基于核心素养的小学机器人创客课程实践研究*

戴玉梅，王健潼，彭青青，孟 佳，董 焕

（1.沈阳大学 师范学院，辽宁 沈阳 110044；2.沈阳大学附属实验学校，辽宁 沈阳 110045）

近几年，创客运动越来越受到人们的关注，在“互联网+”教育的大背景下，创客运动的影响得到空间和地域的极大扩展，创客教育不断发展起来。创客教育是创客文化与教育的结合，基于学生兴趣，以数字化技术为工具，以融合学情的项目驱动为途径，倡导造物，鼓励分享与创新，培养学科解决问题能力，团队协作能力和创新能力人才，以课程形式落实到中小学的一种素质教育。融合学情就是指学校在实施创客教育时一定根据学生年级、知识储备等开设有针对性的创客教育课程，并且要考虑从低年级到高年级的衔接，实现终身创客教育。

美国作为创客运动的发源地，其创客教育在全球也是最具规模和影响力的。大约在2013年前后，美国的众多中小学开始加入到“创客运动”之中，开展“创客教育”(Maker Education)，由此以后，创客教育应运而生并发展迅猛。创客教育于2013年在中国兴起。通过我国学者对创客的深入研究，我国广大教育工作者及专家开始认识并了解创客教育，特别是随着我国教育信息化的全面推进，创客教育受到了越来越多的关注与青睐。

目前基础教育改革全面推进创客教育，全国各地的中小学都在如火如荼地展开创客教育工作[1-7]。通过对国内外创客教育与创客教育中机器人课程体系研究现状的梳理，国内外均较少将注意力聚焦在教学实践领域以及形成完整基础课程体系方面，因此开展过程中还存在许多问题，其中最主要的问题就是缺少系统有效的创客课程[8-9]。虽然国内有一些教育机构与创客教育公司在开展创客教育，但由于创客教育是新生事物，教育机构与企业对创客教育的研究也刚刚起步，很多创客教学模式与课程体系不够完善。机器人创客课程是创客教育的主要课程之一，由于乐高机器人有许多优势，所以国内外机器人创客教育中乐高机器人使用较多[10-11]，但是，通过对乐高Wedo2.0课程包的研究发现，乐高Wedo2.0机器人只与小学科学课程进行了结合，而忽略了与其他学科的结合，教育机构在上机器人课程时，只针对小班型学生，很难在基础教育学校常规教学班大规模开展起来[12]。针对这一实际情况，本文在调研国内外小学机器人课程研究的基础上，结合本土教育环境，给出小学机器人创客基础课程定位，开展小学机器人创客基础课程实践研究工作。

一、小学机器人创客基础课程课程设计理论基础与学情分析

2016年9月，《中国学生发展核心素养》在北京发布，中国学生发展核心素养，以科学性、时代性和民族性为基本原则，以培养“全面发展的人”为核心，分为文化基础、自主发展、社会参与三个方面，综合表现为人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当、实践创新六大素养，具体细化为国家认同等十八个基本要点。研究学生发展核心素养是落实立德树人根本任务的一项重要举措，也是适应世界教育改革发展趋势、提升我国教育国际竞争力的迫切需要[13]。小学机器人创客基础课程主要围绕《中国学生发展核心素养》中文化基础：“科学精神、自主发展；学会学习、社会参与；实践创新”等三个方面，着重培养学生这三个方面的核心素养，并在课程实践中逐步细化。

