青少年机器人教育课程体系研究

陈良波，林清兰

(泉州职业技术大学，福建 泉州 362269)

0 引言

青少年机器人教育在我国已有三十多年的发展，并在近十年越来越火，主要原因是科技水平的发展、人们生活水平的提高等，当然近年来从政府层面上也重视起来。2017年8月国务院发布了《新一代人工智能发展规划》，规划要求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。2018年4月教育部发布了《高等学校人工智能创新行动计划》，计划要求支持高校教师参与中小学人工智能普及教育和相关研究工作。目前，机器人技术是人工智能的一个重要技术分支，同时深受中小学创客者的喜爱。因而，从政府政策层面、高校、中小学、社会等都非常重视机器人教育，建构一个合理的、完善的机器人教育体系非常有必要，且具有很好的现实意义。

1 青少年机器人教育存在的问题

虽然机器人教育已有三十多年的发展，在课外培训占据一定的市场，家长也更加重视，比赛考证也逐步规范，俨然成为我国教育中不可或缺的一部分，但是在很多专业人士眼里，还存在不少问题，主要有以下几点。

(1)课程体系不系统。目前，市场提供主要有乐高课程体系、创客体系等，很多培训机构的课程零散，没有体系化，过分依赖某些公司产品或者套件，大多是以产品说明书进行教育，学生还很难系统化学习[1]。

(2)缺乏专业师资队伍。机器人教育对师资要求高，老师知识面要广，主要包括结构知识方面，涉及机械结构知识、3D打印知识、激光切割知识等；电子电路方面，可能包括单片机知识、传感器知识，电子电路知识等；程序方面，涉及Scratch、Python、C等各种编程语言。目前，高校基本没有相关专业在针对性地教授这些课程，因而，师资是目前机器人教育最大的一个问题。

(3)机器人竞赛问题。以前机器人竞赛几乎都是依赖某些公司产品，主要有乐高、WER、VEX等，相互间不兼容，价格昂贵；另外，品牌公司有操控比赛结果的可能。目前，开源技术发展迅速，最近几年的相关比赛中很多支持开源硬件，但由于主观因素较多，比赛结果的公平性有待进一步提高。

(4)经济发展不平衡。农村和城市机器人教育差距较大，很难推广和普及。

基于以上问题，且有些问题比较严重，因此，充分利用高校资源，借鉴国内外一些优秀的软硬件、教学方法，兼顾经济落后地方，构建了一个以培养学生科技创新和动手实践能力为目的的青少年机器人教育课程体系具有相当的现实和理论意义[2]。

2 课程总体设计思路

由于机器人技术涉及的内容很多，另外长期以来中小学也没有为其开设一门学科，因此，在课程标准、课程内容逻辑体系、软硬件工具的选择等，没有可以遵循的标准。对于机器人教育课程体系的构建，建议自上而下，从顶层考虑课程总体设计的理念，从实施层面考虑课程体系内容。因而，本研究从课程设计理念和课程体系两个方面进行研究，力求为我国青少年机器人教育的发展提供参考。

3 课程总体设计理念

机器人课程设计理念应该考虑几点：一是大众经济上要能够接受，特别关注欠发达地区或者农村地区的学生；二是课程采用的软硬件应容易获得，不封闭且支持图形化编程；三是课程内容采用项目化设计，任务驱动以提高学习兴趣。

3.1 以工程的视角、STEAM理念来设计教学内容框架

工程的视角是课程每次内容可以取自一个工程产品或者每一个项目的学习过程，就像一个工程产品的产出过程一样。STEAM理念是每个课程作品可能会涉及很多相关学科的重要知识，比如，科学、技术、工程、数学、艺术等，并且把这些重要的知识点比较巧妙地穿插于整个课程教学过程中。例如，在《吊车》这节课程中，首先让大家看下现实中的吊车及它的工作过程；其次通过拼搭介绍其中蕴含的专业知识，如涡轮涡杆、等臂杠杆、机械互锁等工程知识，通过拼搭讲解让学生掌握；接着鼓励学生根据喜好搭建属于自己的吊车；最后，主要通过3种方式——学生作品自我讲解、学生互评、老师评价等，从工程知识角度、技术设计角度、艺术审美角度等，让学生进一步加深对作品的理解，提高学生的综合科学素养[3]。

