小学机器人模型搭建教学资源设计策略研究

姜雪 荆永君

摘  要  机器人教育作为增强学生动手能力、促进学生思维发展、培养学生创新能力的一门交叉学科，是中小学STEM教育实践的重要载体。以梅耶多媒体教学设计原则为基准，提出一种以图片为载体呈现机器人模型搭建的教学资源设计策略，旨在为从事机器人教学的教师提供一种可操作、可持续使用的机器人模型搭建的教学资源设计策略。

关键词  小学机器人教学;机器人教育;多媒体教学设计原则;机器人模型搭建;教学资源

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）06-0010-04

Study on Design Strategy of Teaching Resources for Con-struction of Robot Model in Primary School//JIANG Xue， JING Yongjun

Abstract  Robot education， as an interdisciplinary subject that enhances students hands-on ability， promotes students thinking development， and cultivates students innovative ability， is an important carrier of STEM education practice in primary and secondary schools. Based on Meyers multimedia teaching design principles， the research proposes a teaching resource design strategy that uses pictures as a carrier to present the construction of a robot model， the research aims to provide teachers engaged in robot teaching with a teaching resource design strategy that can be operated and sustainably used to build robot models.

Key words  robot teaching in primary school; robot education; multimedia teaching design principles; robot model building;  teaching resources

0  前言

2000年，北京市景山学校率先以科研课题的形式将智能机器人教育融入信息技术教育中，自此，中小学机器人教育进入人们的视野。2001年，上海市以校本课程的形式开始机器人教育普及的探索和尝试[1]。2017年，国务院发布的《新一代人工智能发展规划》明确指出要在中小学阶段设置人工智能相关课程，为机器人教育的快速发展提供了新的契机[2]。国内研究者从机器人教育的教学模式、能力培养、资源开发等方面开展了研究。例如：钟柏昌[3]从知识内容、物化成果的视角，提出实验模拟型、趣味交互型、科学探究型、发明创造型四类教学模式;胡兵华等[4]、王小根等[5]对机器人校本课程开发中教学任务、教学目标及教学方法与教学评价等方面的内容进行探讨，提出基于任务驱动的小学机器人校本课程开发;王同聚[6]通过机器人教学案例，提出Scratch编程与机器人交互平台的虚实结合将拓展其应用范围和创新功能。

当前小学机器人教学中，教师大多采用逐步演示的教学方法呈现机器人模型的搭建，学生则按照教师的演示逐步制作自己的机器人模型，存在一定的局限性。在班级授课制课堂中，学生数量一般在40人以上，学生的接受能力和动手能力具有一定的差异性，他们跟着教师逐步演示进行机器人模型搭建存在“一刀切”的问题：动手能力强的学生会觉得课堂节奏拖拉，容易产生倦怠情绪;动手能力弱的学生会跟不上教师演示的节奏，不利于课堂教学的开展。由于模型搭建的困难，常常导致在规定时间内无法完成教学内容。

国内机器人教育相关机构在进行机器人模型搭建教学时，常采用5～10人的小班化教学组织形式，以现场实操演示、实操演示视频、3D或二维动画动态演示、模型搭建卡、搭建手册等方式呈现模型搭建过程，但这些方式并不适用于中小学校开展机器人普及性和创造性教学。这是因为实操演示视频、3D建模和二维动画制作的难度高、成本大、耗时长，学校无法花费大成本投入制作;虽然模型搭建卡、搭建手册的制作相对容易，但学生使用过程中存在损耗严重的问题。

基于此，本研究提出一种以图片为载体呈现机器人模型搭建过程的数字化教学资源设计策略，包括教学资源制作前的准备策略、制作中的拍摄策略、拍摄后的图片处理策略和3D全景呈现机器人模型的辅助策略，可以通过计算机、投影和移动终端等工具播放图片，学生通过观看图片自主完成机器人模型搭建，教师可以巡堂对搭建有困难的学生进行个别指导，而提前完成的学生可以往下进行，从而实现分层式个性化教学。

1  梅耶多媒体教学设计原则

多媒体教学用词语和画面共同呈现信息，以促进学生学习。本研究提出以图片为载体，配以文字说明的方式展示机器人模型搭建的过程。该方法需要遵循一定的多媒体设计原则，以学生有限的认知容量为基础，最大化地呈现信息，帮助学生学习，实现有效的教学实践。梅耶（Richard E. Mayer）基于人类学习的基本原则，包括双向通道原则、容量有限原则和主动加工原则，提出聚焦要义原则、提示结构原则、控制冗余原則、空间和时间临近原则、多种媒体原则等十条多媒体教学设计原则。本研究基于聚焦要义原则、提示结构原则、控制冗余原则等提出机器人模型搭建的教学资源设计策略。B961BF06-2413-4BCF-BEF6-D7CB5F28E2AB

