创客视野下初中机器人活动模式设计研究

☆ 李梦菲

（河北师范大学信息技术学院，河北石家庄 050024）

创客视野下初中机器人活动模式设计研究

☆ 李梦菲

（河北师范大学信息技术学院，河北石家庄 050024）

随着科学技术的发展，创新能力已成为教育领域的热点话题。以机器人、3D打印为主的创客教育旨在培养学生的创新思维、动手能力以及其在学习过程中的合作能力，使其能够更好地适应社会发展的需要。文章基于创客教育的理念，结合现实基础，设计符合本地区实际情况的机器人活动模式，以促进创客教育在本地区的发展。备战机器人比赛的活动模式，可以极大地提高学生的学习兴趣和热情，虽然此模式带有一定的功利性，但在学校创客教育发展初期是一种可行的方式。笔者通过阅读文献设计出合理的活动模式，以期为想要开设机器人教育相关活动以及参加比赛的学校提供一定的借鉴和参考。

创客；创客教育；机器人；活动设计

一、创客教育的发展

由于美国的创客教育发展较早，受美国创客教育的影响，我国的创客教育在2012年前后开始迅速地发展起来。无论是国内还是国外，创客教育的发展主要经历了两个阶段：自下而上的发展阶段和自上而下的推动阶段。

（一）自下而上的发展阶段：社团影响政府

创客的发展最早起源于美国的DIY（Do It Yourself）文化，是社会中一些有创意、动手能力强的人们自发组织的社会团体，他们在一定的空间中通过不同且多样的设备将自己的创意想法变为现实。较为严格意义上的创客起源于麻省理工学院（MIT）比特与原子研究中心发起的以个人创意、个人设计、个人制造为核心理念的Fab Lab创新项目[1]。Fab Lab的最初灵感来源于Gershenfeld教授，1998年Gershenfeld教授在MIT开设了一门“如何能够创造任何东西”的课程，在这门课程中，没有任何创造经验的学生可以根据自己的创新想法，经过动手实践创造出很多产品，该课很快成为最受欢迎的一门课。Dale Dougherty等人在2006年积极举办Maker Faire，吸引了众多有创新意识的青少年参加。Maker Faire等创客活动受到了政府的高度重视，自此创客进入了政府的视野中。

随着Chris Andersen的《创客：新工业革命》在2012年出版，“创客”正式进入我国研究者的视野，一些经济较为发达的地区开始建立创客空间，如：上海新车间、深圳火柴创客空间等，北京、温州等地区的高校开始发展创客教育，自此影响了越来越多的人了解创客并加入到创客的队伍中来。创客教育倡导基于创造的学习，本身是指向全人发展的全人学习（Whole Learning）[2]，这一点也是我国教育发展的最终要求。社会、高校中创客教育的发展同样得到了我国政府教育部门的极大重视。

（二）自上而下的推动阶段：政府推动进一步发展

美国政府积极制定了推进创新教育的相关政策，以促进美国教育的发展。2009年，Obama在《创新而教育》（Educate to Innovate）报告中呼吁：“每一个学生都应成为创造者，而不仅仅是消费者”，美国政府已经开始认识到“创新”对于教育发展的重要性。2012年美国政府开始启动“创客教育计划”（Maker Education Initiative，MEI），该计划的主要目的是激发学生的创造天赋，培养学生的实践能力。2014年首次由美国政府牵头举办“创客嘉年华”活动，呼吁：“全体国民加入到激发创新和鼓励社区发明的行动中来”[3]，并规定每年的6月18日为“创客日”。美国在积极推进创客教育的同时，双轨并行的还有STEAM教育，联邦教育部同时启动了“改造计划”（MakeOver），该计划将在全美 K-12阶段的学校中建立更多的创客空间[4]，在现有教育的基础上，强调多学科的横向整合，重视合作学习，将创客教育的创新理念融入其中，加强各阶段学校同企业之间的合作，为学生提供更多实践的机会。

