课程——智能科学”等综合性的科技教育课程，可见机器人通识教育尚未普及。

3 创客理念与师范院校机器人教育结合的优势

基于创客理念的机器人教育通过理论学习、实践操作、协同探究等多种学习方式，让学生在创造中学习，培养学生的创新能力。创客理念的提出为高等教育新课程改革提供了新的思路，而机器人教育则为新课程改革提供了实践平台。从国家人才战略来讲，融入创客理念的机器人教育将推动我国人才培养由“单一向多元，由标准向个性”的加速转型，并有助于培养大批科技创新人才，从而为建设创新型国家提供人才支撑。

二 创客理念下师范院校机器人教学模式的建构

相关学习理论的研究表明，人类学习历经了“学习即个体获得”的获得隐喻和“学习即情境参与”的参与隐喻，正在走向“学习即知识创造”的新型隐喻[7]。创客理念是在该隐喻指导下衍生的一种新型的教育理念，其核心要素是“基于创造的学习”。与传统教学相比，它强调“知识的创造而非知识本身”。因此，创客理念下的学习不仅仅是知识的消费和传承，更是知识的生产和创造；相应地，创客理念下的学生也不仅仅是知识的消费者和被动接收者，而是在原有认知的基础上，通过自身的努力与学习，成为知识的创造者和建设者。基于此，本研究以创客理念为指导，以“知识的创造”为主线，针对当前师范院校机器人教育存在的“重竞赛轻教学”、机器人通识教育尚未普及等问题，构建了创客理念下师范院校的机器人教学模式，如图3所示。

图3 创客理念下师范院校的机器人教学模式

该模式以“创造即学习”的创客理念为理论基础，具体分为五个部分：①教学目标，主要是通过机器人通识教育，促进学生知识与技能、过程与方法、情感态度价值观等目标的实现。②操作程序，包括课前准备和课堂活动两个部分——课前准备主要完成学习者分析、教学资源整合与实践平台的搭建，以保证教学的顺利进行；课堂活动采取教师授课、开展讲座和Seminar等方式完成理论教学，通过任务驱动完成机器人实践课程教学。③实现手段，包括在线学习和线下学习、自主学习和小组协作学习、班级同步学习和个人异步学习、被动接受学习和主动探究学习等；④反馈与评价，其中课程的评价包括形成性评价和过程性评价，评价方式则包括自评、互评和师评；⑤成果转化，主要是将学生创造出的知识融入已有的机器人学习资源中，以优秀的成果反哺教学，促进机器人教育向更高层次的水平发展。

三 创客理念支持的师范院校机器人教育实践

本研究依托于重庆师范大学，将创客理念下师范院校的机器人教学模式运用到教学中，开展了机器人教育实践活动，具体情况如下：

1 教学目标

2 操作程序

（1）学习者分析

随着智能机器人技术和中小学机器人教育的发展，机器人教育整合技术的学科教学知识已经成为评价信息技术教师的一个重要指标。重庆师范大学的机器人教学实践对象是本校计算机与信息科学学院的17名2014级教育技术学硕士研究生，目标是将他们培养成为中小学校的优秀信息技术教师。而作为硕士研究生，他们已经具有了较强的教育教学理论和信息技术能力，因此在机器人教学实践中，应让他们重点学习机器人相关的基础知识、注重培养他们的实践操作能力和设计能力，使他们能够独立完成中小学机器人教育的课堂教学和实践教学，并有能力辅导中小学生参加机器人相关竞赛。由于重庆师范大学已经针对本校教育技术学硕士研究生开设了“人工智能”课程，因此本研究选择开设“简易机器人制作”作为实践课程。

（2）教学资源整合

如前文所述，创客理念下师范院校机器人教学模式以“知识的创造”为主线，而这种创造需具备一定的软硬件条件。Arduino作为当前比较流行的开源平台，在机器人DIY方面具有无可比拟的优势——它具有简易的编程环境，软硬件开源并可扩展，而且开发价格便宜，教学成本相对较低。因此，本研究采用Arduino作为机器人的主控制器来开展本次机器人教育实践。