所谓提示结构原则，是指如果给学生学习提示，突出主要学习材料的组织，那么学生的学习效果会更好。提示可以帮助学生减少不必要的外在认知加工，把注意力集中在课文的一些关键要素上，并且将它们关联起来[7]。例如：在模型搭建的展示图片中，对于组件的变化通常采用颜色突出的箭头对学生进行提示，减少过多的时间浪费，从而提高学生的搭建速度。

所谓控制冗余原则，是指以画面、解说两种形式呈现信息所产生的学习效果要比以画面、解说、文本三种形式呈现信息所产生的学习效果更显著[7]。

例如：在机器人模型搭建过程的展示图片中，会对图片进行图序编排并附以名称，通过图片、文本两种形式来呈现信息，控制信息的冗余，为学生提供更好的学习体验，增强学习效果。

2  模型搭建與拼接的教学资源设计策略

2.1  教学资源制作前的准备策略

本研究以图片为载体，设计呈现机器人搭建与拼接的教学资源，图片拍摄的前期准备至关重要。由于机器人模型都是静物，在拍摄方面需要拍摄人员充分考虑拍摄涉及的多个方面并进行调整，从而使图片的质量与效果得到保证。本研究提出以下前期准备策略。

2.1.1  拍摄人员必须保持相机稳定  在拍摄机器人模型时必须要保证照片的清晰度，切记不可模糊。拍摄人员手持相机拍摄机器人模型按下快门时会出现轻微的抖动，照片势必存在一定程度的重影或模糊。解决这一问题最有效的办法就是使用三脚架，能够有效保障拍摄的稳定性。

2.1.2  拍摄人员需要选择合适的拍摄角度

在拍摄物体时比较常用的是0°角、45°角和90°角，也就是人们常说的低角度、斜拍和俯拍。0°角拍摄适用于拍摄突出、单一的物体，比如一个樱桃，蛋糕上的一个装饰物，可以更加突出纵深感。45°角是一个黄金拍摄角度，被认为是摆拍的最佳选择，可以最大限度还原物体的形态，使物体显得更全面、更立体。45°角也常常是人们自拍的最佳角度。90°角是比较难的一个摄影角度，而且使用90°角拍摄物体的时候很容易丧失立体感。对于机器人模型这种几何立体感很强的物体来说，拍摄时只需要呈现出模型原本该有的立体感和形态即可。因此，拍摄机器人模型宜采用45°角，可以最大限度还原机器人模型原本的样子，将模型的立体感完美地呈现在学生眼前，从而方便学生观察，有助于他们完成机器人模型的拼装。

2.1.3  必须保证拍摄环境光线充足，背景简单化  机器人模型的拍摄一般都是在室内进行，为了避免昼夜、晴天、阴雨天的光线差距产生的视觉差，需要通过摄影棚环境来保证光线充足，这样所有照片所受光线就都是均匀并且一致的，可以给人很好的视觉效果。静物拍摄一般会选择白色、蓝色、灰色作为背景底色，这几种颜色不仅可以更好地突出主体，还能避免杂乱背景对观者视线产生不良的干扰。同时，遵循梅耶多媒体教学设计原则中的控制冗余原则，背景简单可以使学生的注意力更好地保持在模型组件上。鉴于机器人模型的组件颜色基本是灰色、白色、红色、黄色，为避免背景与组件颜色重叠，建议照片背景选择蓝色，蓝色不仅象征美丽、文静、安稳与洁净，还可以给人一种沉稳、理智、准确的感觉。

2.1.4  模型本身必须干净整洁  除了客观因素的考虑，模型本身也是必须要考虑的方面。经过长期使用，机器人组件会产生一定的磨损，导致组件变脏，颜色有偏差。因此，用于拍摄机器人模型的机器人组件最好是全新的、无磨损的，避免后期图片处理费时费力。

2.2  教学资源制作中的拍摄策略：以“滑梯”为例

机器人模型搭建从基础的一个个小组件开始，随着使用的组件数量和种类的增多，逐步成为一个立体模型。在模型从简到繁的过程中会出现从单一角度无法纵观全貌、复杂拼接步骤学生看不懂的情况，此时采用单一视角展示模型拼接产生的变化，会让学生在视觉上产生偏差，影响他们对新知识的认知建构。针对这些情况，本研究以“滑梯”为例，提出复杂模型呈现的拍摄原则和复杂拼接展示的拍摄原则。

