基于创客理念的青少年机器人教育模式探究与实践*

孙 苗，兰晓红，杨 豪

（重庆师范大学 计算机与信息科学学院，重庆 401331）

一、引言

机器人教育涉及系统结构、电子技术、自动控制等多领域的交叉学科知识[1]，对于培养学生的科学技术素养和创新实践能力具有重要的意义。通常所说的机器人教育，是指学习机器人的基本知识与基本技能，或利用教育机器人优化教育教学效果的理论与实践[2]。而机器人教育模式是指在一定教学思想理论的指导下，所建立起来的具有可操作性、较为稳定的教学活动框架和程序，是经验与理论之间的一种具有可操作性的简化的知识系统和结构[3]。

在国外，机器人教育很早就已经被提及了。早在1994年麻省理工学院就设立了“设计和建造LEGO机器人”课程(Martin)[4]，目的是提高工程设计专业学生的设计和创造能力，这是机器人课程进入到大学课堂的一个标志。相对于美国，日本的机器人发展稍微晚一些，但是日本作为后起之秀在机器人产业方面已经赶超了很多科技比较发达的国家。而这一成果得益于他们从一开始就对机器人教育、以及全民机器人文化的提升的高度重视。在国外，特别是经济和科技发展相对领先的国家，机器人教育是各级教育部门所关注的热点问题，而且至今为止，机器人教育发展约有20多年的时间，在不断的探索前进的过程中，目前主要支持机器人教育事业发展的理论基础为建构主义学习理论，采用基于问题与项目的学习方式。

我国机器人教育虽然起步较晚，但是发展也很迅速。近年来我国的机器人教育逐步成为中小学科学技术课程和综合实践课程的良好载体。国家教育部于2003年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]。除了WER、VEX、世界机器人大赛等竞赛之外，中国电子学会于2015年推出了“全国青少年机器人技术等级考试标准”[6]。由此可以看出，国家对机器人教育非常重视。但是机器人教育作为教学内容进入中小学，目前还处于起步阶段。多数学校都以校本课程和兴趣小组的形式开展机器人教育[7]，缺乏规范的课程标准和教学模式。

目前，虽然机器人教育逐步成为我国教育中不可缺少的一部分，但是我国青少年机器人教育仍然存在一些问题，其中主要包括：过分关注机器人竞赛本身[8]，没有规范的教育模式；缺乏专业系统的机器人教育相关教材和师资，大多是以产品说明书或用户指南式的方式进行机器人教育；过分依赖一些公司生产的产品和套件，但是由于机器人制造厂商较多，价格昂贵，各产品又互不兼容；机器人教育只是在我国一些经济条件相对较好的城镇得到关注和推广，没有在大范围得到推广和普及。因此本文通过学习借鉴国外开展机器人教育的先进理论以及教学方法，结合我国中小学生的特点，构建了一个以培养学生科技创新和动手实践能力为目的的青少年机器人教育模式，力求为我国机器人教育的发展提供参考。

二、设计理念

美国和日本机器人教育发展较早，美国最早提出STEM 理念，STEM 是 Science、 Technology、 Engineering、Mathematics四个英语单词首字母的组合，STEM教育是科学、技术、工程和数学的教育[9]。旨在培养孩子的综合素养，从而提升其全球竞争力。近期加入了Arts[10]，也就是艺术，变成STEAM[11]。STEAM是一种教育理念，有别于传统的单学科、重书本知识的教育方式，它是一种超学科重综合和实践的教育理念[12]。因为任何一件复杂事情的完成，都不仅仅只靠一种能力，未来需要的是综合型人才，因此STEAM教育对青少年机器人教育尤为重要。

创客这个词最早也起源于美国，是一群通过自己的努力，把自己的创意转化为现实的人，他们在这个过程中运用了非常多的创新精神[13]。2012年继美国率先把“创客空间”引入小学教育以来，创客教育已经成为全球推动教育改革、培养科技创新人才的重要内容[14]。目前，创客教育是我国引进的新型教育模式，在中小学教育体制中，可以弥补传统教学模式中对中小学生创新和动手能力培养方面的不足之处，提高学生的科学素养和创新实践能力。

基于此，在了解到国内机器人教育的发展状况以及存在的问题并对其作了总结的基础上，从真正培养机器人教育的创新人才出发设计教学模式。我们以兴趣为导向，采用趣味化的设计，将STEAM和创客教育理念有机结合，利用二者的优点，将五大学科知识有效整合，以项目为中心构建一套适合当代青少年发展的机器人教育模式。该模式在教学内容和形式上采用STEAM理念，将多方面学科知识进行有机整合；在教学的具体操作和实践过程中强调创客教育理念，让学生在动手实践过程中将创意变为现实作品，即实现“造物”。具体的设计理念主要包括以下五点：