3.2 实施趣味性设计的项目驱动

兴趣是最好的老师，青少年机器人教育首先也是要让学生感兴趣，因而实施趣味性设计的项目驱动是很有必要的。采用趣味化的任务驱动项目设计，注重理论和实际操作的结合，让学生在动手中学习理论知识，体会做中学、学中做、乐中学的目的。在课程内容的设计上，突出系统性、趣味性和实用性特点。在教学方法上，采用任务驱动，以学生为中心，鼓励学生多思考、多动手，教师主要负责理论讲解、学习过程的引导、作品总结与反思，重点培养学生的动手能力、创新能力和科学素养[4]。

3.3 支持开源精神

最近十几年，支持开源软硬件的公司越来越多，种类和应用也越来越广泛，常见的适合青少年的开源软件有麻省理工的Scratch，拓展Scratch的Kitten、Mand +、Kittenblock等，Blockly、Linux、Appinventor、Mixly等，硬件有Micro:bit、Arduino、掌控板、树莓派等，当然还有各种各样的传感器，非常丰富且使用方便。要支持开源精神，主要有几方面原因：一是品牌机器人过于昂贵，经济欠发达地区和农村地区的学生很难负担得起；二是品牌机器人在兼容性方面不够友好，很多产品对于非自身品牌配件不兼容，可能会限制学生学习和想象力空间；三是开源软硬件的优势，其价格便宜、容易获得，各类比赛不会指定器材，产品间的兼容性也相当友好，产品外观结构设计开放且可以手工设计，可鼓励学生创客精神。

4 课程体系设计

4.1 内容与教具选取

机器人技术的内容主要涉及外观结构、电子技术、程序控制等综合学科知识，因此，在课程体系设计上应该包括如图1所示的3个方面。机器结构主要由乐高积木拼搭、手工制作、3D打印、激光切割等方式获得，一般乐高积木拼搭作为机器结构的入门学习，3D打印和激光切割为高阶的应用学习。电子电路技术是一个难点，目前市面上主要有两大类，一是塑料封闭标准接口接线，可让学生不需要掌握多少电子知识，专注电子编程；一是无封装裸板所有引脚自行接线，要求学生拥有较高水平的电子知识，有利于创新。编程主要有图形化编程和代码编程，其中，图形化编程非常适合初学者入门和用来提高，代码编程比较合适较高年级的学生。

教具与内容的选取：在机器结构方面，入门采用乐高积木，先大颗粒再小颗粒，建议学前采用乐高9656，幼小衔接采用乐高9686，小学低年级采用Wedo套装，较高年级进阶3D打印、激光切割课程。在电子电路方面，采用开源电子产品，建议使用Micro:bit、Arduino、掌控板、树莓派、虚谷号等开源主控制器，电子元件器采用开源元器件。在编程方面，建议图形化入门再代码编程学习，图形编程建议使用Scratch、进阶Kitten、Kittenblock、谷德微等，代码编程建议Python和C++。

图1 机器人教育的3个方面

4.2 课程体系构建

课程基于STEAM教学理念，将科学、信息技术、工程、艺术、数学等学科知识有机结合起来，面向4～16周岁的孩子，根据课程设计思路和渐进式学习要求，开发学前拼搭、初级拼搭与图形化编程、中级Scratch编程、高级电子课程、拓展创客课程、考证竞赛课程等，培养少儿的动手能力、逻辑思维能力和创新创造能力，如图2所示。

图2 渐进式课程体系