“滑梯”是小学机器人教学中相对较复杂的一个拼装模型，模型搭建使用的组件较为全面，模型搭建的复杂程度具有一定代表性。在“滑梯”教学案例中，采取的机器人模型搭建的拍摄原则普遍适用于小学阶段的各种机器人模型。

2.2.1  复杂模型呈现的拍摄策略  小学生的思维活动在很大程度上仍局限于具体的事物和过去的经验，缺乏抽象性，因此，当模型搭建到一定的复杂程度时，仅仅从一个角度无法看到模型搭建变化的全貌。针对这一问题，本研究采取的解决策略是多角度拍摄，形成物体三视图（图1），即对同一状态的机器人模型分别从正面、侧面和上面进行拍摄，形成正视图、侧视图、俯视图。

机器人模型这类三维空间的物体用平面图呈现出来的时候，学生看到的只是机器人模型的一个画面，但是从机器人模型的不同角度去观察时，所看到的机器人模型有很大的不同。拍摄角度的多样化可以增加对于一个物体的全面了解。因此，对于复杂的模型需要拍摄者分别从机器人模型的正、侧和俯视角度拍摄正视图、侧视图和俯视图，达到对机器人模型的全方位呈现，从而使学生多角度对机器人模型有一个全面了解，避免单一角度的图片对学生的认识产生误导，不利于对学生多元智能的培养。如图1所示，从单一视图观察，学生无法看出机器人模型的全貌，难免会对机器人模型的理解有偏差，产生疑惑与不解;但是将物体的三视图相结合来看，学生则可以一目了然。

2.2.2  复杂拼接展示的拍摄策略  当模型的拼接渐入复杂，拼接组件的种类与数量均不止一个时，必须严谨地处理机器人模型的拼接过程，使学生清晰地看出此步骤需要的组件种类与数量、如何进行拼接、完成该步骤拼接后的效果。只有这样，学生才能够理解并且独立完成机器人模型的拼装。本研究采用的复杂拼接展示的拍摄原则如图2所示。B961BF06-2413-4BCF-BEF6-D7CB5F28E2AB

首先，将这一步拼接所要用到组件摆在当前模型的下方，形成组件呈示图（a），能让学生清晰地看到下一步拼装需要哪几种组件，每种组件需要多少个，并能顺利找到所需要的全部组件;其次，将这一步要用到的组件先连接起来，形成一个独立的组合体并摆放在当前模型下方，形成组件拼装图（b），便于学生仿照，快速完成拼装;再次，将模型造型更换成要拼装的状态，形成位置呈示图（c），方便学生理解两部分模型要如何进行拼接;最后，呈现出此步模型拼接完成后的状态，形成最终效果图（d），即此步拼接完成后所要达到的模型效果，便于学生检查自己是否拼接正确，如有错误能及时纠正错误，避免往后拼装过程中发现错误时可能需要重新拼装，浪费过多的时间。

2.3  教学资源制作中的图片处理策略

2.3.1  图片处理技巧与方法  机器人模型拼装过程以图片呈现的方式为主，对于图片的要求相對较高，除了前期拍摄十分重要，后期的图片处理也是不可忽视的、重要的一部分。本研究对于图片的处理以Photoshop为主，参照网格线使用“剪切”工具调整照片的构图，使用“曲线”命令还原照片的颜色，调节局部亮度，使用“亮度/对比度”命令调节照片的整体亮度并增强对比度，使用“曝光度”命令增加或减少照片的曝光度，使用“污点修复画笔”工具对照片背景中存在的小瑕疵进行修补，以达到合适的展示效果。

2.3.2  箭头的使用  小学生精力旺盛，但自制力不强，通常缺乏耐心，注意力集中的时长较短。在复杂模型的搭建过程中，在规格比较小的组件拼接情况下，小学生可能无法顺利地找到组件并正确拼接，从而产生急躁情绪，影响课堂教学实施效果。因此，教师需要对细微变化处加以鲜明标注。箭头在生活中无处不在，可以用来指示某个方向，可以用来表示做某件事情的顺序，还可以对细微变化起到重点提示的作用。本研究在机器人模型搭建过程的展示中使用橙色的实心箭头对细微变化处进行标注，如图3所示，可以引起学生注意，更易于学生观察出拼接的组件与“谁”连接，具体在哪个位置连接，提高学生拼接机器人模型的速度，帮助学生顺利完成机器人模型的拼接任务，避免他们丧失对机器人学习的兴趣与积极性，在很大程度上规避阻碍机器人教育开展的不利因素。

