中小学机器人教学中“微课”的制作与应用研究 *

王同聚

(广州市教育信息中心(广州市电化教育馆)，广东 广州 510030)

中小学机器人教学中“微课”的制作与应用研究*

王同聚

(广州市教育信息中心(广州市电化教育馆)，广东 广州 510030)

智能机器人技术是21世纪的核心科技力，在中小学开展智能机器人教育不仅可以培养学生的动手实践能力、创新思维能力和团结协作能力，而且对提高中小学生的信息科技素养有着巨大的促进作用，同时也是新一轮新课程改革的需要。“微课”作为一种全新的教学资源，具有传统资源不可替代的优势和特点。该文探讨了在中小学机器人课堂教学中微课资源的制作和微课资源库建设的方案，提出了“微课导学”教学模式在机器人教学中应用策略，对于解决目前国内机器人教学资源短缺、教育性不足等所面临的种种困境具有较大的理论研究价值和实践指导价值。

微课；智能机器人；课堂教学；资源建设；“微课导学”教学模式

智能机器人融合了机械制造、电子技术、传感器、无线通讯、声音识别、图像处理和人工智能等领域的先进技术，所以智能机器人技术是当今世界公认的核心竞争力之一，世界上的许多国家已将机器人教育纳入到基础教育体系当中。2003年4月，我国教育部正式颁布《普通高中技术课程标准(实验)》，首次在高中“信息技术”“通用技术”课程中分别设立了“人工智能初步”“简易机器人制作”选修模块，部分省市也把机器人教学内容纳入到初中和小学信息技术、综合实践和科学课程中，中国科学技术协会、中央电化教育馆等相关部门也举办了电脑机器人竞赛项目。国家对中小学机器人教育十分重视，把培养高素质的智能机器人研究人才已纳入国家“人才储备计划”。经过研究发现：在中小学开展智能机器人教育不仅能够培养学生的动手实践能力、创新思维能力和团结协作能力，而且对提高中小学生的信息科技素养具有较大的促进作用。虽然智能机器人进入我国中小学校已有十多年的时间，但现阶段的机器人教育主要是以竞赛为主，真正进入到中小学课堂的却很少，机器人教学缺乏科学的规划和优质的教学资源，所以目前在中小学开展机器人教学可谓步履艰难，严重阻碍了中小学机器人科技教育的推广和普及。

而“微课”的出现为机器人教育带来一场“微”革命，“微课”具有主题突出、类型多样、情景真实、交互性强、可生成性、使用方便等诸多优点，它不仅成为教师和学生的重要教育资源，也构成了教育教学模式改革的基础，无论是对学生的学习、教师的教学实践，还是教师的专业发展，都具有重要的现实意义[1]。胡铁生对“微课”[2]的诠释是：“微课”的核心是微型教学视频片段(视频时长为5-8分钟左右)。同时，还包含与该学习视频内容相对应的教学设计、素材课件、练习测试、教学反思及学生反馈、教师点评等教学支持资源内容。随着网络带宽的加大，视频压缩与传输技术的发展，无线网络的日益普及，以及移动终端的日渐流行，互联网进入了“微时代”，微博、微信、微电影风起云涌，以超乎人们想象的速度迅猛地流行起来[3]。所以“微课”的出现，将点燃机器人普及的导火索，能为中小学机器人教学提供一种较好的解决方案，能切实解决目前机器人教学资源欠缺、教育性不足等一系列问题。把“微课”引入到中小学智能机器人课堂教学中，将会为机器人教育走进中小学课堂开启创新之门，探索微课资源的制作、微课资源库建设和“微课导学”应用模式的研究，对于移动学习时代的中小学机器人教学研究具有极为重要的战略意义和现实价值。

一、中小学机器人教学微课资源的制作

目前，我国在中小学机器人教学中所用的机器人一般可分为实体机器人和虚拟机器人。实体机器人(如图1所示)是由主控制器、多种传感器、驱动电机、轮子、连接件等硬件部分和一套编程软件组成，其教学过程包括机器人结构的搭建、机器人程序的编写、机器人软硬件联合调试和机器人竞技展示等几个环节；虚拟机器人(如图2所示)是利用虚拟仿真技术在计算机上运行的一套能够进行机器人制作与编程的软件，其教学过程包括机器人场地的搭建、机器人的设计制作、机器人程序的编写和机器人竞技展示等几个环节。在以上两类机器人的教学过程中，每个环节的教学内容都能够独立地自成体系，适于制作成微课。

图1 实体机器人结构组成

图2 虚拟机器人软件界面

微课制作前，教师首先要根据教学内容完成教学设计，教学过程应包含情境导入、要点概括、重点和难点剖析、演示讲解、任务驱动、互动反馈、简短总结等几个环节，时间控制在5-8分钟，然后准备好机器人教学所用的软硬件设备和各种工具，就可以进行微课视频的录制。微课视频按录制方法一般可分为拍摄式微课和录屏式微课，不同类别的机器人制作微课所采用的录制作方法也不尽相同，下面分别介绍在实体机器人和虚拟机器人教学过程中微课的制作方法。

