我国中小学机器人教育的现状调查与分析*

钟柏昌，张 禄

(南京师范大学 教育科学学院，江苏 南京 210097)

我国中小学机器人教育的现状调查与分析*

钟柏昌，张 禄

(南京师范大学 教育科学学院，江苏 南京 210097)

为了解中小学机器人普及教育的现状，发现起步阶段存在的障碍与需求，为普及机器人教育提供建议与对策，该文借助第二届全国中小学机器人教学展评活动，开展了一次较大规模的调查。通过调查发现，机器人进课堂已成为一种令人期待的发展方向；开设机器人课程的适宜起点建议为四五年级和七年级；机器人教学内容与方法有待规范和改进；学生有喜欢机器人课程的充足理由；低成本的机器人品牌更受青睐；教育机器人市场正在形成，产品质量和市场格局有待变化。针对调查结果提出建议如下：做好顶层设计，建立课程体系；开展课程研究，探索有效教学；加强源头培养，强化教师培训；规范器材配置，建立机器人标准。

中小学机器人教育；教育机器人；开源机器人

近年来，随着国家基础教育新课程改革的不断深入实施，我国中小学机器人教育有了较快发展，其教育价值已逐步获得社会的认可，特别是《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》将培养学生的创新能力提升到了国家战略的高度，为中小学机器人教育的普及开展提供了新的契机。最近被社会各界广泛关注的创客空间与创客教育，其基本内容也是围绕机器人的设计与创作展开的，从而为中小学机器人教育提供了新的发展平台和外在动力。但是，作为一种具有鲜明时代色彩和技术特点的教育模块，以课程为载体开展机器人普及教育进展如何？面临何种困难？将走向何方？目前依然缺少相关的研究和统计数据。有鉴于此，我们以中国教育技术协会信息技术教育专业委员会主办的第二届全国中小学机器人教学展评活动为契机，在活动现场对来自全国各地的中小学信息技术教师和教研员进行了专门的问卷调查，试图就上述问题做出一些解答。需要特别说明的是，本问卷调查主要针对以课程方式开展的机器人普及教育，并不关注以机器人竞赛或课外兴趣小组方式开展的精英取向的机器人教育。

一、问卷设计与调查概况

为获得较为真实的一手数据，我们在问卷调查框架的设计方面，主要围绕机器人教学的现状、教师对机器人教学的认知两个方面展开，具体内容涉及六个部分：教师的基本情况，教师对机器人进课堂的态度，机器人教学的基本情况，学生对机器人的态度，教师对所用机器人的态度，对中小学机器人进课堂的意见和建议。问卷初稿设计始于2013年首届全国中小学机器人教学展评活动，后经多位专家的审阅修订，形成了多个版本，并经过了小范围试测，在确定所有问题不存在疑义的情况下形成最终的实测问卷。

问卷调查主要面向一线信息技术教师和部分教研员，调查对象为参与2014年5月第二届全国中小学机器人教学展评活动的教师代表，主要来自安徽、北京、广东、黑龙江、湖北、吉林、江苏、山东、四川、天津、浙江等地，总参会教师代表约350名，主要为小学和初中教师。本次调查共发放问卷250份(因同质化问题，未调查参与活动的一百多位嘉兴市教师代表)，收回问卷245份(其中教师215份、教研员30份)，有效问卷210份(其中教师182份、教研员28份)。教师基本情况如表1所示。

表1 教师(不含教研员)的基本情况

性别比例体现了参加本次活动的教师代表的整体性别比例，男性教师约为女性教师的2倍，表明性别差异较为突出，如何吸引和促进更多的女性教师参与到机器人的普及教育中来，还有很长的路要走。值得注意的是，亦有相当一部分乡镇学校的教师代表参会，他们对机器人教育的关注，将是未来落实机器人普及教育的关键一环，让乡镇和农村学生也有机会接触机器人技术是体现教育公平的一个重要方面。调查对象中也有一部分教师尚未在自己的学校开展机器人教育教学(含机器人竞赛或兴趣小组辅导)工作，但也积极参与了本次活动，有理由认为这些教师将成为机器人普及教育的潜在力量。

