融合STEAM的青少年智能编程机器人创客教育研究

梁锦雄，杨伟钧

（1.广州城市职业学院 信息工程学院，广东 广州510405；2.广州城市职业学院 机电工程学院， 广东 广州510405）

STEAM 教育近几年风靡全球，影响着全球的教育体系。 20 世纪90 年代，美国国家科学基金会首次使用STEM 描述涉及一到多门STEM 学科的事件、政策、项目或实践，即科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathemat⁃ics）的首字母的缩写。 之后美国政府提出STEAM教育计划，在科学、技术、工程以及数学的基础上加入艺术（Arts）教育，强调使用21 世纪技能来教育本国人并培养出世界一流的劳动力，以保证国家未来创新能力和竞争能力。 STEAM 教育强调科技教育与人文教育相融合， 有助于提高学生创新思维能力，合作学习的能力，在中国教育界也开始受到重视。

国务院于2017 年发布《新一代人工智能发展规划》，加快人工智能产业发展，推动人工智能和实体经济深度融合［1］，规划提出“实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置与人工智能相关课程，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。 支持开展人工智能竞赛，鼓励进行形式多样的人工智能科普创作”。

青少年智能编程机器人创客教育活动是一种科技教育活动，激发其热爱科学、研究科学、运用科学的科研兴趣，培养出具有逻辑思维能力、合作精神和创新精神的人才［2］。 目前几种比较流行的创客教育是：以生活趣味性为核心的创客教育（以生活中的事情来培养创造性，如冰淇淋制作、空气炮等）、以结构为核心的创客教育（以3D 打印机、激光切割机为主要器材，辅助以简单电路）、以技术为核心的创客教育（以编程和开源硬件为主要技术）等［3］，课题组团队实施的是第三种。

一、创新与实施方案

（一）创新

1.实施形式创新

线上与线下活动相结合：（1）通过雨课堂创建智能机器人课程，面向7⁃16 岁的青少年进行科普、让社区中小学生随时随地学习，受众范围较广；（2）通过深入学校和社区开展融合STEAM 的青少年智能编程机器人体验活动，激发中小学生的科技兴趣和创造潜力。

2.实施载体创新

活动采用的载体是“科大讯飞”“途道”公司的智能教育编程机器人套件，如海陆空套件较适合用在此教育活动当中。 它由主控（控制器、WIFI、供电等）、电机动力、风动力、积木结构件组合而成，与乐高积木兼容，支持多种编程方式。

3.实施内容创新

体验活动的内容多样化，可以选择由主持人/教师用项目化的方式来引导，设置好任务之后，活动参与者个人或分组合作完成，最后检查评估活动成果；也可以选择由活动参与者自由发挥，自主搭建出可运行的机器人形态。

（二） 实施方案

根据美国K⁃12 阶段STEAM 教育的经验，分析其对中国处在探索阶段的创客教育在活动设计、创客学习空间构建、师资团队建设与创客文化营造等方面的启示，以积极构建适合中国国情的融合STEAM 的青少年智能编程机器人活动。 活动成果将有效帮助各校开展融合STEAM 的青少年智能编程机器人创客活动的教学模式，打牢科技教育特色发展基础，推动广州市青少年科技教育实现“全面上水平、全国走前列”目标［4］。

1.制作调查问卷，进行调研

设计调查问卷，调查对象为社区中小学生、科技教师及家长，了解当前中小学融合STEAM 的青少年智能编程机器人创客教育发展的现状、水平以及感兴趣的活动形式等内容，为接下来的社区活动安排和研究提供参考和依据。

2.进行课程设计并在雨课堂在线教学平台上创建课程

在雨课堂上普及机器人相关知识以及进行活动宣传，课程主要介绍机器人技术与计算机技术的关系、机器人技术的发展历史、机器人技术应用的现状及前景、机器人分类、机器人实物模型的讲解、机器人概念的介绍、机器人的一般结构形式、机器人开发、机器人模型的搭建与编程控制等知识点。 通过雨课堂不但可以进行活动的宣传以及为社区青少年提供一个交流的平台，还可以让他们随时随地自主学习，达成优质资源进社区目标。