“简易机器人制作”实践课程的参考教材是人民邮电出版社于2011年出版的《爱上Arduino（第2版）》和清华大学出版社于2015年出版的《Arduino项目DIY》，机器人创新实验室购入的20套Arduino元器件及相关配件则作为该课程的实体教学仪器。由于网上拥有大量的Arduino课程资源和具有创造力的社区，故实验室指导教师团队整合网上的Arduino实践视频教程，形成了一套完整的网络教学资源辅助学生完成实践操作。

（3）搭建创客环境

重庆师范大学机器人创新实验室创建于2014年，拥有各种类型的机器人开发平台，包括模块化机器人创新设计平台、模块化工程能力训练平台、轮滑式移动机器人开发平台、网络机器人对抗赛组件包等。该实验室在管理、设施配备和布局等方面充分融入了“自由、开放、以学生为主”的创客理念——管理方面，采用指纹识别技术，方便实验室学员进出；设施配备方面，配有空调、微型计算机等基础设施，为学生营造一个舒适的学习环境；布局方面，突出“学生为中心”的设计理念，尽量加大学生实践操作的空间。该实验室的整体布局如图4所示。

所谓“宏伟风格”，是指意大利文艺复兴以来的古典主义风格，以宏大的历史题材为正，以复杂统一的构图为高，以和谐典雅的色调为妙。而这一切最好的诠释者就是拉斐尔，以及其后16至17世纪博洛尼亚学院的那些画家，如卡拉奇兄弟、圭多·雷尼等。

图4 机器人创新实验室整体布局

（4）理论教学

理论教学主要通过教师授课、开展讲座和Seminar等方式完成，旨在让学生了解如何利用计算机模拟感知、推理、学习、思考和规划等人类智能活动，揭开人工智能的神秘面纱，激发学生对人工智能的兴趣。前文提及的“人工智能”课程的教学内容和组织形式如表1所示。

表1 “人工智能”的教学内容和组织形式

（5）实践教学

实践教学主要通过任务驱动和机器人竞赛来实现，其任务主要来源于《Arduino项目DIY》一书。设置任务的目的，是通过完成每个小项目，让学生掌握Arduino的基本知识，能够熟练运用Arduino中各种元器件并进行简单的程序编写；通过Arduino学习，让学生对机器人的控制理论有更深入的认识，在各种不同类型的机器人控制器间具有较强的知识迁移能力。

机器人竞赛对重庆师范大学机器人教育起了一定的推动作用。据统计，重庆师范大学机器人创新实验室先后组织学生参加了RoboCup机器人大赛、重庆市移动机器人大赛和大学生电子设计大赛等。如在重庆市移动机器人大赛中，由于两轮移动机器人采用的是STM32系列芯片，而学生在之前并未接触过该系列芯片，为了使学生能够顺利地参加竞赛，指导教师团队一方面辅导学生学习STM32基本理论知识，另一方面组织学生去其它院校交流学习。总之，从项目选择、方案设计、小组分工到器材组装、软件编程、运行调试，指导教师团队都全程参与指导，并定期组织学生针对当前比赛中的问题进行讨论、解析。最终，经过师生的共同努力，竞赛取得了不错的成绩。赛后，指导教师还组织学生进行交流总结，同时借鉴其它高校的经验，对竞赛设备做进一步完善并形成研究成果。

3 实现手段

由于教育技术学硕士研究生在知识建构方面存在个性化差异，因此他们的学习方式也多种多样，主要有在线学习和线下学习、自主学习和小组协作学习、班级同步学习和个人异步学习、被动接受学习和主动探究学习等。重庆师范大学的学习资源也具有多样性，既有进行理论指导的课程教材，也有完成技能训练的实体仪器，还有海量的网络课程资源等。此外，机器人创新实验室为学生打造了学习和实训的现实学习环境，并为学生提供了Coursera、Udacity和edX等网络学习平台。

4 反馈与评价

重庆师范大学开设的“人工智能”课程主要通过课程论文、课堂讨论两种方式来考核。其中，课程论文主要以“人工智能与教育”为主题，通过不同角度考虑问题并完成创作；课堂讨论则主要以Seminar教学中学生的参与度为标准对学生进行考核。

