面向创客教育的中小学机器人教学研究*

王小根 张 爽



面向创客教育的中小学机器人教学研究*

王小根 张 爽

（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，得到了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的现状与存在的问题，将创客教育与机器人教育相融合，基于学习流程，构建出集“知识学习过程”、“模仿过程”、“创造过程”、“分享过程”于一体的教学模型，并结合具体案例说明了基于该教学模型的机器人教学活动设计方法，以期为中小学机器人教育和创客教育的教学实践提供参考。

创客教育；机器人教学；教学模型；教学活动设计

引言

近年来创客运动席卷全球，由此催生了新的教育形态——创客教育，成为了社会创新教育的新范式[1]。《2015地平线报告（高教版）》指出，在未来3～5年之内，学生有从知识的消费者转换为创造者的趋势，在未来一年内创客空间将成为学校应用的主流[2]，而创客教育在这个转变中将起到至关重要的作用。创客教育是一种贯穿终身的，面向全人发展的，培养个体DIY、创造能力与分享精神的教育理念和取向[3]。创客教育秉承“开放创新、探究体验”，以“创造中学”为主要学习方式[4]，其核心在于培养各式各类的创新型人才，创客教育的形成与发展为教育的创新发展开启了“一扇窗”[5]。创客教育强调在真实情境中手脑并用，让学生在实践中学习、模仿中探索、研究中创造，逐步达到提升动手实践能力、发展创新精神和创造力的目标。

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、成熟的课程体系和实践，糅合创客思想、改造现有课程成为了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[6]。将创客教育的理念融入中小学机器人教学，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理念下开展机器人教学；同时，能够充分发挥机器人教学的特点与优势，让学生体会到动手、创造、分享的快乐，进而促进学生的全面发展。

本研究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、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，并以具体案例阐述了该模型下课程教学活动的设计流程。

一 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[7]。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“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[8]。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[9]。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转为当前的注重能力培养。随着基础教育新课程改革的不断实施，机器人教育的价值已逐步获得认可，当前社会各界广泛关注的创客空间和创客教育中有部分内容就是围绕机器人的设计与制作展开的[10]。

然而在我国基础教育中，机器人教学部分没有明确地进入国家课程序列，而是采用三级课程体系设计，即国家课程、地方课程和校本课程[11]。多数学校都以校本课程和兴趣小组的形式开展机器人教育，由于缺乏课程标准和相关专家的指导，各学校机器人课程的教学目标、内容、方法等不尽相同。当前的机器人教学目标侧重模仿实验、重基础轻应用，教学内容注重学科本位、重技术轻整合[12]，而教学方法则惯用信息技术课程中常用的任务驱动法、讲练结合法、讲授演示法等[13]。虽然机器人的教学内容被纳入信息技术课程中的选修模块，但机器人课程与信息技术课程相比有其鲜明的特点。《中小学智能机器人课程指导意见》指出，中小学智能机器人课程的主要任务是培养学生对智能机器人的兴趣，让学生了解和掌握以智能机器人为载体的通用技术与信息技术的基本知识和技能，了解技术的发展及其应用对人类生活和科学的深刻影响，通过智能机器人课程培养学生良好的信息素养、创新精神和实践能力[14]。由此可见，机器人教育比信息技术课程更注重对学生创造力和创新能力的培养。而目前机器人教学中普遍采用的任务驱动、讲授演示与讲练结合法的教学活动，却更着重于机器人基础知识、原理、编程与组装、搭建、调试等学科本位内容的教学，并不能给学生提供充分的创造机会和创造空间，很难促进学生创新能力的形成与发展。机器人教学不能简单地模仿信息技术课程，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。在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[15]。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。

二 面向创客教育的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，本研究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（如图1所示）。该模型强调“做中学”和基于项目的学习，注重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；在创造过程中发挥想象、选定项目，通过合作探究实现创意；在分享过程中交流互动，汲取多方建议，进行评价反思。

1 知识学习阶段：强调教师讲授和学生练习并重

知识学习阶段是面向创客教育的机器人教学的基础阶段，一定的知识储备是学生能够产生创意并进行创造的重要保证。在此阶段，学生需要完成对机器人基本知识和技能的学习。首先，教师需要创设与学生经验相关的教学情境来激起学生兴趣。其次，学生进入教学情境后，聆听教师对新知识的讲解，仔细观察教师的操作，并在教师的引导下进行思考、讨论。学生可按照自己的学习习惯来进行操作练习，遇到困难时可向同学或教师寻求帮助，以使自己能全部掌握教师传授的新内容。最后，学生对所学内容进行总结，深化记忆。面向创客教育的机器人课程的学习过程是学生主动对知识进行建构的过程，学生需要对教师提供的外部信息进行加工、处理并选择。这个学习过程不是被动接受而是自我生成的过程，他人无法取代。

