中小学机器人课程体系设计与研究

张巍娜

摘要：在中小学设置机器人教育相关课程，对培养学生的创造、创新能力，解决问题的能力，纠错、修正能力，动手实践能力，团队协作能力及培养逻辑思维具有积极的意义.我国中小学机器人课程建设尚处于探索阶段，赤峰学院计算机与信息工程学院组建了教学团队，致力于设计开发出一套适合本地区的中小学机器人课程体系，以积极推动赤峰地区中小学机器人教育的发展.

关键词：机器人教育;中小学;课程体系

中图分类号：G622.3;G632.3  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）05-0001-03

1 引言

《中国制造2025》是我国实施制造强国战略的第一个十年行动纲领.其中明确指出，当前我国正处于新一轮科技革命和产业变革与我国加快转变经济发展方式形成历史性交汇的时期，国际产业分工格局正在重塑.因此必须紧紧抓住这一重大历史机遇，按照“四个全面”战略布局要求，实施制造强国战略，加强统筹规划和前瞻部署，逐步把我国建设成为引领世界制造业发展的制造强国，为实现中华民族伟大复兴的中国梦打下坚实基础[1].纲领确立了坚持把人才作为建设制造强国的根本指导思想，明确了包括“机器人”在内的十大重点领域.同时国家出台了“机器人工业十三五规划”等一系列相关政策，在2017年7月，国务院印发的“新一代人工智能发展规划”中，则更明确地提出了“广泛开展人工智能科普活动，支持开展形式多样的人工智能科普活动，鼓励广大科技工作者投身人工智能的科普与推广，全面提高全社会对人工智能的整体认知和应用水平.实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育，鼓励社会力量参与寓教于乐的编程教学软件、游戏的开发和推广”[2].

中小学机器人教育，不但能够为高等教育机器人等相关专业储备优质人才，更重要的是能够激发学生学习科学的兴趣，提高科学素质，锻炼逻辑思维，拓展学生解决问题的思路、方法，提高学生创新能力、纠错修正的能力及团队协作能力，对学生综合素质的提高大有裨益.

2 国内外机器人教育研究现状

目前各个国家都在机器人教育领域做了很多探索.王凯等在《日本机器人教育的发展现状和趋势以重视科技创新的日本为例》一文中指出，早在1998年文部科学省将编程列为中学必修内容，随后各类机器人教育项目迅速增加，日本的企业也积极为中小学提供设备，以支持中小学编程教育的开展[3].2017年纽约市多所小学、初中和高中开设计算机科学相关课程，学生在课堂上借助块码、机器人等，学习计算机科学的基本概念[6].

在我国，北京、上海等一线城市及其他经济、文化发达地区也已经有很多中小学陆续开展了机器人等相关课程.比如早在1979年就开设计算机课程的北京景山学校，自2000年起开设了“智能机器人教育”，2011年又引入了Scratch课程.

国内相关的研究表明截至目前，以中国知网所收录的文献为来源，以“中小学机器人教育”为关键词，检索到相关文献267篇.对检索结果进行分析获得如下数据：

首先从文章数量来看，2014年以前每年相关文章数不足20篇，自2014年起相关研究明显增多，尤其从2017年至今增长幅度翻倍.

其次从主题上看，除检索关键字之外，作者们的关注点主要集中在“人工智能”“机器人技术”“智能机器人”“创客教育”“教育机器人”“信息技术课程”“校本课程”等内容上.

目前机器人教育在我国还处于探索发展阶段，中小学机器人课程还没有全国性的统一标准，但是已经有越来越多的人意识到了中小学机器人教育的重要性并做出了很多积极的探索.

3 赤峰市机器人教育存在的问题

赤峰市是教育大市，从政府到市民普遍重视教育.2018年9月赤峰市科学技术学会和赤峰市教育局联合下发了“关于举办赤峰市首届青少年机器人竞赛的通知”文件.该活动对推动机器人科学技术的普及，鼓励更多的青少年机器人爱好者在电子、信息、自动控制等高新科技领域进行学习、探索、研究和实践，激发学生学习科学的兴趣，提高科学素质，推动青少年机器人普及教育起到非常积极的作用.但是在良好的形势下还是存在一些制约机器人教育发展的问题，具体如下：

3.1 机器人课程普及面过窄

我市目前已有多所中小学将机器人教学纳入了学校教育的行列，但主要是以社团活动的形式为主，能够参与的学生人数非常有限，受惠面窄.以赤峰市实验小学二年级为例，二年级共有8个班级，每班平均50人，各班能够参加机器人社团人数仅为1～2人.普及面过于狭窄，使得很多具有学习兴趣、具备良好科学思维的学生得不到及时的发掘.

3.2 教育资源、师资力量缺乏

机器人课程不能大面积普及的重要原因之一是中小学校里缺乏专业教师，从事机器人教育的老师人数非常少，绝大多数学校没有专门教师，基本都由信息技术老师甚至是其他专业教师兼任，以赤峰二中国际实验学校为例，机器人兴趣小组的指导教师是由物理老师兼任.师资力量的匮乏也使得机器人教育的教育资源非常稀缺.