教师的专业背景显示，78.6%的教师有信息技术相关专业的背景(包括计算机、信息技术、教育技术、电子技术)，尽管有21.4%的教师毕业于教育管理、初等教育、小学教育、中文、数学、管理、国际贸易等其他专业，但相对整个信息技术教师群体而言，专业对口的情况较好。例如，根据2009年北京市教育科学研究院的调查表明[1][2]，小学信息技术教师中第一学历为信息技术相关专业的教师仅占12%，第二学历与信息技术相关的也只占到33%，而初中信息技术教师约为71%；又如嘉兴市教育科学研究院2010年的调查显示，全市信息技术相关专业毕业的小学信息技术教师仅占14.6%，而初中信息技术教师为79%[3]。

二、调查结果分析

(一)机器人进课堂成为一种期待，需要在困境中勇往直前

我国中小学机器人教育并非肇始于最近几年，有关机器人教育的实践可以追溯到2000年，北京市景山学校以科研课题的形式将机器人教育纳入到信息技术课程中，在国内率先开展了中小学机器人课程教学。2001年，上海市西南位育中学、卢湾高级中学等学校开始以“校本课程”形式进行机器人普及教育的探索和尝试[4]。随后，越来越多的学校开始了各具特色的机器人校本教育课程的实践探索[5-7]。但整体而言，国内基础教育领域有关机器人教育的现状，竞赛模式或兴趣小组模式依然占据绝对的主导地位，真正能接触到机器人的学生和教师相当少。这不仅浪费了教育资源，也有违教育公平。那么，机器人是否应该以课程的形式开设以便广大学生都有学习的机会？或言之，机器人是否应该进入课堂？我们需要倾听教师们的呼声。

调查发现(如下页表2所示)，认为每个学生都有必要(或非常必要)学习机器人课程的教师占被调查教师总数的83.8%，这可以作为上述问题的有力回应。也有相当一部分老师担心机器人进课堂的可行性，在影响机器人进课堂的主要障碍中，79.5%的教师认为机器人价格高，其次就是缺乏国家政策和课程标准(占51.4%)。我们认为这两个因素最为关键，前者涉及经济层面，后者涉及政策层面，如能解决好这两个问题，则相应的师资、课时和领导的重视程度都会发生质的变化。就机器人价格而言，随着近几年教育机器人产品的不断丰富和升级换代，实际上各大品牌机器人的价格都有大幅度的下降，大部分厂家都推出有每套1000-3000元的教育机器人产品。这对于某些经济条件较好的学校而言，已经有条件购买设备建设满足课堂教学的机器人实验室了，而对于那些经费不够充裕的学校，开源机器人Arduino的流行也提供了非常好的选择。例如，我们在温州中学开展的机器人教学实验，采用的就是开源机器人套件，基础套件每个价格约为500元，购置20套即可满足开班需要，而且可以充分利用现有计算机房，无需建设专门的机器人实验室[8]。相对而言，政策层面的问题已成为限制机器人普及教育的瓶颈。由于缺乏小学和初中学段的技术课程国家标准，机器人课程的定位、目标、内容、评价、课时都缺乏依据。当前一些学校开展的机器人进课堂的教学尝试，部分依赖于本省有省级课程纲要(如江苏)，更多的是以校本课程的方式开展，地方和学校的重视程度不够，开课的规范性不足。

在机器人课程开设方式方面，68.6%的教师认为应该以选修课的方式开设，也有29.5%的老师认为应该以必修课的方式开设。正如前述机器人进课堂可能面临的诸种困难一样，现阶段要普及机器人教育，统一用必修课的形式开展也许并非明智之举，尽管我们认为五年以后必修课也完全可能成为一种选择。当前的情况总是让人联想起上世纪八十年代人们对大规模开设信息技术课程的态度：缺乏自信和前瞻性。无论如何，鼓励有条件的地方积极尝试是必然的选择，无论选修还是必修[9]。

表2 对机器人进课堂的态度

(二)开课起点建议为四五年级和七年级，每学段宜开设一学期

调查显示(如表3所示)，在适合开设机器人课程的起始年级中，选择四年级或五年级的小学教师占总数的71.4%，而初中阶段，观点比较一致，选择七年级(初中一年级)的教师占80.4%。