图1 面向创客教育的中小学机器人教学模型

2 模仿阶段：注重学生协作学习和师生互动

模仿阶段在机器人教学活动中起承前启后的重要作用。在此阶段，教师需向学生呈现模仿型项目资料，具体包括项目介绍、项目功能、实现路径及机器人搭建、器件连接、程序设计讲解等。在教师对模仿项目要点、注意事项进行简单讲解后，学生便可进行协作学习，即研读模仿型项目资料，在明确任务后分工合作，共同进行模仿型项目的实践。在此过程中，学生是主体，自主解决项目中遇到的问题，自行决定项目如何进行，自行掌控项目的进程。在该阶段，学生能够在协作学习中加强团队合作的意识；在自主尝试中完成知识的深层次建构，将知识技能进行主动内化；在模仿过程中获得创造灵感，激发创造潜能，为创造型项目的实施做好铺垫。

3 创造阶段：以学生动手实践与合作探究为中心

创造阶段是学生实现创意的核心阶段。在该阶段，教师是整个学习阶段的引导者，并不直接为学生指定各个小组的创造型项目，而是给出主题，将项目的设计权与选择权交给学生，教师只起指导监督的作用；同时，教师在该阶段要对学生在创造过程中的表现进行记录并进行形成性评价。学生是创造阶段的主导者，从创造型项目的选定到最后创造型项目的实施与完善，都由学生自己完成；学生在整个过程中自己动手实践，通过利用信息技术等手段来解决项目实施过程中所遇到的困难，承担着项目的设计者、实施者、管理者、优化者等多重角色，并在这个过程中发展创新思维，提升动手能力和解决问题的能力。

4 分享阶段：注重分享交流和生生互动

分享阶段参与的人员不局限于师生，还可以邀请校领导、家长、其他学科教师、外校师生和来自社会的创客等。在该阶段，教师是组织者，一方面组织分享活动，引导学生间及学生与其他来宾间的互动，组织学生与他人进行思维碰撞，激发创造热情；另一方面，对学生的创造型项目进行评价，并提供项目优化建议。学生可采用PPT演示或现场演讲的方式对项目进行展示说明，在展示过程中，学生可升华对作品的理解，增强创造的信心；同时在在交流过程中汲取多方建议，体会分享的快乐。此外，学生还需进行组间互评和组内互评，以对学生起到隐形的督促作用，促使学生积极参与项目、融入项目，逐渐进入好学、乐学的境界。

三 面向创客教育的中小学机器人教学活动设计案例

基于面向创客教育的中小学机器人教学模型，本研究针对N初中“创意机器人”课程中“手势感应LED灯”一课进行教学活动设计，阐述该模型下课程教学活动的设计流程。

1教学内容和目标分析

“手势感应LED灯”是N初中机器人校本课程“走进虚拟现实的世界”一章的第一课。本节课的教学内容融合了虚拟现实技术，引入了LeapMotion传感器，具体教学内容包括LeapMotion的工作原理以及在计算中结合APP的控制方法、LeapMotion在Scratch编程中的使用方法、利用LeapMotion实现手势感应控制LED灯条。

该课程的学习目的是，在知识学习阶段，激发学生兴趣，了解LeapMotion的工作原理以及如何在APP中进行控制；在模仿阶段，通过模仿型项目学习，掌握LeapMotion在Scratch中的编程方法及实现手势感应控制LED灯条效果；在创造阶段，形成创意，通过小组合作探索，用LeapMotion控制LED灯条实现其它效果，培养创造力和动手能力；在分享阶段，通过交流互动，巩固学生对LeapMotion工作原理以及相关程序编写的认知，并培养学生的分享精神。

2教学活动设计

（1）知识学习阶段

首先，通过用手从桌面划过、LED灯亮起来的魔术引入课程，激起学生的学习兴趣。然后，引导学生讨论魔术效果，引出LeapMotion体感传感器，利用LeapMotion的微视频与内部结构分析对其工作原理进行讲解，并演示如何用APP控制LeapMotion。最后，给学生留出时间进行体验操作，教师对学生的操作过程进行指导。该阶段可使学生在动手实践、直观体验的过程中掌握基本概念和操作方法，为模仿型项目的学习做好基础知识的铺垫。