我国政府也制定政策来促进创客教育的发展。李克强总理在2015年的两会报告中提出了“大众创业，万众创新”的口号，特别是鼓励青少年开拓思维、勇于创新。2015年刘延东副总理在第二次全国教育信息化工作会议上强调，“要积极探索信息技术在创业大学+、创客教育、开发微课堂等方面的应用，着力提升学生的信息素养和创业创新能力，培养健康积极的网络文化，促进学生的全面发展。”[5]不仅是国家领导人在积极倡导创客教育、培养学生的创新能力，教育部也颁布了相关文件，从法律角度推动创客教育的发展，在《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见（征求意见稿）》中提到：要“探索STEAM教育、创客教育等新教育模式，使学生具有较强的信息意识与创新意识，养成数字化学习习惯”[6]，学生信息素养、创新能力的培养成为了当下教育的重点。从以上可以看出，创客教育将成为我国教育发展的主要趋势。

对比美国和我国的创客教育发展，两者的区别主要在于对创客教育中“创新”的理解上。国外创客教育中所提到的创新更多的是体现在学生能够使用各种工具来“创造”东西，重点培养的是创新的实践能力。我国创客教育同样重视学生动手能力的培养，但更多的还是强调培养学生的“创新思维”，这一点在“中国制造”到“中国创造”这一经济的政策倾向上也有所体现。

二、创客教育中的机器人

随着教育改革的不断深入，创新教育正逐步走向教育舞台的中央，更多的人认识到实践课程的重要性。随着创客教育理念的不断发展，学校的教育不再只重视学生理论性知识的学习成绩，更关注学生的动手实践能力。通过培养学生的实践能力、实际问题解决能力，使其能够得到更加全面的发展。近两年来机器人相关企业的迅速发展为学校开设机器人活动提供了可行的基础性条件。

机器人活动受到越来越多学生和家长的重视。与其他创客活动相比，机器人活动更容易被大家所接受。3D打印需要大量资金购入设备，设备需要达到一定数量才能满足众多学生的学习需求，除了资金投入外，3D打印所需的材料是易耗品，需要长期购置；切割、焊接等活动存在着一定的安全问题，不免会有一些家长担心。机器人在这些众多的创客活动中既不需要担心安全问题，资金也在学校可承受范围内，因为机器人的设备不需要购买太多，组装灵活，零件都可以重复使用，只需对其中部分零件定期增补即可。

三、以比赛的形式推动机器人教育的发展

近年来无论是全国性或是地域性的机器人比赛均发展迅速，为学生的机器人活动提供了展示平台，从社会活动的角度推动了机器人的发展。随着创客运动的发展，美国Makers Faire在2015年正式落地北京，“Maker Faire Beijing北京创客盛会”由美国《MAKE》杂志正式授权，成为国内最受欢迎的创客活动。在中小学阶段，由中国科学技术协会、中国科学院联合举办的中国青少年机器人竞赛（CARC），吸引了众多的中小学生参与。从实际情况来看，本地区的创客教育正处于起步阶段，受到应试教育的影响，机器人等创客教育很难与数学、语文等传统学科占据相同的地位，其在学校教育课程中的重视程度与音乐、体育等大体相近，所以很难设置相应课程。笔者通过对本地区进行调查了解到，只有少部分的小学将机器人课程、3D打印课程作为社会实践课程的一部分，类似于社会中的“课外班”，由企业培训人员进行指导。绝大部分初中的机器人活动主要依托各类比赛开展，因此以备战的状态开展机器人活动成为在初中推动创客教育的主要形式。