(一)实体机器人教学微课资源的制作

根据实体机器人教学的特点，可采用拍摄式微课的录制方法制作微课，即通过摄像设备(专业摄像机、DV摄像机、智能手机、网络摄像头等)，把教师授课过程、制作机器人操作演示步骤和学生学习过程等真实情境拍摄记录下来，完成实体机器人的教学视频录制。

1.微课视频的拍摄

这里以配有智能高清自动录播系统的标准机器人工作室为例来介绍实体机器人微课资源的制作方法。机器人工作室内配有1套智能高清自动录播系统，该系统是利用计算机通过导播平台将3路高清视频信号和1路VGA信号输入到录播系统中，录制微课时可以由计算机控制摄像机实时跟踪拍摄教师和学生的教学过程，自动完成视频的拍摄，也可以由人工控制完成视频的拍摄。最后生成1080P或720P的高清视频，视频格式可根据需要保存为MPEG-4、WMV、AVI等多种格式。

2.微课视频的后期加工制作

目前常用的视频编辑软件有会声会影、Adobe Premiere、EDIUS和Windows Movie Maker等多种软件，各种视频编辑软件的用法大同小异，这里以Corel会声会影X2软件为例介绍实体机器人微课视频的后期制作过程。

打开Corel VideoStudio软件，首先选择“文件”菜单建立一个新项目，在后面的“2编辑”菜单中选择“加载视频”按扭，导入已拍摄好的视频文件，根据生成文件的时间长度利用编辑器进行剪辑，再分别利用标题、音频、效果和覆盖等几个菜单为剪辑好的视频加上字幕、配音、背景音乐、屏幕特效和转场特效等进行美化，加上片头和片尾，预览满意后单击“分享”菜单，根据需要选择MPEG-4、WMV、FLV等视频格式，最后渲染生成一段5-8分钟的视频文件，便完成了微课视频的后期加工制作。

(二)虚拟机器人教学微课资源的制作

根据虚拟机器人教学的特点，可采用录屏式微课的录制方法来制作，常见的录屏软件很多，如Camtasia Studio、屏幕录像专家、录屏大师、Wink、Snagit录屏软件等，下面就以Camtasia Studio7.1录屏软件为例介绍虚拟机器人微课的制作方法。

1.用录屏软件录制微课视频

Camtasia Studio7.1录屏软件的视频、录音设置基本使用默认设置即可。一切准备就续后按下F9键便开始录制，录制内容包括影像、音效、鼠标移动轨迹、解说声音等，教师可以边操作边讲解，教学内容完成后再按下F10键停止录制，系统会自动播放刚才录制好的视频，观看满意后建议保存为.camrec格式的文件(该格式能把光标特效保存下来，视觉效果较好)，选择合适的分辨率保存，完成视频文件的屏幕录制。

2.微课视频的后期美化加工

利用Camtasia Studio7.1录屏软件还可以把录制完成的视频文件进行后期加工制作，即基于时间轴对视频片段进行剪辑，添加标注、变焦、画中画、后期配音、背景音乐、转场效果、标题等多种特效对录制的视频进行美化和加工制作。例如利用标题制作和添加标注功能可以在整个微课视频中添加封面、学习要点等字幕，让微课结构更加清晰；利用转场效果、变焦、画中画、后期配音、背景音乐等特效可使视听效果更出色。编辑完成后单击“文件—生成与分享—自定义生成设置”，可根据需要保存为WMV、AVI、FLV、MP4、SWF、RM等多种格式的视频文件，即完成了虚拟机器人微课视频的制作。

二、在机器人教学中微课资源库的构建与管理

微课资源库的构建、运行和管理需要有一个功能完善的网络管理平台来支撑，根据当地的条件可以选择不同的模式来构建微课的网络管理平台。有条件地区可以建一个大型的网络管理平台，如广州市是依托“广州数字教育城”公共服务云平台，把所有的微课视频资源、教学设计、教学课程和教育反思等内容全部放在名优教师工作站微课资源网络管理平台上运行和管理，该系统实现一站式登录，教师依据用户权限可以上传、管理微课视频资源和其它教学资源，并根据需要对其进行有效的分类、组织和管理，使用者可以快捷有效地检索到想要的微课资源，同时该平台支持跨平台运行，方便老师和学生使用电脑或各种移动终端设备在线使用微课资源。