表3 适合开设机器人课程的起始年级调查

在课时量方面，教师们的观点存在很大的分歧(如右表4所示)。小学段，选择最多的是9-12课时和17课时，均占28.6%；初中段，选择最多的是17课时，占总数的45.1%；高中段，选择最多的是34课时，占总数的50%。从课程开设的可操作性来看，义务教育段以每周1课时连续开设一个学期计算，总有效课时约为17课时，即，小学段和初中段以各开设1个学期的机器人课程为主流意见；而高中段以每周2课时连续开设一个学期计算，总有效课时约为34课时，与高中技术课程标准中简易机器人模块2个学分的规定一致。

表4 机器人课程的课时量调查

(三)机器人教学缺乏积淀，虽有尝试但尚待规范和改进

关于机器人教学层面的调查，主要涉及教材、教学方法、小组规模和教学评价(如下页表5所示)。从教材方面看，如同上文所述，由于大部分学校的机器人课程是以校本课程方式开设，故使用的教材多以自编教材(54.2%)为主或没有教材(占18%)。也有26.8%的教师使用了统一采购的教材，但通过访谈发现，所谓统一采购的教材也多是机器人厂家编写的类似产品说明书式的教材，缺乏精心的设计，有别于一般意义上的课堂教材。显然，这是缺乏课程标准的一种必然反映。

在教学方法层面，使用任务驱动法、讲授演示法、讲练结合法的教师分别占教师总数的70.8%、66.7%、52.8%，此三种方法亦是普通信息技术课堂所惯用的教学方法，但是机器人教学毕竟有其鲜明的特点。事实上，国外所广泛应用于机器人教学的方法是项目教学法和实验法，尤其项目教学法被很多教育者认为是非常适用于机器人教育的方法[10]，因其常常需要学生合作设计、构造和操控机器人项目作品[11]，但在我们的调查中，这两种方法的选用率仅分别为25%和29.2%。

有关多少学生共用一台机器人，有79.2%的教师选择了2-4人。对于机器人课程，必须强调的是，人手一台机器人设备并非理想情况，国外学者强调采用项目教学法的一个重要原因就在于强调学生的小组合作学习。已有研究表明，从合作解决问题的角度看，4人一个小组是推荐的小组规模，但是学生的参与性要低于2人一组或3人一组[12]。因此，从这个意义上说，机器人学习的小组成员控制在2-3人最为适宜。

从教学评价角度看，以平时上课表现(过程性评价)和作品评价(总结性评价)为主流，分别占70.8%和63.9%，只是上课表现究竟包括哪些内容不得而知；也有涉及竞赛成绩和书面考试等评价方式，但并无特别的评价方式出现。

整体而言，有关机器人的教学实践尚处于尝试摸索的初级阶段，虽然形成了一定的规模，但相关经验的积累和课程化建设依然有相当的提升空间，同样也亟待相关政策的指导规范。

表5 机器人教学问题调查

(四)学生有喜欢机器人课程的充足理由，但教师需要提供充分指导

机器人教学当然离不开学生的积极参与，那么，学生对学习机器人的兴趣、倾向和存在的障碍究竟如何？尽管本研究并没有直接调查学生，但是我们从教师的回答中依然可以找到一些可供参考的信息(如右表6所示)。

从学习兴趣的角度，如同我们的预期一样，有93.1%的教师认为学生对机器人感兴趣。这一调查结果很容易让人联想到有关中小学生对信息技术课的欢迎态度，例如，在2012年广东省教研室组织的全省信息技术教师问卷调查显示，63%的初中信息技术教师认为超过90%的初中生对信息技术课感兴趣[13]，81%的小学信息技术教师认为超过90%的小学生对信息技术课感兴趣[14]。不过，学生对信息技术课程感兴趣，历来被人诟病为仅仅是因为有机会上网或玩游戏。但是，机器人课程不一样，学生们并没有时间来做与学习无关的事情，因为有太多吸引他们学习的内容，他们喜欢上机器人课主要表现在如下几个方面：61.1%的教师认为学生喜欢的是编写程序与调试机器人，51.4%的教师认为学生更喜欢探究机器人的硬件组装，44.4%的教师认为学生喜欢探究机器人的功能，29.2%的教师认为学生喜欢创造有智能的人造物。