（2）模仿阶段

教师给每个小组发放“手势控制LED灯”模仿型项目资料（如表1所示），然后学生根据这些资料进行协作学习。学生在自主探究过程中提出遇到的问题，教师根据学生所提的问题对重点、难点进行讲解。学生在反复的模仿尝试中加深对LeapMotion工作原理中笛卡尔右手坐标系的理解，掌握程序编写要点，完成模仿型项目的学习。在模仿过程中，学生逐渐形成创意，为后续的创造阶段打下基础。

（3）创造阶段

在创造阶段，教师启发学生创意，引导学生思考：还能通过LeapMotion实现哪些控制LED灯的效果？学生形成自己的想法，然后小组合作探索，发现通过不同方式实现不同效果所需解决的问题，共同讨论解决问题的方案，接下来进行分工协作、动手实践，实现手势控制LED灯的其它方式。在此过程中，教师观察学生的创造过程，对各小组学生在该阶段的表现进行形成性评价——教师在该阶段不对学生的创意做过多干扰，当学生没有想法时进行适当启发，尽量帮助每个小组形成独特的想法并引导其实现效果。该阶段能给学生充分的空间发挥创意、自主探究，使学生的创造力和动手能力得到充分的发挥和培养。

表1 模仿型项目资料——“手势控制LED灯”

（4）分享阶段

各小组学生展示创意作品，说明实现过程、遇到的困难和解决办法。小组间可互相提问，获得作品优化的建议，加深对所学的理解。教师对各组作品进行点评总结，帮助学生梳理要点，并进行作品总结性评价。分享结束后，组内成员根据每个人在各学习阶段的表现进行组内互评，各小组根据作品展示情况对其他小组作品进行评价。最后，教师参照多元教学评价形式的反馈结果，分析教学过程中的收获和问题，以此作为改进未来教学实践的依据。该阶段增加了学生间的交互，让学生乐于分享观点，并增加了创造的信心。

四 结语

面向创客教育的机器人教学模式，不仅消融了机器人知识学习与机器人项目创新的界限，而且带来了开放、多元的教学活动方式。融合创客教育理念的机器人教育关注机器人知识的学习和操作技能的掌握，同时注重学生的实践、创新和分享，体现了全人发展的理念。资源的开源性与技术门槛的降低，使越来越多的教育工作者开始了创客教育教学实践的探索之旅。面向创客教育的机器人教学模式及其教学活动设计，或许可以为中小学开展创客教育提供一定参考。

参考文献

[1]杨刚.创客教育双螺旋模型构建[J].现代远程教育研究,2016,(1):62-68.

[2]Wikipedia. Hakerspace[OL].

[3]王佑镁,王晓静,包雪.创客教育连续统:激活众创时代的创新基因[J].现代远程教育研究,2015,(5):38-46.

[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]杨现民.建设创客课程:“创课”的内涵、特征及设计框架[J].远程教育杂志,2016,(3):3-14.

[6]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.

[7]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.

[8]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):107-110、126.

[9]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,2004:273.

[10][13]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][12]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.

[14]中小学信息技术教育专业委员会机器人学组.中小学智能机器人课程指导意见(试行)[OL].

[15]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.

The Research on Primary and Secondary School’s Robot Teaching Geared for Maker Education

WANG Xiao-gen ZHANG Shuang

As a new instructional model focusing on cultivating innovative talents, maker education has received increasing attentions of educators. Robot education takes the responsibility of fostering the innovative practice ability of primary and secondary students, and serves as the curriculum foundation of maker education practice. This article analyzed the present situations existing in robot teaching, integrated the maker education with robot education, and constructed an instructional model that integrated the processes of “knowledge learning” “imitating” “creating” “sharing” was constructed.Besides, the paper elaborated the instructional activity design of the robot teaching by combining concrete cases, expecting to provide a reference for teaching practice of robot education and maker education.

maker education; robot education; instructional model; instructional activity design

G40-057

A

1009—8097（2016）08—0116—06

10.3969/j.issn.1009-8097.2016.08.017

本文为国家社会科学基金项目“吴地文化遗产网络知识服务研究”(项目编号:14BTQ040)的阶段性研究成果。

王小根，教授，博士，研究方向为信息化教育，邮箱为982696061@qq.com。

2015年11月30日

编辑：小西