3.成立融合STEAM 的青少年智能编程机器人教育团队

活动团队由广州城市职业学院专任教师及学生志愿者组成。 进行团队建设，做好团队成员的培训工作。 在专任教师的带领下，通过聘请专业教练，参与校内外的各种培训，不断加强机器人教育团队专业素养和专业技能，同时吸引新的成员加入，打造一支高素质的科技教育队伍。

4.开展机器人搭建与编程体验活动

利用“科大讯飞”“途道”公司的智能教育编程机器人套件进行活动，给活动参与者提供基板、主控板、电机驱动模块、导线、电池等基础组件，搭建智能机器人。 搭建智能机器人的关键是搭建物理框架、逻辑控制机构、传感器、动力系统，编程控制等内容，而外观表现形式多种多样，学习者可以充分发挥想象力，组装出形式各异的机器人，调动学习者积极性和创造力。

二、课程构建

融合STEAM 的青少年智能编程机器人创客教育课程目的是让青少年通过组装、搭建积木机器人及编写程序，实现对机器人的控制［5］。

课程采用图形化的编程方式为主，运用循序渐进、层层加深又互相联系的方法培养青少年的逻辑和编程思维，如表1 所示：

表1 循序渐进式课程构件表

在设计智能小车阶段，先认识编程的界面，再选用青少年熟悉的“自行车”例子进行对比分析。骑手的踏蹬为自行车提供动力，链条和链轮等组成了自行车的传动部件，车轮是它的执行部件，车身是他的机体，通过生活中的“水磨房、机械手表”等图片了解齿轮传动、带传动和连杆传动等方式［6］。 利用途道积木设计搭建智能小车模型，理解机器人齿轮组结构传动及加速和减速原理。 接着利用垂直齿轮传动和程序完成了小车在指定的时间内完成前进和后退，并且停止。 最后，指导学生怎么保存程序，课后让学生对程序进行探索和创新。

在设计听话小车阶段，先复习等待一秒和电机停止的脚本，再设计模拟洗衣机工作过程的教学案例。 设计一个“途道洗衣机”作品，让学生思考如何通过程序控制伺服电机实现洗衣机滚筒的正转反转。 然后学习新的等待大于运算和麦克风的运用脚本，还通过不同的任务，学生让小车按照自己的指令动起来。 学生通过不断尝试获得成功，并从中加深对所学知识或原理的理解。

在设计识别障碍小车阶段，先复习电机的前进脚本，再设计制作“霸王龙”教学案例。 让霸王龙跟随叫声前进，摸一下它鼻子就停止，好玩有趣，学生沉浸其中，不知不觉中掌握“如果”“那么”“否则”和循环知识点，再利用所学的脚本对小车进行程序设计。

三、效果

青少年智能编程机器人创客教育是一项公益性科技教育活动，课题组走进社区和中小学开展活动，提供了积木图形接口，让青少年从堆砌程序积木中学会“判断”“循序”“循环”等基本程序语法，从而提升了他们的逻辑思维。 课题组还提供“逐步式指示”的程序执行，让青少年看到他们编写的程序错在哪里，然后进行修改，最终尝试成功过关的喜悦。 教师根据基础学习知识，设计组内协作学习任务：成员分工负责复习和讲解相关前驱知识（例如：分支程序设计、事件驱动编程、循环程序设计）并在此基础上完成协作任务，再组织小组分工完成积木堆砌、程序编写、程序调试和下一个教学环节的作品展示与设计思路说明，从而锻炼了青少年的交流分享精神和小组协作能力［7］。 在此创客教育的推进过程中，课题组对青少年科技发展的现状有了深入了解，获得了宝贵的一线实践经验，有助于完善教学设计并进一步推广应用。

四、结语

融合STEAM 的青少年智能编程机器人创客教育课程以问题为起点在雨课堂在线教学平台进行智能编程机器人课程设计，开发相关课程案例。教学团队到社区开展融合STEAM 的青少年智能编程机器人创客课程和体验活动，让社区中小学生学习机器人的基本知识，发展学生的动手动脑能力，培养学生的创新精神和实践能力，对推进社区教育创新、促进社区教育改革，以及提高学生的实践创新能力，具有重要的现实意义和长远的战略意义。 此外，在这项活动当中搭建出多种形态的智能机器人并编写出多种控制代码，若被“科大讯飞”“途道”等公司采纳后可供生产和教育推广，并产生可观的经济效益。