但对于网络基础设施不够完备的地区，可以建设一个简单的网站，再借用其它免费视频网站来管理和运行微课资源。即只要有一台可以连接外网的电脑作为服务器，制作一个简单的网络资源管理平台，该平台只放置容量较小的教学设计、教学课件、教学评价和教学反思等信息；而容量较大的微课视频制作好后只需要上传到常用的优酷网、土豆网、百度视频等视频网站上即可，这些视频网站都是可以免费存放视频资源，如在优酷网上传视频时，不需要自己转换视频格式和压缩视频，上传视频时系统会自动转换成FLV格式并将视频压宿，5-8分钟的1080P的高清视频上传后只有20M以内，利用电脑和智能手机等移动设备都可以顺畅地播放，所以在自己的服务器上只需要制作一个网站放置微课的列表，用超级链接连到已上传视频网上该视频的网址，在本地网站上点播时就可以转到相应的视频网上进行下载和播放，从而间接地解决海量微课视频存放难的问题。

三、微课资源在中小学机器人教学中的应用模式

目前，在我国“微课”和“中小学机器人教学”这两方面的研究都处于探索期，可供借鉴的、成熟的应用模式和应用案例较少，那么将二者结合起来共同研究的案例更是难觅踪影。但是要想在我国中小学普及机器人教育，必须有先行者敢于承担起这份责任，开辟新的研究领域，以机器人为载体，以微课为突破口，使二者完美结合，寻求微课在中小学机器人教学中应用的有效途径，探索在中小学机器人教学中应用微课资源组织教学的应用模式。笔者在基于微课的机器人课堂教学方面做了一些探索试验，希望能起到抛砖引玉的作用，为普及中小学机器人科技教育开辟一条创新之路。

这里以“机器人走黑线”的教学内容为例介绍微课在机器人教学中的具体应用策略。“机器人走黑线”这节课选用的机器人器材和软件分别NXT蓝牙机器人和相配套的LEGO MINDSTORMS Edu NXT 2.0中文版编程软件，搭建一个走黑线的机器人需要1个主控制器、2个马达、1-2个光电传感器和20-30个各种连接件来完成。这节课的教学重点和难点是机器人的搭建和机器人编程部分，如果采用传统的教学方式，教师在讲解机器人结构的设计和搭建时需要把操作过程演示给学生看，但是有些机器人配件非常小，只有坐在教师附近的学生才能看清机器人搭建的操作过程，要想让每个学生都能看清机器人搭建演示过程必须分4-5个组各演示一次，一般用最快的速度演示一次机器人搭建过程至少需要4-5分钟，这样几个组都演示完一节课的时间已用了大半，教学效率较低，所以利用传统教学方式上机器人课根本无法完成既定的教学目标。经过实验探索，笔者采用“微课导学”教学模式组织机器人教学取得了事半功倍的教学效果。

“微课导学”是通过微课视频来引导学生自主学习和个性化学习，促进学生主动探究、动手实践和合作交流，采用以学生为主体、教师为主导的教学理念，帮助教师提高教学效率和教学质量的应用模式。笔者把这种模式称为“微课导学”教学模式。该模式具有节约时间、节省材料、教学效率高、学习方式灵活、培养学生自主学习能力和自主探究能力等特点，除适用于机器人制作课的教学外，还适用于物理实验课、化学实验课、生物实验课、音乐器乐教学课等多种实操性强和演示类课程的教学。利用“微课导学”这种教学模式，教师在组织机器人走黑线的教学时，课前选取教学重点和难点内容分别录制4-5分钟的机器人搭建视频和3-4分钟的机器人编程视频上传到微课网络管理平台，上课时教师只需布置教学任务，让学生通过网络利用多媒体电脑或移动设备(平板电脑和智能手机)打开微课教程自主学习搭建和编程的知识点，每个学生很快就能按照微课教学内容进行创新设计、搭建出具有个性化的走黑线机器人，根据微课视频中对循环语句和条件判断语句知识点的讲述，学生会结合自己搭建机器人所采用光电传感器的个数不同而编写出不同的走黑线程序，在整个教学过程中，教师主要精心放在为学生答疑解惑上，充分体现学生为主体、教师为主导的新课程教学理念，每组学生都能以最快的速度完成走线机器人的搭建、编程、下载程序和走线演示的学习任务，从而培养了学生的动手实践能力、创新思维能力和团结协作能力，显示出了“微课导学”教学模式在机器人教学中的独特优势，具体体现在以下两个方面：