2.4  机器人模型呈现的辅助策略：3D全景呈现

在机器人模型的呈现策略中，除了考虑机器人模型搭建与拼装的呈现策略，机器人模型成品的展示也是至关重要的一点。对于机器人模型成品的展示，除了使用静态图片，还可以利用3D动态全景技术拍摄出3D全景视频，学生通过手机、Pad等电子产品可以360°旋转查看机器人模型成品。目前，很多市面上的手机都具有3D动态全景功能，拍摄的时候按住拍照按钮不松，实物不动，拍摄人员360°缓慢平移，或者拍摄人员不动，将实物缓慢旋转360°，拍摄完成后在相册中找到图片，点击建模就可以实现3D全景图片的制作。支持该功能的手机左右摇晃或者滑动屏幕即可查看3D全景图。通过3D动态全景技术可以捕捉到机器人模型的全角度，实现全景拍摄。通过这个3D全景图，学生可以全方位地观察机器人模型，有利于认识和了解机器人模型，更好地学习。

3  教学资源设计策略实施结果

使用本研究提出的机器人模型搭建的教学资源设计策略，编写纸质教材《小学机器人教育初级教程》及其电子资源，在L省S小学开展两个学期的教学实践，实验对象为小学四年级学生，每班级40名学生，每周一课时，学生学习以小组形式开展。研究主要从课堂观察、与教师面对面访谈、与学生面对面访谈三方面来深入剖析模型搭建教学资源的作用和价值。

从课堂观察角度发现：学生在进行模型搭建时，绝大多数小组可以利用纸质教材和电子资源组内协作完成机器人模型搭建，学生积极参与，课堂投入情况良好;极个别小组存在组内有学生浑水摸鱼、不积极参与的情况。

与教师面对面访谈发现：学生完成机器人模型搭建部分所用时间明显缩短，为后面完成编程和测试运行留出足够的时间，一节课的教学内容基本可以保证顺利完成，这是一个很大的进步。此外，学生在进行模型搭建时，基本不需要教师的指导和组间交流，小组成员相互配合即可完成，教学实施效果很好。

与学生面对面访谈发现：学生在模型搭建过程中的感受有很大的改变，模型搭建的完成率明显提高，注意力明显集中;大多数学生认为模型搭建不再是难题，增强了学习信心，提升了自我效能感。

综上所述，本研究提出的教学资源设计策略在实际的教学应用中能够切实提高学生的课程参与度，提升学生的自我效能感，增强学生的学习信心和兴趣，减轻教师的授课负担，降低教师的教学难度，为学校机器人课程的开展提供了有力的支撑。

4 总结

随着人工智能时代的到来，机器人会以更加多元的形式走进师生的学习和生活，机器人教育也会融合更多的学科思想，成为学生学习必不可少的一部分。本研究通过项目研究与实际操作，提出以图片为载体的机器人模型搭建与拼装的呈现策略，学生可以利用模型搭建过程的教学资源，脱离教师指导，自主完成机器人模型搭建。该策略适用于小学阶段机器人模型搭建部分的教学内容，教学资源制作简单，成本较低，使用方便，能够为从事机器人教育工作的教师提供一种可操作、可持续使用的机器人模型搭建的教学资源设计策略。■

参考文献

[1] 张丽芳.基于STEM的Arduino机器人教学项目设计研究[D].南京：南京师范大学，2015.

[2] 国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知[A/OL].（2019-07-20）[2021-06-07].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm.

[3] 钟柏昌.中小学机器人教育的核心理论研究：机器人教学模式的新分类[J].电化教育研究，2016，37（12）：87-92.

[4] 胡兵华，何少莎，王小根.中小学机器人教育的校本课程开发探讨[J].中国教育信息化，2009（2）：15-17.

[5] 王小根，胡兵华，何少莎.基于“任务驱动”的小学机器人教育校本课程开发[J].电化教育研究，2010（6）：100-102，106.

[6] 王同聚.Scratch与机器人共融在教学中的应用与实践：以中小学机器人教学为例[J].中小学信息技术教育，2015（8）：76-79.

[7] 毛伟，盛群力.梅耶多媒体教学设计10条原则：依托媒体技术实现意义学习[J].现代远程教育研究，2017（1）：26-35.

*项目名称：沈阳师范大学教育教学改革研究项目“‘协同育人模式下《智能机器人设计与制作》课程教学改革研究”（JG2021-YB009）。

作者：姜雪，沈阳师范大学在读硕士，研究方向为教学分析与评价;荆永君，沈阳师范大学，教授，研究方向为教师教育研究、在线教育与学习分析（110034）。B961BF06-2413-4BCF-BEF6-D7CB5F28E2AB