基于微课的中小学机器人教学模式研究与实践

杨海漩，杨德刚

（重庆师范大学 计算机与信息科学学院，重庆4013311）

一、引言

微课（Micro-Course，Micro-Lecture）是近几年教育受“微时代”发展所驱动和催化的直接产物，受到教育工作者的广泛关注。历史进入21世纪，社会生活的各个领域正在发生着深刻变化，网络技术和通讯技术的发展催生了新的媒介生态环境[1]。自 2000年以来，为贯彻《2001—2005年中国青少年科学技术普及活动指导纲要》和《全民科学素质行为计划纲要（2006-2015-2020年）》，由教育部、科协等部门举办的全国中小学电脑制作活动、全国青少年机器人竞赛等蓬勃发展[2]。

中小学机器人教育在实际教学的过程中遇到了很多困难，例如：教学器材昂贵、没有体系化的课程标准和科学完整的教材、缺乏专业的指导老师等。机器人教学没有成熟的教学模式，因此本文将微课与中小学机器人教育相结合，设计了一套完整的教学模式并进行了实验教学，将该教学模式应用于中小学机器人教育当中有利于实现推广与发展中小学机器人教育的目的。

二、微课与中小学机器人教育相结合

1.国内外机器人教育发展现状

国外的机器人学科教学起步较早:在1994年麻省理工学院 (MIT)就设立了“设计和建造LEGO机器人”课程 (Martin)，目的是提高工程设计专业学生的设计和创造能力，尝试机器人教育与理科实验的整合[3]。

我国教育部于2003年4月正式颁布《普通高中技术课程(实验)标准》，首次在“通用技术”科目中设立了“简易机器人制作”模块，它是基于计算机技术的学习平台、将机械传动与单片机的应用有机组合的一个选修课程模块[4]。2003年,国家教育部把中小学机器人比赛纳入“全国中小学电脑制作活动”；同时普通高中新课程也将“人工智能技术及简易机器人制作”列入选修内容[5]。

2.重庆地区中小学机器人教育现状调查

我国中小学机器人教育的发展史并不是很长，最早可以追溯到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[6]。目前开展中小学机器人教育的模式可分为学校教育和校外教育。本研究抽样选取重庆地区73所中小学 （其中中学44所、小学29所）进行有关机器人教育调查，调查结果显示（截至2016年10月）59.01%的中学开展了机器人教育相关的课程，44.83%的小学开展了机器人教育相关活动。调查结果如图1、图2。

根据调查结果虽然显示大多数中学都开展了机器人教育，但是其开展的主要形式基本上为参加各类机器人竞赛。由于器材场地经费等因素的限制开设了机器人课程的学校多集中在中发达城市，偏远地区的一些乡村学校几乎没有开设该课程。与相对滞后的学校教育相比，校外培训机构则发展较快且主要授课对象为小学生。在国内，近年来也出现很多模块化机器人教育品牌例如：makeblock、维度积木、中鸣机器人等。中小学机器人培训机构虽然相对于学校教育发展稍好，但总体的普及度还是较低。

图1　重庆地区中学开展机器人教育情况

图2　重庆地区小学开展机器人教育情况

本研究针对机器人校外教育进行了调查研究，我们将白市驿童乐村少年培训中心作为调查研究的对象统计了机器人培训课程以及其他课程学生学习情况。统计结果见下表1：

表1　白市驿童乐村少年培训中心学习情况调查表

《2016年地平线报告（高等教育版）》中指出宾夕法尼亚州立大学GRASP实验室的研究生和导师们正在帮助费城学区中学的数学和科学教师创造课程单元[7]。在专业人才培养方面，北京师范大学智慧学习研究院成立了机器人教育工程中心致力于培养从事机器人教育的专业人才。重庆师范大学机器人创新实验室开展了一系列有关中小学机器人教育的研究工作与实践活动，但没有正式设立这一专业。除此之外其他高等院校很少有专门开展中小学机器人教育研究与人才培养工作。

3.微课与中小学机器人教育相结合的优势

“微课”（或者称为“微课程”）的定义是：“微课程”是指时间在10分钟以内，有明确的教学目标，内容短小，集中说明一个问题的小课程[8]。

将微课与中小学机器人教育相结合可以提高学生的学习效率、节省师资、便于学生进行个性化学习，也有利于中小学机器人教学在全国范围内的推广与普及。

将教学资源做成微课，除了学生学习之外，一方面在一定程度上解决了教师培养的问题，另一方面也解决了家长专业知识缺乏无法指导孩子的问题。

三、基于微课的中小学机器人教育教学模式的构建

中小学机器人教育要求学习者的动手操作能力较强，鼓励学习者主动进行探索寻求解决问题的方法，培养学生自主探究的能力，激发学生的创造性思维。结合微课应用于教学的优势与中小学机器人教育的特点，本文设计了基于微课的中小学机器人教育的教学模式，此模式主要有五个部分组成：学习者分析、教学目标、学习内容、学习过程、教学评价。其中最为重要也是本教学模式的核心是教学过程的设计，它结合了机器人教学的特点设计了“情境体验”、“自主探究”、“学习反思”、“归纳总结”四个部分，同时还利用微课进行课前课后的学习。具体教学模式见图3：