随着科学技术的发展，机器人在各个领域的应用越来越广泛。机器人技术涉及多门学科，是世界强国重点发展的高新技术，也是一个国家科技发展水平和国民经济现代化、信息化的重要标志。在2012版《全国中小学信息技术课程标准》中，机器人属于小学信息技术课程的拓展模块[14]。目前，沈阳市小学信息技术教材以培养学生的创新能力和实践能力为重点，内容覆盖了教育部《中小学信息技术课程指导纲要》的必修内容，并根据信息技术教育的发展情况及沈阳市实际情况进行了机器人内容的拓展。学生在学习其他学科的同时，掌握了信息技术基础知识，了解信息技术的发展过程及对社会的影响，初步具有获取、传输、处理和应用信息的能力，具备了信息基本的信息素养，为机器人的学习打下了基础[15]。但是，小学机器人的拓展内容只有小学六年级有1课时的内容有所涉及，这对学生学习机器人来说是远远不够的，而且根据《全国中小学信息技术课程标准》，学生从三年级就已经开始学习信息技术，到五年级为止，已经具备一定的信息素养，且五年级学生探究能力较强，能够快速接受新事物，对新事物有很强的好奇心，能够进行机器人课程学习。

为了更好地贯彻和实现国家提出的《中国学生发展核心素养》目标要求，建构主义理论的指导显得尤为重要。小学机器人创客基础课程设计以建构主义理论为理论指导，以学生为中心，让学生在课堂上对知识进行主动探索、主动发现，利用信息技术等各种手段创造学习情境，帮助学生进行知识构建。

总之，在基础教育领域，机器人课程不仅是信息技术课程的拓展延伸模块，也是创客课程的基础模块。机器人创客教育不仅仅是“机器人”组装技巧的掌握和熟练运用，而且能引领学生掌握扎实的基础知识，促进学生高级思维的发展。因此，本文基于建构主义理论框架，主要围绕如何提高学生科学精神、学会学习、实践创新三个方面核心素养而努力构建小学机器人创客基础课程。

二、小学机器人创客基础课程实践

本文以乐高Wedo2.0课程包为参考[16]，以小学五年级一个班级（30名学生）为实验班，开展小学机器人创客基础课程实践研究。

1.课程性质与任务

小学机器人创客基础课程作为小学信息技术课程的拓展延伸模块与创客课程的基础模块，根据学情，借助信息技术手段把多学科内容融入到机器人教学中，是一门重点培养学生“学会学习、科学精神和实践创新”三方面核心素养的创客基础课程。

本课程循序渐进介绍机器人的相关基础知识及机器人课程中与信息技术、科学、语文等学科相关的知识，通过让学生自主的在探索中学习、思考，寻找问题的解决办法，动手实践，展示创造成果等方式，提升小学生的创新思维和创造能力，弥补传统教育忽视动手实践能力、创新能力和个性发展的缺陷，激发其创造的潜能与兴趣。

2.课程目标

本课程开设32学时的机器人创客基础课程。在学习方面，使学生拓展机器人、信息技术、科学和语文等相关知识，学会初步编程，帮助学生形成学习意识，选择合适的学习方法，提高学生自我评价的能力；在科学精神方面，培养学生严谨科学的求知态度，提高学生逻辑思维能力，培养学生勇于批判探究的科学精神；在实践创新方面，培养学生在日常活动、问题解决、适应挑战等方面的实践创新能力与创新意识。

3.课程结构

本文设计小学机器人创客基础课程整体课程结构如图1所示。

图1 小学机器人创客基础课程结构图

乐高Wedo2.0课程包中有多种实验，其实验内容分为基础实验、引导实验、开放实验三类。以课程包为参考，结合实践的实际情况，在实践过程中对三类实验进行了筛选与整理，在此基础上进行了创新实践，共改编设计了16个实验，共32学时，使其与多学科整合。在基础实验中，本文改编设计3个实验：机器人基础、传感器介绍与直线行驶，旨在帮助学生掌握如何运用和操作Wedo2.0；在引导实验中，本文改编设计8个实验：力的作用、速度、地震与建筑、青蛙的生长变化、动植物传粉与授粉、预防洪水、空投与营救和废品分类回收，旨在提供清晰的操作步骤，帮助学生完成实验并引导学生逐步学会创造；在开放实验中，本文改编设计5个实验：捕食者与猎物、动物与昆虫的表达方式、动物的穿越过道、灾害预警和搬运材料，给予学生更开放的探索和学习体验。实验内容作为信息技术的拓展延伸，与小学科学、语文等学科进行了深度融合。