当然，机器人涉及多门学科知识，侧重动手实践能力，因此学习过程充满挑战性。整体而言，学生在学习机器人方面所遇到的障碍由大到小分别为：程序设计(占55.6%)、机器人创意设计(占38.9%)、机器人调试(占18.1%)、机器人工作原理的理解(占18.1%)、机器人造型设计(占8.3%)。可见程序设计和创意设计是教师在教学过程中需要特别注意的两个方面，前者涉及到与程序设计课程的衔接问题，后者涉及学生创造能力培养这一课程目标的达成问题。就各地开设机器人课程的基本做法而言，通常都有程序设计课程作为先导课程，但是55.6%的教师认为学生的程序设计存在困难，表明在程序设计的先导课程当中还缺乏程序设计基本思想和方法的训练，缺乏对编程知识和技能的可迁移性的引导。还需要说明的是，有关机器人的造型设计，实际上需要有较高的设计素养，有颇高的难度，之所以选择这一项的人数少，大概是因为所采用的机器人设备通常都是定型产品，或在教学活动中有现成的造型示例，学生只需要做局部调整，这种状况实际上制约了学生创造能力的培养。

表6 学生对学习机器人的兴趣、倾向和障碍

(五)应充分利用既有计算机教室，选用低成本的机器人品牌

机器人教育是否需要建设专门的实验室？从普及教育的角度看，能否充分利用现有计算机房？这是一个非常现实的问题，直接关系到是否需要追加大量的建设经费。显然，不同的机器人品牌对教学场所的要求是不一样的，调查显示(如下页表7所示)，使用乐高机器人的教师中有88.2%在专门的机器人实验室内进行教学，而且使用乐高机器人的教师中有94.1%的人认为机器人教学需要专门的实验室，可见乐高机器人非常依赖专门的机器人实验室。相对而言，使用中鸣、纳英特、紫光和诺宝机器人的教师中这一比例有所降低，分别为61.5%、37.5%、50.0%和50.0%，但是认为需要专门实验室的教师也分别高达92.3%、75.0%、75.0%和100%，可见，整体而言，这些品牌机器人对机器人实验室的依赖性较强。与之相反，目前日渐受到一线教师欢迎的Arduino开源机器人，不仅价格低廉，而且可以很方便地利用既有计算机房开展教学，在被调查的使用Arduino机器人教学的教师中，均没有建设专门的机器人实验室，同时有80.0%的教师认为将来也没必要使用专门的机器人实验室。

表7 机器人教学环境调查

在适合课堂普及教学的机器人价格的调查中，我们采用的是填空填写价格的方式获取调查数据，然后将所填数据归一整理成7个价格档次，如表8所示。在被调查的91人中，认为适合课堂普及教学的机器人价格在1000元左右及以下的占总数的65.9%，2000元左右及以下的占总数的86.8%，可见这两个价格档位具有较佳的现实可行性，相关价位的机器人品牌最有可能占据更大的基础教育市场份额。

表8 适合课堂普及教学的机器人价格

(六)教育机器人市场正在形成，产品质量和市场格局有待变化

作为一个随机的抽样，我们要求当前从事机器人教学的教师回答其所选用的机器人品牌。统计表明，目前市场占有率较高的有乐高、中鸣、纳英特和Arduino，分别占25.7%、19.7%、12.1%、7.6%(如表9所示)。我们期待随着相关技术的不断发展，Arduino等低成本机器人的市场份额能逐步扩大。

教师对其当前使用的机器人的满意度调查中，使用乐高和开源机器人的教师对机器人的满意率均为100%，使用纳英特和仿真机器人的教师对机器人的满意率也分别占到62.5%和60.0%，而其他品牌的满意率较低。通过开放式问题的调查发现，使用乐高和开源机器人的教师之所以满意，主要原因集中在以下几个方面：机器人套件有配套教材，且质量较好；机器人套件配件丰富，能满足学生的创意需要；机器人套件的接口、组件设计较好，便于搭建各种造型；机器人套件材质好，不易损坏；机器人套件中的编程环境易于使用。使用中鸣、诺宝和紫光的教师不太满意的原因与上述指标正好相反。可见，这几个方面的质量指标是机器人厂商需要重点关照的方面。