图3　基于微课中小学机器人教育教学模式

1.理论依据

由于中小学机器人教育多具备动手操作的特点，基于微课平台的中小学机器人教育教学模式的构建的理论依据主要是建构主义。建构主义学习理论强调以学生为中心,不仅要求学生由外部刺激的被动接受者和知识的灌输对象转变为信息加工的主体、知识意义的主动建构者;而且要求教师要由知识的传授者、灌输者转变为学生主动建构意义的帮助者、促进者[9]。基于建构主义的教学模式有多种，最典型的代表是支架式教学和抛锚式教学，由于中小学机器人教育强调学生的创新思维和动手探索能力，我们采用抛锚式教学。

抛锚式教学要求建立在有感染力的真实事件或真实问题的基础上。确定这类真实事件或问题被形象地比喻为“抛锚”,因为一旦这类事件或问题被确定了,整个教学内容和教学进程也就被确定了[10]。

2.教学目标

结合三维目标来进行教学目标的制定：知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观。知识与技能方面要求学习者通过微课视频自学相关内容，了解和掌握知识点例如：案例机器人的搭建、程序的编写与调试、模型的设计等。过程与方法主要采用任务驱动法和头脑风暴法，区别于传统课堂教师采用的讲授法，通过任务驱动法和头脑风暴法可以让学习者更好地学习掌握机器人这一门课程。情感态度与价值观要求通过学习激发学习者学习机器人的热情，培养团队的合作精神。

3.实现条件

首先需要用于播放微课资源的设备，例如：电脑、平板、手机等。同时有些课程还需要准备教学所用到的器材：机器人搭建材料、调试器、USB连接线等。

其次需要教师为学习者创建一个学习平台不仅能够下载学习资源、教学材料，还需要完善的教学体系。

4.程序操作

首先进行学习者特征分析，通过分析学习者特征制定相应的教学计划。基于教学者需要制作教学微课，微课视频的制作有多种工具例如PR、EDIUS、会声会影等。前期的准备工作包括制定计划、收集资料、制作PPT或动画（视情况而定可以不用）等。录制好微课后上传教学平台供学习者下载学习，根据学生的反馈对微课进行适当的修改。其次教师需要对学习者进行指导并对其学习进行评价。

学习者首先下载微课教学资源进行学习、操作，将问题和遇到的困难进行整理与同学讨论或者向教师请教。

5.教学评价

采用师生互价、师师互评的方法对学习者、教师、微课资源进行评价。首先要对学习者的学习情况和知识的掌握、应用、实践等方面进行评估；其次教师之间、学生对教师的教学理念、教学方法、教学反思等方面进行评价；学习者和教师对微课资源的课程设置、知识点的讲解、教学形式等进行评价。

四、微课与中小学机器人教育相结合的教学模式实践

本研究依托重庆师范大学计算机教学实验示范中心（重庆市重点示范中心）机器人创新实验室，实验室配置了工业机器人教学演示套件、WER机器人竞赛包、青少年机器人教学套件包以及 Arduino、Scrach、makeblock、树莓派等平台及相关教学资源，可以为中小学生提供实践平台，培养学生创新实践能力。机器人创新实验室不仅与学校合作还与企业合作，实验室与公司联合在重庆市设立多个小学生机器人培训点。本研究选取九龙坡青少年机器人培训基地和白市驿青少年机器人培训基地两个培训基地的学生作为实验对象并对其学习过程和结果展开研究。

我们基于此教学模式设计了一系列微课教学课程——《Mblock编程教学系列课程》。本实验以《Mblock编程教学系列课程》作为教学内容，通过实验对照法来比较基于微课的教学模式和传统课堂教学模式的教学效果。

实验对象均为小学生，年龄在8—12岁之间，实验对象都经过一段时间的培训对机器人课程有一定的了解掌握了基本的知识如：硬件的搭建以及软件Mblock的基本操作。基于微课的中小学机器人教学模式本研究以《Mblock声音指令——小猫弹钢琴》为例设计了教学方案。

1.教学目标

知识与技能：了解Mblock软件输入输出程序，了解声音指令各个模块的功能，掌握利用声音指令播放声音并且设计乐器的方法。

过程与方法：能够主动探索寻找解决问题的方法并提出解决方案。

情感态度与价值观：通过学习激发学习者学习机器人的兴趣调动学习的积极性，使学习者明白团队合作的重要性，培养学习者自主学习的能力。

2.操作程序

首先根据教学目标设计教学方案，准备素材制作微课视频。微课视频主要介绍Mblock软件中声音指令各个功能模块的功能与作用，整个教学内容围绕教学案例“小猫弹钢琴”展开教学，主要内容：