本研究选择开设的“简易机器人制作”课程主要是让学生动手操作，并于课程结束后提交作品；之后，要求学生欣赏、交流所有作品，进行自评和他评；最后，由老师进行评价，对学生作品提出建议并督促学生改进。

5 成果转化

成果转化分为科研成果转化、教学成果转化和产业孵化等三个方面。重庆师范大学机器人创新实验室遵循“以项目驱动、产学研结合”的人才培养思路，积极主动地承担科研课题和科研项目，让学生直接参与科研活动，形成了“学科—专业”一体化。该实验室的成果转化如图5所示，具体包括：科研成果转化方面，已发表学术论文3篇，已主持省部级科研项目1项、校级科研项目2项，已拥有软件著作权5项；教学成果转化方面，进行了微课资源建设——目前已录制“人工智能”的部分课程，并针对Arduino实践教学中各种项目的解决方案录制了部分微课视频。

此外，重庆师范大学以机器人创新实验室为基础，还进行了中小学机器人教育的产业孵化。目前，该实验室已经建立了小型的创客空间，同时正在加紧建设网络教育平台。考虑到教育技术学硕士研究生具有较强的教学资源设计与开发能力，故针对中小学机器人教育的课程资源以机器人实践教学中录制的微课视频为原型，同时适当加入一些有趣的元素，使视频的趣味性更强，以激发中小学生的学习兴趣。2015年，教育技术学硕士研究生组织了“Robot夏令营”活动，邀请重庆市某小学的部分学生，在机器人创新实验室开展了公益性的暑期机器人课程培训，得到了学生和家长的一致好评。

图5 机器人创新实验室的成果转化

四 结语

当前我国师范院校机器人教育的整体水平较低，为了更好地适应社会的发展，也为了能向社会输送更多综合素质较高的人才，师范院校要意识到机器人教育的重要性，并针对当前机器人教育中存在的问题加以不断改进。将创客运动与机器人教育相结合，必将引发师范院校机器人教育新的变革。本研究初步建构了创客理念下师范院校的机器人教学模式，但在具体的实施过程中难免会遇到各种新的问题，因此还有待开展更多的理论研究与实践探究来加以优化解决。

参考文献：

[1]付志勇.面向创客教育的众创空间与生态建构[J].现代教育技术,2015,(5):18-26.

[2]Cory J. What does maker movement mean[OL].

[3]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.

[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]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.

[6]杨建磊.机器人教育——开启创新人才培养新模式[J].江苏科技信息,2013,(8):66-67.

[7]Hakkarainen K, Paavola S. From monological and dialogical to trialogical approaches to learning[OL].

编辑：小米

Research on the Construction of Robotics Teaching Mode in Normal Colleges under Maker Concept

LIU Shu-yun1MA Yan2FAN Wen-xiang1

With the development of intelligent technology and demand of innovative talents, robotics education has been extensively developed in the normal colleges. As a new conception of cultivating innovative telents, maker concept offered new thought for the robotics education in normal colleges. Firstly, this paper analyzed the connotation of maker concept and the present situation of the robotics education in normal colleges. Secondly, on the basis of the advantage of combining maker concept of “creating was learning” and robotics education in normal colleges, the robot teaching model based on maker concept was constructed. Finally, taking the constructed model as guidance, the practice of robotics education supported by maker concept was carried out in the graduate course of “artificial intelligence” in education technology at Chongqing normal university and some better effects were achieved.

maker; normal colleges; robot education; teaching model

G40-057

A

1009—8097（2016）07—0120—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2016.07.018

本文受重庆市研究生教育教学改革研究项目（重大项目）“重庆市研究生创新创业实践教育研究”（项目编号：Yjg151007）、重庆市研究生科研创新项目“基于创客理念的中小学机器人教育微学习系统开发”(项目编号：CYS16145)资助。

刘淑云，在读硕士，研究方向为人工智能与机器人教育，邮箱为1085159719@qq.com。

2015年11月29日