（一）机器人教育中存在的问题

抛开机器人教育发展的普遍不足，如：缺乏有经验的教师，机器人活动空间的建设需要得到学校的资金支持、企业的帮助等，当下机器人活动中仍然存在一些问题。

1.教材问题

教育体制内语文、数学等课程都有国家统一制定的教材，在学习的过程中不需要对学习内容进行挑选。但是机器人种类众多，每种不同类型的机器人都会有相应的教材，且同一类机器人教材也有不同版本，缺少统一的规定。如何挑选一种适合所有学生学习的教材显得至关重要。机器人本身强调的就是动手操作，如果学习所有类型的机器人，会给学生增加负担，在这种情况下，因材施教就显得更为关键，因此学生根据自己的兴趣能力选择不同类型的机器人进行学习是最合适的。这样使得学生对机器人的了解不是泛泛而谈，而是更有意义的深度学习。

2.通过动手实践，将创新思想转化为实物的问题

在开始阶段，学生的创新能力还是存在于潜意识中，不知道通过何种方式将其表现出来，因而会出现两种极端的情况：一是盲目地追求创新而忽略客观规律，这类学生思维活跃，且动手能力较强，在机器人活动的过程中表现异常兴奋，与其他同学交流经常会出现表达不清的情况，他们在动手实践时往往过分重视创意而忽略了客观的规律；二是没有想法也不动手实践，这类学生还没有明确的目标，在活动的过程中比较茫然，不知道从何下手，经常是以“群众”的身份看着其他同学。这两类学生的结果都是没有制作出自己的作品。

3.动手操作的实践类活动评价标准不统一

对于实践类的课程评价要兼顾过程性评价和总结性评价，过程性评价可以采用多元化的评价方式进行，同伴互评、自我评价等都是可接受的评价方式。总结性评价需要有一个合适的标准，这个标准可以通过量化的形式表现出来，类似于文化课中的期末考试。但在实际中并没有统一制定的机器人课程总结性评价。

（二）以比赛促进机器人教育发展的可行性

以比赛为前提的机器人活动可以同时解决以上问题。首先，学生按照比赛的规则和要求来学习机器人的相关知识，就具有了明确的学习目标和确定的学习内容。通常比赛都包含不同种类的机器人，在2017年即将举办的中国青少年机器人竞赛（CARC）中共有5项机器人比赛（机器人综合技能比赛、FLL机器人工程挑战赛、VES机器人工程挑战赛、机器人创意比赛、VER工程创新赛），每项比赛的侧重点不同，这就需要学生在准备过程中对某一知识进行重点掌握。其次，一般来说比赛都会设计一定的情境，这些情境通常是紧密联系实际生活并结合当下一些热点话题，可以激发学生的兴趣。此外，这些情境贴近学生已有的认知经验，可以成为学生创新思维的源泉，他们可以从现实生活中某一个经验入手开展头脑风暴，这样在机器人的组装搭建、程序编写方面就有了主要方向。2015年中国青少年机器人竞赛就以足球世界杯、嫦娥奔月等为情境来组织比赛，初中生特别是男生会对足球世界杯感兴趣，可以很容易地从世界杯的比赛中找到设计、编程的灵感。最后，从评价角度来看，比赛的得分标准经过大赛组委会严格制定，对所有学生都是公平的，具有一定的合理性，因此可以作为总结性评价的一个维度。

综上所述，以比赛的形式促进机器人教育发展是具有可行性的。

四、机器人活动模式设计

以比赛为前提的机器人活动具有明确的学习目标，是基于问题解决或任务的学习过程。整个活动过程以学习者为中心，他们完全掌握学习的主动权；教师是活动组织者、进度控制者，只起辅导作用。本文主要研究以比赛为前提的机器人活动如何开展，图1为开展机器人活动的主要流程图。

图1 机器人活动流程

整个过程分为前期、中期和后期三个阶段，准备前期主要是了解比赛的规则，是基础性的理论工作；准备中期是最重要的一个环节，如组装机器人、搭建模拟场地和程序编写；准备后期主要是测试实验，检验机器人的搭建是否合理、程序编写是否正确以及最后的完善工作。