4.课程内容

（1）基础实验内容

1）机器人基础

①什么是机器人与机器人的分类：学习新知识与新事物之前，首先要了解新事物，机器人种类繁多，了解什么是机器人及其种类，能够为以后更好地学习打下基础。

②Wedo2.0机器人核心套装与编程程序：这部分内容是基础实验的重点，学生首先要熟悉本门课程所使用的教学器材，认识各个积木块与各个程序块并掌握积木块与程序块的使用方法，才能在引导实验和开放实验中更得心应手的进行创造。

③科学漫游器：科学漫游器是基础实验中，学生需要完成的第一个搭建任务，学生在熟悉核心套装后，教师讲解科学漫游器的用途，引导学生完成搭建任务。

2）传感器介绍

传感器介绍主要内容包括：什么是传感器；传感器的分类；传感器的用途与重要性；倾斜传感器与运动传感器。其中运动传感器与倾斜传感器是Wedo2.0核心套件，在本节实验课中教师会指导学生熟悉这两种传感器，掌握这两种传感器的使用方法。

3）直线行驶

直线行驶实验主要内容包括：什么是合作；生活中为什么需要合作；关于合作的名言谚语；把两小组搭建好的机器人进行组合搭建，完成直线行驶任务。本节实验课主要体现了机器人与语文学科的整合，在基础知识中，介绍关于合租的知识与名言，然后引出本节课的任务，帮助学生在搭建机器人过程中，更好进行小组合作，完成实验课任务。

（2）引导实验内容

1）力的作用

本节实验主要探究力在物体移动上的作用，具体实验内容包括：什么是力；生活中有哪些常见的力；什么是拉力；什么是摩擦力；一个放在粗糙面或平滑面的物体，哪种情况下更容易拉动；当无法拉动某一物体时，说明什么；当开始拉动某一物体时，说明什么。通过这些问题帮助学生了解力在物体移动中的作用，了解力在简单机械中的使用：如杠杆、齿轮、滑轮等。

2）速度

本节实验主要探究什么因素可以使汽车开得更快，帮助预测未来的运动，具体实验内容包括：什么是速度；如何计算物体运行的速度与平均速度；影响汽车速度的因素；搭建赛车并编写程序；测试赛车速度；通过改进赛车，记录赛车在规定时间内行驶的距离，观察后说明问题。

3）地震与建筑

本节实验主要探究什么样的建筑可以抵抗地震，具体实验内容包括：造成地震的原因；地震带来的危害；烈度与震级；搭建一个地震模拟器和房屋模型，并为其编写程序；探究不同的建筑，测试其抗震效果；每组同学探究出一种建筑结构，说明其抗震效果；什么样的房屋能够抵御地震；建筑的大小、高度和承受能力之间是否有什么联系；坚硬材料与弹性材料，哪个能更好地抵御地震。

4）青蛙的生长变化

本节实验主要探究青蛙生长变化的过程，发现他们每个生长阶段的体貌特征，具体实验内容包括：关于青蛙的小知识；结合语文课文《小蝌蚪找妈妈》说明青蛙的变化生长过程；什么是生物变态；搭建青不同蛙生长阶段的模型，并为其编写程序，展示青蛙的生长变化过程。

5）动植物传粉与授粉

本节实验主要探究在授粉过程中，传粉者与花之间的关系，具体实验内容包括：花粉的传递过程叫什么；什么是植物授粉；传粉的媒介；传粉者与授粉者的对应关系；搭建传粉模型；尝试改变花朵和传粉者；运用搭建好的模型，描述传粉者与授粉者的对应关系；植物为什么需要授粉；生物是如何帮助植物繁衍的；如何正确搭配花朵和传粉者。