（1）演示小猫弹钢琴程序，教学者在电脑键盘上按键操控动画里的小猫弹奏《两只老虎》；

（2）提出问题如何利用Mblock制作乐器；

（3）打开Mblock新建项目演示制作键盘钢琴的程序过程，让学生了解软件如何制作乐器，设计播放声音场景程序，运行并且保存程序；

（4）布置任务让学习者根据自己的喜好，设计属于自己的乐器控制程序，能够弹奏一首简单的曲子，运行效果并且保存程序、运行程序。

教师将制作好的微课资源上传，学习者下载Mblcok软件后在教学平台上观看视频进行学习。

3.实现条件

硬件：电脑一台(教学者)，电脑、手机、平板等微课观看设备；

软件：Mblock，cs8.0，WPS 等。

4.教学评价

针对本教学模式共设计了学习者学习情况评价量表、微课课程评价量表、学习者学习情况自我评价量表三种评价量表。教师通过分析评价量表，有助于了解学习者的学习情况、及时调整教学策略及教学方法、调整微课课程设置。

《小猫弹钢琴》主要的教学内容是程序的编写，除了程序的编写在中小学机器人教育中还有硬件的搭建。我们为了得到科学、准确、全面的实验结果，从多方面验证微课的教学效果，还选取了一节硬件搭建课程——蓝牙小车将其制作成微课。蓝牙小车所用到的主板是Makeblock Orion，是一个基于Arduino Uno针对教学用途，升级改进的主控板，它拥有强大的驱动能力，输出功率达18W，可以驱动4个直流电机。它设计的色标体系用于主板与传感器模块的连接，Makeblock通过不同的传感器模块进行功能的实现，Orion主板有8个独立的RJ25接口，可以实现电路连接，非常方便学习者使用。Makeblock主板Makeblock Orion、模块蓝牙模块以及蓝牙小车搭建完成图见图4：

机器人教育微课课程《Mblock——小猫弹钢琴》和《Mblock——蓝牙小车的搭建》制作完成后，我们进行了教学实验。本研究将学生分为A、B两组，实验组的学生通过微课进行课程的学习，对照组进行传统课堂授课。为了尽量排除其他因素的干扰影响实验结果，我们将教学实验分为两个部分：首先，将A组学生作为实验组，B组作为对照组学习课程《Mblock——小猫弹钢琴》；然后，B组学生作为实验组，A组作为对照组学习课程Mblock——蓝牙小车的搭建》。教学实验共进行了4个课时，我们统计了学习相同内容学习者所花费的时间。结果如图5：

实验结果表明学习者学习同样的知识点，通过微课学习完成设定目标学生学习时间为30到40分钟，传统课堂教学则需要90分钟左右。利用微课学习可以缩短学习时间主要是因为传统的课堂教学需要照顾到大部分学生的学习进度造成教学时间增加，而利用微课学习完全按照自己的学习进度来学习。

图4　蓝牙小车主板、蓝牙模块及搭建完成图

图5　学习时间对比图

实验完成后我们通过访谈法对实验对象的学习情况进行了调查，95%的学习者在没有教师帮助的情况下通过微课学习可以完全掌握相关知识点。并且90%以上的学习者认为学习进度的调整这方面相比于传统课堂教学更喜欢利用微课学习，可以按照自己的学习情况来学习。

通过实验可以得出结论：基于微课的中小学机器人教学模式具有可行性，并且相比于传统课堂教学利用微课学习在一定程度上可以提高学习机器人课程的学习效率。有利于学生进行个性化学习，更重要的是节省了教学资源，降低了学习成本，有利于实现资源共享。

五、结束语

本文针对中小学机器人教学的特点与微课应用于教学的优势将两者结合，构建了基于微课的中小学机器人教学模式。中小学机器人教育并不等同于贵族教育，我们通过教学实践不断对教学模式进行修改和完善，本文希望能够为我国的中小学机器人教育提供一种切实可行高效的学习模式，为学校提供行之有效的教学方法、为教师提供广阔的交流平台、为学习者提供优质的学习资源，能够为推动中小学机器人教育发展做出贡献。

参考文献：

[1]祝智庭,张浩,顾小清.微型学习——非正式学习的实用模式[J].中国电化教育,2008,(2):15-18.

[2]张祺,李杭州.中小学机器人教育的问题与对策[J]教育信息技术,2014,(2):5-6.

[3]张剑平,王益.机器人教育:现状、问题与推进策略[J].中国电化教育,2006,(12):65-68.

[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.2005（18）:92-94.

[5]教育部《普通高中物理课程标准 (实验)》[M].北京：人民教育出版社,2003:30.

[6]钟柏昌.中小学机器人教育的困境与突围［J］.人民教育,2016（12）:52-55.

[8]黎加厚.微课的含义与发展［J］.中小学信息技术教育,2013（4）:10-12.

[9]金慧,刘迪,高玲慧等.新媒体联盟《地平线报告》(2016高等教育版)解读与启示[J].远程教育杂志,2016,(2):9.

[10]何克抗.建构主义的教学模式、教学方法与教学设计[J].北京师范大学学报（社会科学版）,1997（143）:76.