3.3 市场需求旺盛，培训机构质量良莠不齐

教育是家庭的头等大事，在当今社会大背景下，很多家长迫切希望让子女能得到逻辑思维、创新能力、动手能力的锻炼，很多家长把目光投向了机器人相关方面的课程.机器人教育市场需求非常旺盛，我市也早有多所培训机构面向青少年开设机器人课程，但这些机构鱼龙混杂，教学质量良莠不齐，特别是在师资力量上，普遍存在待遇低、流动性大、专业性差的问题.临时招募的社会人员经过短期培训就立即上岗，既缺乏机器人方面的专业知识、专业素养、理论功底，也没有良好教育经验.目前我市整体业务水平最高、最专业的师资力量主要集中在公立学校，而学校机器人教育由于师资力量有限，教学资源匮乏，使得惠及面过于狭窄，每个班级能参加机器人相关学习的学生屈指可数.因此，很多家长不得不把目光放在了这些先天不足的培训机构上.而不专业的教学，甚至是不科学的教学内容不但不能使学生相关能力、素质得到提升，甚至会給学生带来误导.

4 研究内容及课程目标定位

我国目前尚没有形成一套全国通用的中小学机器人课程教学体系，各地都在积极探索、建立适合本地区的机器人课程体系.针对我市机器人教育现存问题的现状，本团队意在设计开发一套比较科学、规范、适合我市中小学的专业需求，并且经过教学实践验证的，适于大面积推广的青少年机器人课程体系.此项成果第一能够大大减轻中小学教师的备课负担，第二可以使得更多的青少年能够在学校就得到专业的、统一标准的、高水平的机器人启蒙教育，第三必将为我市机器人教育的普及和发展起到重要的推动作用.赤峰学院计算机与信息工程学院在机器人教育领域，具有非常丰富的教育资源，拥有教育经验丰富、研发力量雄厚的教学团队.课题团队成员一直从事一线计算机课程教学工作，具有很强的科研、教学和团体攻关能力.团队计划利用一年的时间，通过大量的理论研究、需求分析，及课程实践、反馈、修订，设计开发出一套符合中小学生认知规律的包含大纲、计划、教学目标、教案、教学资源包等内容的，适合在本地进行普及的中小学机器人课程体系.

本项目的实施既能满足我市中小学开展机器人普及教育的需要，又能减轻中小学机器人课程教师的负担，还能使更多的学生能够从机器人课程教学中受益.用于项目研究购置的仪器设备可以作为我校机器人学生团队进行基础训练的素材，今后可以依托本套课程体系对我市中小学相关课程任课教师进行培训，使得我市机器人基础教育教学水平得到全面的提升，达到甚至赶超经济发达地区的教育水平，使更多的中小学生从中受益.

5 课程体系及内容规划

在课程体系上，将机器人课程分为初级、中级、高级、竞赛专项四个层次阶段，具体如下表所示.

在课程内容上主要包括积木拼搭、机械拼搭，程序设计三大模块，三个模块互有交叉.其关系如图3所示.

其中积木拼搭需要充分利用各种零部件的形状、构造，以形体搭建、拼装、模拟为主;机械拼搭要充分利用梁、齿轮、轴、蜗杆、齿条、马达等各种构件的力学原理实现简单的运动;程序设计要在积木拼搭和机械拼搭的基础之上通过程序设计控制机械实现更加复杂、更规律、更自由的各种运动.

在课程设计上，对于不同的课程阶段，在教学内容上既有相互独立的内容，又有层层递进、螺旋上升的内容.其中相互独立的内容是依据各个年龄层次的理解能力分别设计，而螺旋上升内容主要是指在不同的课程阶段有相同的教学项目，但针对不同的年龄层次提出不同的知识目标、能力目标要求.以“机械抓手”为例，在初级课程中以了解生活中的杠杆原理，运用简单的杠杆原理解决问题为目标;在中级课程中要增加更多的探索性、研究性，在教学内容上增加复合杠杆、滑动连杆等教学要求;在高级课程中则要提出更深层次的教学要求，如引导学生研究、探索如何为机械结构解决能源动力的问题，以及如何编写程序使得能源动力的输出可以满足实际需求.

6 课程实践展望

目前本課题团队已经与赤峰二中国际实验学校达成了合作协议，计划通过两个学期的教学实践来对课程设计进行教学实践验证、反馈及修订.同时也期待这样一套的中小学机器人课程体系，能够尽早在我市广泛付诸教学实践.

推广普及机器人教育的目的并不单纯是为了产业发展储备力量，也不是定位于要培养科学家、发明家，更不是致力于技能的培养，目的在于对学生思维方式和探究能力的培养.建设创新型国家和世界科技强国离不开人才培养，而基础教育更是人才培养的根基.因此，充分发挥我校在教育教学方面的优势，整合各方面优质教育资源，利用计算机与信息工程学院的专业力量，精心打造出一套适合在赤峰地区推广的中小学机器人课程体系，充分发挥我校服务社会的能力，为地方基础教育的发展贡献力量.

参考文献：

〔1〕国务院关于印发《中国制造2025》的通知[Z].国发（2015）8号.

〔2〕国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知[Z].国发〔2017〕35号.

〔3〕王凯，孙帙，西森年寿，李哲.日本机器人教育的发展现状和趋势[J].现代教育技术，2017（04）：5-11.

〔4〕张静云，钟柏昌.中小学机器人教育的核心理论研究——论科学探究型教学模式[J].电化教育研究，2017（10）：106-110.

〔5〕杨豪.基于STEAM教育的小学机器人教育课程开发与实践[D].2018.

〔6〕杨兰.美国纽约市2017-2018学年12所小学参加初级软件工程项目[J].世界教育信息，2017（21）：78.