6）预防洪水

本节实验主要探究水闸是如何控制水位的，运用乐高积木设计一个自动水闸，使其可以根据不同的降水情况来控制水位，具体实验内容包括：雨水的形成；降水量如何影响水位；什么是洪水；洪水的危害；洪水的形成；如何减轻洪水灾害；搭建水闸模型，编写程序，使其根据不同降水情况控制水位；洪水防范知识。

7）空投和营救

本节实验主要探究在发生自然灾害时，营救设备是如何发挥作用的，运用乐高积木设计一个营救设备，使其可以降低气象灾害对人类、动物和环境造成的破坏，具体实验内容包括：什么是自然灾害；生活中有哪些常见的自然灾害；自然灾害的危害；如何在灾害地区展开救援；搭建救援设备，编写程序，展现其是如何在灾害中发挥作用的。

8）废品分类回收

本节实验主要探究人类是如何分类回收物品，运用乐高积木设计一个可以分类废品的设备，实现废品分类回收。具体实验内容包括：什么是回收；在生活中，人们是如何进行废品分类回收的；可回收的废品有哪些；设计分类废品的设备，编写程序，使其完成废品分类与回收；废品分类与回收有什么意义。

（3）开放实验内容

开放实验以学生自主创造为主，教师起辅助的作用，教师给出大致方向与学习要点，主要课堂内容由学生掌握。

1）捕食者与猎物

本节实验主要运用乐高模型展现不同捕食者与猎物的行为。学生自主学习内容要点应包括：食物链；捕食者与猎物对应关系；基础模型包括行走，抓取，推动。

2）动物与昆虫的表达方式

本节实验主要运用乐高模型展示动物王国里不同的交流方式。学生自主学习内容要点应包括：动物交流方式；基础模型包括倾斜，摇摆，行走。

3）动物的穿越过道

本节实验主要设计一个帮助濒危物种安全穿过马路或其他危险区域的设备。学生自主学习内容要点应包括：生物与环境的关系；野生动物的穿越过道（举例）；基础模型包括旋转，侧转，左右摇摆。

4）灾害预警

本节实验主要设计一个乐高气象报警器，减少强风暴所带来的影响。学生自主学习内容要点应包括：报警设备及系统；基础模型包括旋转，侧转，运动探测。

5）搬运材料

本节实验主要设计一个可以安全有效地移动物体的设备。学生自主学习内容要点应包括：叉车相关知识；基础模型包括行驶，抓取，运动探测。

5.授课模式

结合沈阳本地与实践校的实际情况，利用一对一教学设备和乐高组件，实践教学改编设计16个实验，参照课程包中的实验阶段，本文设计每个实验采用“ECS三阶段”授课模式：探究阶段（Explore）、创造阶段（Create）、分享阶段(Share)，完成教学任务。

（1）探究阶段

在探究阶段，主要是将学生与学习课题相连接，在课堂开始时让学生保持积极的学习态度并集中注意力，通过与实验相关的生活现象、视频、活动等方式激发学生学习兴趣，使学生明确实验的学习目标与主要内容，养成良好的学习习惯，找到适合自身的学习方法。根据引入环节的内容，提出与实验相关的问题，让学生根据问题进行思考与探究。这一阶段主要是培养学生善于发现和提出问题的能力，有解决问题的兴趣和热情；能依据特定情境和具体条件，选择制订合理的解决方案；具有在复杂环境中行动的能力。

（2）创造阶段

在创造阶段，主要是让学生在基础任务的基础上，进行改变与创新。这一阶段是学生创新能力体现、发挥与培养的重要阶段。这一阶段首先让学生尝试搭建和编程，锻炼学生的动手操作能力和提高效率意识。首先，学生在这一过程中会形成问题意识并独立思考与判断，多角度、辩证地分析问题，做出选择和决定；其次，要不畏困难，有坚持不懈的探索精神；最后，要大胆尝试，积极寻求有效的问题解决方法。当学生遇到问题时，教师要给予积极的帮助与指导。通过这一阶段的训练，学生的科学精神与实践创新能力将得到极大的提高，并逐渐形成工程思维，将创意和方案转化为有形物品或对已有物品进行改进与优化。