对教师而言，把微课引入中小学机器人教学课堂，使教师的课堂教学将更具有针对性和实效性，教师可以改变传统的教学方式，将上课讲授的关键内容，如制作机器人的每个环节或某个环节中的重点、难点、易错点等制作成微课，在教学过程中不断地积累和丰富微课资源，再把微课资源应用于自己以后的教学中。根据机器人课程的特点，有些地区还无法开设机器人课程，只能以兴趣小组在业余时间组织机器人教学，所以在机器人教学中通过引入“微课导学”教学模式，与“研学后教”[4]“翻转课堂”[5]等教学模式结合起来，根据学生热衷于应用移动设备观看视频的特点，把机器人知识以微课的形式呈现在网络平台上，让学生通过多媒体电脑和智能手机、平面电脑等移动设备在课堂上或课后业余时间利用微课主自学习，不受时空和观看次数的限制，教师在课堂上或课后辅导时重点帮助学生解决疑难问题和易错问题，给予学生个性化辅导，充分调动学生自主探究、创新思维的学习积极性，培养学生对机器人的兴趣，使得机器人教学更为生动有效，从而在机器人教学实践中进一步完善和深化“微课导学”教学模式的应用研究，逐步积累教学经验，形成自己的独特的教学风格，带动区域机器人教学和教研模式的变革，有效推动微课在中小学机器人教学的应用。

对学生而言，随着信息与通信技术的快速发展，特别是随着手持移动数码产品和无线网络的普及，与微博、微信等当前学生喜欢使用的工具软件一样，微课也将具有十分广阔的教育应用前景。机器人微课视频是以阐释某一知识点为目标，以短小精悍的在线视频为表现形式，能更好地满足学生对不同知识点的个性化学习。学生可以利用电脑和智能手机、平板电脑等手持移动设备，进行基于机器人微课的移动学习、远程学习、在线学习和泛在学习。学习内容可以按需选择，突出个性化学习，以达到既能查缺补漏又能强化巩固知识的目的；学生对机器人知识都比较感兴趣，兴趣也是学生进行学习的强大内驱力，机器人微课资源的出现，会激发起学生自主学习机器人的热情，通过微课的应用，让学生充分利用网络和移动设备在课堂和课外都能自主、高效地掌握机器人的基础理论知识和实践操作技能。

四、结语

“微课”和“中小学机器人教学”是近年来新兴起的两个研究领域，也是当前研究的热点问题，在中小学机器人教学中开展“微课”资源的制作和应用研究是一个全新的课题，目前没有现成的案例可供参考和借鉴。在中小学机器人教学中潜心研究微课的制作和应用既是一种挑战，也是一种机遇，机遇与挑战并存，特色与创新共进，机器人微课应用模式的创新也是未来中小学机器人教育和微课发展的一个重要研究课题。只有解决了中小学机器人教学中微课设计开发的技术门槛，提升了中小学机器人课堂教学的质量，并把“微课导学”教学模式在机器人教育中加以创造性地应用和升华，在中小学普及机器人教育的春天就可以早一天到来，微课的发展前景将会更加美好。

[1]徐靖程.微课，开启教育“微”时代[J].中小学信息技术教育,2013,(4):9.

[2]胡铁生.微课：区域教育信息资源发展新趋势[J].电化教育研究,2011,(10):61-65.

[3]焦建利.微课及其应用与影响[J].中小学信息技术教育,2013,(4)：13-14.

[4]陈晋威.“研学后教”理念下小组合作学习课堂模式初探[J].师道：教研, 2013,(2):42-43.

[5]汪文华.基于“翻转课堂”理念的教师培训[J].中小学信息技术教育, 2013,(7):39-42.

王同聚：中学高级，研究方向为智能机器人科技教育、教育信息化应用研究(wangtj@gzedu.gov.cn)。

2014年1月15日

责任编辑：宋灵青

Research on Application of 'Micro-lesson'in Robot Teaching of Primary and Secondary School

Wang Tongju
(Guangzhou Education Information Center(Guangzhou Audio-Visual Education Center),Guangzhou Guangdong 510030)

The technology about intelligent robot is the core technology in 21st century. To carry out intelligent robotics' education in schools is the call of the new curriculum reform. It can not only improve students' practical ability, creative thinking ability and the ability of cooperation, but also improve the quality of primary and secondary information technology. As a new teaching resources,'micro-lesson' has some irreplaceable advantages and characteristics differed from traditional resources. This paper discusses the specific production and implemention process of micro-lesson in robot teaching in primary and secondary school. In the mean time,this paper proposes a "micro-class guided learning" teaching mode which can be applied as robotics teaching strategies. These practices are for solving those various difficulties faced by educational inadequate theoretical study such as the current shortage of domestic robot teaching resources and micro-lesson resource library, with some practical guidance value.

Micro-lesson; Intelligent Robots; Classroom Teaching; Resource Development; Teaching Mode

G434

A

1006—9860(2014)06—0107—04

* 本文系全国教育信息技术研究“十二五”规划2012年度重点课题子课题“微课在中小学机器人教育中的应用研究”(课题编号：123620577-0037)和广东省教育科学“十二五”规划2012年度教育信息技术研究课题“中小学智能机器人科技教育教学模式的构建与评价研究”(课题编号：12JXN011)研究成果。