（一）准备前期

这个阶段是由教师和学生共同完成，教师需提前了解比赛规则要求，同时给学生布置阅读比赛规则的任务。每个阅读任务至少有两名学生共同完成，找出比赛规则中的重点和疑点，由教师组织头脑风暴讨论会，在讨论会中学生要将自己负责的部分详细地介绍给其他学生。对于有疑问的地方，所有学生集思广益，共同找出解决方法并记录下所提出的解决方案，以待后续进行检验。

（二）准备中期

这是整个准备比赛过程中最重要的阶段。在这个阶段中需要小组协作、成员分工明确、协作交流才能达到最终的目标。小组中分为技术组和程序组，技术组主要负责比赛场地的搭建和机器人主体部分的组装，程序组主要负责编写程序。

技术小组要将头脑风暴中可行的方案逐一进行实验，从中选出最佳方案；程序组要将比赛的目标逐一分解成小目标，并对各个小目标进行程序设计，最后将所有的小程序合并成整个比赛所需要的完整程序。在开始阶段技术组和程序组的工作相对独立，只需要完成各自基本的工作即可。但是在后期，两个小组的交流尤为重要，程序组要将程序设计思想同技术组交流，技术组要对程序小组编写程序的可行性进行分析，他们同样可以提出自己组装机器人时的想法。技术组要将机器人的局部进行改进，使之能满足程序组的要求；程序组也可以改进程序，使已经搭建好的机器人的功能得到更好的发挥。

在这个过程中教师不会直接参与其中，而是采用彻底放权的方式，由学生自己主动探索、设计，教师只是负责监督活动的进度，对于学生遇到的瓶颈问题给予指点。

（三）准备后期

这个阶段主要是测试机器人的程序是否编写准确，进行迭代的模拟试验。在上一个阶段中，机器人的主要程序已经完成，在这个阶段要将机器人放到已经建好的模拟场地中实际操作。学生在操作中要认真观察机器人的运动情况，随时调整程序中的参数，对于出现的问题，所有成员要一起讨论。如果是由于机器人组装不适导致的，需要技术组进一步改进机器人；如果是机器人程序编写的问题，这就要求程序小组修改程序，两个小组协作共同完成比赛前的最后工作。

五、总结语

机器人比赛的增加为更多学生提供了多方面展示自我的平台，机器人比赛本身就可以促进机器人教育的发展。南方经济发达的地区无论是从经济实力还是教学制度上都能强有力地对机器人教育给予支持，但是温州等地机器人的发展模式在经济尚不发达、受应试教育影响严重的地区开展会存在很大的困难。结合本地区的经济发展情况来看，以参加比赛的形式来促进机器人教育发展是一种可行的方式，既不会大量地占用学生在语文、数学等理论性课程上的学习时间，也可以使学生充分利用课余时间来培养动手实践能力和创新意识。本研究只是进行了初步探索，实际的应用效果还有待进一步验证，希望能够给想要开展机器人活动的学校提供一定的参考。

[1][2]王佑镁,钱凯丽,华佳钰,郭静.触摸真实的学习:迈向一种新的创客教育文化——国内外创客教育研究述评[J].电化教育研究,2017,(02):34-43.

[3]The US.White House.A Nation of Makers[DB/OL].https://www.whitehouse.gov/nation-of-makers#section-engage/,2016-03-21.

[4]王志强,卓泽林.美国中小学创客教育的现状、理念与挑战[J].比较教育研究,2016,(07):27-31.

[5]教育部关于印发刘延东副总理在第二次全国教育信息化工作电视电话会议上讲话的通知[EB/OL].http：//www.moe.edu.cn/srcsite/A16/s3342/201601/t20160120_228489.html,2015-12-29.

[6]教育部办公厅关于征求对《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见(征求意见稿)》意见的通知[EB/OL].http://www.moe.edu.cn/srcsite/A16/s3342/201509/t20150907_2 06045.html,2015-09-02.

G434

A

1671-7503（2017）19-0041-04

[编辑：庄丰源]