（3）分享阶段

在分享阶段，主要是让每名学生有展示自己的机会，实验成果展示形式可以是个人展示也可以是小组间合作展示，课后保存学习文档并根据实验成果进行学习评价。这一阶段主要能够帮助学生形成对自己学习状态进行审视的意识，养成自我评价的习惯，能够根据不同情境和自身实际，选择或调整学习策略和方法等。在这个过程中，还要不断学习其他同学的优点，保持团队意识、互助精神与终身学习的意识，同时保持批判精神，对不合理的地方提出质疑。

三、小学机器人创客基础课程实践教学评价

教育质量评价具有重要的导向作用，是教学过程中非常重要的环节。虽然目前针对小学机器人创客课程还没有成熟的评价体系[17]，但依据《教育部关于推进中小学教育质量综合评价改革的意见》的指导，中小学课程的教学过程的评价采用定量评价与定性评价相结合的方式，将形成性评价与终结性评价相结合，注重考查学生进步的程度和学校的努力程度，改变单纯强调结果不关注发展变化的做法。将内部评价（自评）与外部评价（教师、其他学习小组）相结合，注重促进学校建立质量内控机制，改变过于依赖外部评价而忽视自我诊断、自我改进的做法。在机器人创客基础课程实践过程中，主要采取两种评价方法，即教师对学生观察评估和学生自我评价。

1.教师观察评估

评估主要以Wedo2.0课程包中提供的教师观察评估表为评估工具，评估标准以Wedo2.0课程包中的标准为参考，并参考《中国学生发展核心素养》中科学精神、学会学习、实践创新三个方面的具体内容。评价标准分为4个等级，针对每个教学阶段进行评估。初级1分，中级2分，熟练级3分，高级4分。

（1）初级

学生正处于初级阶段，尝试理解实验知识内容、应用知识内容或连贯思考实验主题；学习态度端正，能够积极主动学习；具有科学精神，勇于探索，乐于实践创新。

（2）中级

学生能够表现出对基础知识的理解，但不能应用知识或内容完全理解概念；学习兴趣浓厚，有良好的学习习惯；具有好奇心和想象力，充满科学精神，能独立思考，善于动手实践。

（3）熟练级

学生对实验内容和概念有具体的理解，能够充分展示所学的实验主题、内容或概念，并且能够讨论和运用实验要求以外的知识。具有积极的学习态度和浓厚的学习兴趣；学习习惯良好，掌握适合自身的学习方法，能自主学习；能大胆尝试，积极寻求有效的问题解决方法。

（4）高级

学生可以将学到的概念和自己的想法提升到一个新的水平，可以将学到的知识应用到其他方面，并且可以将知识综合、应用和拓展到讨论当中去；能自觉、有效地获取、评估、鉴别、使用信息；有对自己的学习状态进行审视的意识和习惯，善于总结经验；能够根据不同情境和自身实际，选择或调整学习策略和方法；崇尚真知；具有逻辑思维；具有工程思维，能将创意和方案转化为有形物品或对已有物品进行改进与优化。

本论文以实验班30名学生为研究对象，将每次实验按照“ECS三阶段”采集分数数据，共采集16次实验数据。实践结束后，对教师观察评估结果进行数据统计，绘制教师观察评估学生课堂阶段表现情况变化折线图，分析学生在探究阶段、创造阶段、分享阶段的表现情况变化趋势，如图2所示。图2中每个数据点都是每次实验相应实验阶段30名学生分数的平均值。