表9 教师对所用机器人的满意度

三、建议与对策

多数被调查者对机器人普及教育充满期待，在调查中也有不少教师和教研员提出了自己的一些意见和建议，结合上述调查结果，我们认为，要在中小学普及机器人教育，如下几个方面值得关注。

(一)做好顶层设计，建立课程体系

机器人教育，如果只是依靠竞赛或兴趣小组的方式，可能永远只能局限在少数学校的少数学生当中。在当前的教育体制下，机器人要课堂普及，必须在国家课程体系中占有一席之地。比如说，在信息技术课程当中作为一个重要的组成模块，在时间序列上形成小学、初中、高中相互衔接的机器人课程体系，在横向联系上，与程序设计、物理、数学、通用技术等课程内容合理整合、相互支持。可见，这里牵涉到机器人普及教育的顶层设计问题，顶层设计好，才能规范课程开设的目标、内容、课时、教材、师资等与课程配套的相关要素，否则，正如调查中所反映出来的问题，课程内容五花八门、学段之间衔接不畅、教师缺少专业培训、教材质量缺乏保障等，无法得到有效改善。

(二)开展课程研究，探索有效教学

机器人课程究竟可以给学生带来何种基础教育价值？已有研究普遍认为，机器人有着广泛和重要的教育价值。例如，Khanlari指出机器人是改进21世纪技能的有效工具，有利培养学生的创新能力、合作能力、自主学习能力、交流能力、社会和跨文化技能，以及社会责任感。McGill的研究则表明，机器人课程能够对学生学习编程产生积极影响[15]。又如，台湾地区梁耀东的研究表明，机器人课程有利于促进小学生数学科目的学习成效[16]。显然，这些研究结论都令人鼓舞。但是，从课程核心思想的角度，基础教育的机器人课程究竟应该包含哪些重要思想，应该传递给学生何种思维品质？已有研究并不充分或太过宏观。另外，教学方法方面，尽管项目教学法是一种可取的方法，但是因课程性质的差异，机器人课程中的项目教学与一般意义上的或其他课程中使用的项目教学必然有所不同，例如从动手操作的角度看，如何在项目中进行分工协作，如何让小组成员都得到合理的锻炼，如何合理安排课时经历一个较为完整的项目设计过程，都缺乏细致的研究和成功的经验。

(三)加强源头培养，强化教师培训

相比传统信息技术课程，机器人课程对教师的要求更高，不仅体现在对机器人本体知识的掌握方面，而且体现在其教学方法的差异。更重要的是，机器人课程是一种典型的综合课程而非学科本位的课程，需要卷入科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、数学(Mathematics)等多门课程知识，而且，它还是创客教育的主要阵地，需要教师自身具有一定的创意设计和整合能力，对教师的素质要求要高于传统的信息技术课程，对于当下的信息技术教师而言，颇具挑战性。此外，对口培养信息技术教师的大学专业，如教育技术、计算机技术、信息技术等相关专业通常都没有设置机器人专业课程，这些毕业生缺乏机器人方面的专业培养与训练，在他们从事中小学机器人课程教学时，又缺少专业的职前培训，常常只能通过自学才来获得必要的知识和技能，直接影响了机器人课程的师资力量和质量。因此，一方面需要呼吁相关高校专业能在课程方案设置方面做出适当调整，满足基础教育的新需求；另外一方面，基层教育部门应该联合高校力量和企业力量，提供针对性的机器人师资培训，为机器人课程的开展提供有效的师资保障。