图2 教师观察评估学生课堂阶段表现情况变化折线图

由图2可见，在整个机器人课程教学中探究阶段、分享阶段、创造阶段学生能力的发展趋势。随着课程的不断深入，学生能力在三个阶段都呈现出上升趋势，起止课程内容学生三阶段的平均分值有显著差异。在基础实验（1-3次）中，学生三阶段能力变化趋势稳中有升；在引导实验（4-11次）中，学生三阶段能力变化前期呈现出较大波动，但随着引导实验的深入，学生对机器人越来越熟悉，越来越适应学习内容、教师授课方式与创客空间的环境，各阶段能力得到较大开发，各阶段分数逐步上升并趋于稳定；在开放实验（12-16次）中，学生三阶段平均分均较高，并呈现出稳中有升趋势。

总之，通过教师观察评估数据分析，可以看出通过16次机器人创客基础课程实验的系统学习，学生的学习能力、科学素养和实践创新能力都有显著提升，达到课程目标要求。

2.学生自我评价与反思

（1）学生自我评价

学生自我评价内容对应实验课程的三个阶段，每阶段有统一评价指标，如表1所示，评价标准为1分、2分、3分，即一般、较好和很好。

实践结束后对学生自我评价情况进行分析整理，根据学生自我评价情况来看，小学五年级学生已经有自我评价的能力，但是大部分学生不能对自己进行客观的评价，所以在评价结果分析中以教师评价为主。

表1 学生自我评价指标

（2）学生自我反思

学生自我反思内容主要包括两个问题：①我在实验中有进步的内容；②我以后需要改进的内容。根据学生自我反思情况数据绘制学生自我反思情况柱状图，如图3和图4所示。

图3 学生自评课堂亮点环节柱状图

图4 学生自我反思需要改进内容柱状图

从图3和图4可以看出，学生能够比较客观地认识到自己的优点与不足。

由图3可见，在学生自评课堂亮点环节中，33%的学生认为自己能快速的完成搭建，27%的学生认为自己出色的完成了搭建，17%的学生认为自己很好的进行了编程，这些数据说明学生通过系统实验课程动手能力较强，实验中能在熟悉机器人积木块和编程程序的基础上，掌握搭建和编程方法和技巧。

由图4可见，有43%的学生在认为搭建和找零件的速度慢，从侧面反映出大部分学生认为课堂时间有限，让他们进行自主搭建创新的时间不充足，所以他们认为还需加快速度；有23%的学生认为自己没有积极地回答问题，从这点上可以看出，这部分学生有主动学习、积极参与课堂活动的意识。这些统计数据说明需要教师在课堂上更加关注每个学生，给每个学生自主发展的机会，希望他们在课程实践中不断创新，提高自身的综合素养。

总之，通过学生的自我评价和反思，可以看出学生已经具备自我认识与评价的能力，部分学生能够较深层次的认识自己的不足，但是，学生对自己的认识不全面，在数据分析过程中，发现他们只分析了一到两点优点与不足，所以，就需要把教师评估与学生自我评价结合起来。根据学生自我认识优点与不足，教师应有针对性的对学生进行帮助和指导。

四、结论与展望

在大众创新万众创业的大背景下，本文围绕《中国学生发展核心素养》与《全国中小学信息技术课程标准》把机器人创客课程与学科课程深度融合，初步给出小学机器人创客基础课程课程设计，合理设计“ECS三阶段”授课模式，开展课程教学实践。实践后，通过对教师观察评估数据与学生自我评价反思情况进行分析，发现小学机器人创客基础课程在培养学生学会学习、科学精神与实践创新能力方面发挥重要作用，能够实现课程目标，实践效果较好。本课程具有在基础教育学校开展的普适性，可以为基础教育学校开展机器人创客基础课程提供一定的教学参考资源。

从总体上看，本文从理论层面、课程设计层面与课程实施层面进行了全面的研究，但是，在大力倡导创新教育与“互联网+”的大背景下，还应更加充分的利用互联网资源。所以，今后可以在现有课程设计与实践的基础上大力开发网络课程，充分利用互联网资源，不断完善和发展机器人创客基础课程资源，促进我国机器人创客教育健康发展，为开展创客教育的基础教育学校提供更加丰富的线上线下机器人创客教育参考课程资源。

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