(四)规范器材配置，建立机器人标准

相比其他课程包括传统的信息技术课程，机器人课程对设备具有显著的依赖性，且不论不同厂家对产品质量的控制缺乏统一的技术标准和功能标准，单就机器人的构成要素而言，不同厂家的机器人产品不仅外观呈异，而且从控制芯片、传感器、数据接口等均有很大差异，若不规范，则课程内容体系的统一设计将无从谈起。因此，制定教育机器人的准入标准，是解决机器人普及教育的重要配套措施之一。准入标准不仅要统一相关术语，统一机器人的最低技术标准，而且应该要求机器人产品必须能够满足机器人课程教学的需要。当然，准入标准应是一个体系化的东西并具有一定的弹性，没有必要做一刀切的划分，这一方面源于不同学段使用的机器人对元器件的封装程度和功能需求不同，另一方面，也应该鼓励不同厂商不同品牌的多元发展和良性竞争，扩大学校用户的选择面，避免被个别国际品牌所垄断。有受访教师特别提出，教育机器人无需追求先进功能，满足教学需求即可，实际上这也是机器人普及教育与竞赛模式的重大区别，是降低机器人成本提高性价比的一个重要基点，在这一方面，Arduino开源机器人无疑具有性价比的优势，而且有统一的国际标准，有相对成熟的产业链和大量的机器人套件或延伸产品的开发商。

[1][2]北京教育科学研究院基础教育教学研究中心.北京市信息技术学科八年级教师调查报告[R].北京:北京教育科学研究院基础教育教学研究中心,2009.

[3]浙江省嘉兴市教育科学研究院.嘉兴市2010年小学信息技术学科教学质量专项抽测与调研报告[R].嘉兴:浙江省嘉兴市教育科学研究院,2010.

[4]张国民,张剑平.我国基础教育中机器人教育的现状与对策研究[J].现代教育技术,2008,(5):92-94.

[5]王小根等.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):100-106.

[6]曾祥潘.步入开源硬件智能机器人教育时代[J].中小学信息技术教育,2012,(1):76-78.

[7]张嘉志,王同聚.3D仿真虚拟机器人——普及机器人教育的新途径[J].中小学信息技术教育,2010,(6):95-96.

[8]钟柏昌.“四位一体”的中小学机器人教育框架设计[J].教育研究与评论(技术教育),2014,(4):52-58.

[9]钟柏昌.中小学普及机器人教育可行吗[J].中小学信息技术教育,2014(1):41.

[10]Beer R., Chiel, H., & Drushel R. Using Autonomous Robotics to Teach Science and Engineering[J].Communications of the ACM,1999,42(5):85-92.

[11]Khanlari A. Effects of Robotics on 21st Century Skills[J].European Scientific Journal,2013,9(27):26-36.

[12]Johnson, David W., & Roger T. Johnson. Making Cooperative Learning Work[J]. Theory into Practice,1999,38(2):67-73.

[13][14]广东省教育研究院教学教材研究室.广东省初中信息技术蓝皮书[R].广州:广东省教育研究院教学教材研究室,2012.

[15]McGill, M. M. Learning to Program with Personal Robots: Influences on Student Motivation[J].ACM Transactions On Computing Education,2012,12(1):1-32.

[16]梁耀东.乐高机器人在国小数学教学的应用[D].屏东:屏东教育大学硕士论文,2010.38.

钟柏昌：博士，副教授，硕士生导师，研究方向为信息技术教育、教育研究方法、教育技术学基础理论等的研究(zhongbc@163.com)。

张禄：在读硕士，研究方向为机器人教育。

2015年4月7日

责任编辑：李馨 赵云建

Investigation and Analysis on Robotics Education in Chinese Primary and Secondary Schools

Zhong Baichang, Zhang Lu
(School of Education Science, Nanjing Normal University, Nanjing Jiangsu 210097)

In order to reveal the current situation of robotics education in primary and secondary schools, discover its development demands and obstacles, and provide some suggestions and countermeasures to promote it, we did a survey in the second national exhibition and evaluation on robotics teaching in primary and secondary schools. The results indicate: making robotics into class have become a new expectation; grade 4 and grade 7 are the appropriate starting point for robotics education; the teaching content and method need to regulate and improve; there are enough arguments for students to like and study robotics; the low-cost robotics is suggested; the market of educational robotics is forming and maturing. Some suggests are followed: making top-level design and building robotics curriculum system; researching robotics curriculum and exploring effective teaching; training teacher and improving the quality of teachers; regulating equipment configuration and formulating educational robotics standard.

Robotics Education in Primary and Secondary Schools; Educational Robotics; Open Source Robotics

G434

A

1006—9860(2015)07—0101—07

* 本文系国家社科基金教育学青年项目“多平台、跨学科、聚类化、重创造的中小学机器人教育研究”(项目编号：CCA130133)的阶段性研究成果。