1.以兴趣为导向

青少年机器人教育的前提是要以兴趣为导向，采用趣味化的设计方式，注重在学生实际动手操作中融合理论知识的学习，无形中让学生既学习理论知识，又能够增强学生动手实践能力，体会到学习的快乐，真正做到做中学，学中乐的教学目的，从而让学生产生兴趣并逐步体验到学习的快乐，课程内容的安排和设计要突出趣味性和实用性而不是采用死板的知识平铺直叙。在学习过程中，以学生为中心，老师为引导者，激励学生自己动手动脑思考，自主设计模型，尽量让学生按照自己的想法去做，培养创新学生的自主创新能力。

2.STEAM教育相关课程整合

将STEAM教育中涉及的科学、技术、工程、数学、艺术五大学科重要知识点进行有机整合穿插到课程的教学内容中，例如在学习跷跷板制作的时候，首先利用跷跷板模型结合理论给学生讲解等臂杠杆的基本物理知识，在学生心中构建起等臂杠杆知识结构，然后让学生根据自己喜好搭建不同风格的跷跷板，最后学生通过介绍自己的作品加上老师评价和学生互评，进一步加深学习内容的理解。课程主要运用STEAM教育理念，讲解一些理工科知识和艺术审美思想，让学生掌握多方面的知识，提高学生的综合素质。

图1 设计理念图

3.以项目为中心的创客教育理念

遵循创客教育理念，每次课程教学以项目为中心，让学生通过运用已有知识和新学的知识，自己动手完成一项作品，让学生体会在玩中学，学中做的乐趣。每次项目的安排遵循青少年的认知规律、由浅入深的进行，同时采用任务驱动法，为课程每个环节设置问题和任务，做到以任务为明线，以培养学生的知识和技能为暗线，以教师为主导、学生为主体[13]。在完成具体真实的“任务”过程中，学习相应的知识和技能，同时学生在解决和完成任务的过程中不断获得成就感，从而更好地激发他们的求知欲并逐步形成一个认知、情感活动的良性循环，培养勇于探索、开拓进取的学习精神。

4.团队协作精神

当今社会专业化分工越来越细，仅靠一个人的力量很难完成一项工作，团队间的配合、分工尤为重要，只有有效的分工和精湛的技能，才能高效地完成任务。我们的课程所有项目和实验都是以小组为单位共同完成，每个小组3～5人，讨论选出1名组长，负责团队整体布局，包括人员的分工和汇总，小组成员各自负责一部分的任务。以WER比赛为例，比赛每队由2人组成，选出1名作为组长，根据自身能力和兴趣，1个人主要负责调试程序、1个人主要负责安装更换硬件，只有两个人合理的配合，才能在3分钟的时间完成更多的任务，获得更高的分数。在每次项目完成过程中，通过小组成员间不断的磨合，可以增强团队的凝聚力，同时为学生以后的发展打下了良好的基础。

5.不指定器材

目前，机器人竞赛有很多项目都指定了某些机器人厂商生产的器材，这种限定器材的方式，一方面导致参与机器人竞赛需要投入的费用过于昂贵，另一方面限制了学生们自由发挥的余地。因此，我们所提倡的是无论教学，还是去参加机器人类的比赛都应该不指定器材，尽量使用价格便宜，且容易买到的器材。不指定器材，并不是说就不需要器材，机器人教育的实践离不开相应的器材。我们可以鼓励学生学会自己去发现生活中有用的“器材”，比如可以用生活中废弃的易拉罐做机器人的身体，可以在淘宝等网站上自己购买需要的器材等。

6.渐进式的教学体系

每个项目的安排遵循青少年的认知规律、由浅入深的进行，并建立渐进式的教学体系。教学体系主要包括六个层次：空间想象和积木搭建、基本机械原理和硬件电路、软件编程学习（学习用图形化软件编程控制硬件传感器）和3D打印学习（通过自主设计，然后打印实现）、软硬件知识的综合应用与实践、专业化机器人（人型、车型机器人）的学习和设计、人工智能和机器学习等深层次的知识学习（设计制作真正服务生活的机器人）。学生先从空间想象和积木搭建基础知识学起，循序渐进过渡到人工智能和机器学习等知识，最终达到与大学学习接轨，做到人才培养一体化模式。同时每个项目采用“任务驱动”教学法[15]，为课程每个环节设置问题和任务，以富有趣味性、能够激发学生学习动机与好奇心的情境为基础，以与教学内容紧密结合的任务为载体，使学习者在完成特定任务的过程中获得知识与技能。注重的不是任务最终取得的成果，而是要使学生在完成具体真实的“任务”过程中，获取知识、技能及解决问题的方法，同时学生在解决和完成任务的过程中不断获得成就感，从而更好地激发他们的求知欲并逐步形成一个认知、情感活动的良性循环，培养出勇于探索、开拓进取的学习精神。

图2 渐进式教学体系图

三、模式构建

1.教学环节模式构建

在整个机器人教育的教学过程中所采用的模式是以问题或者任务为主线，以项目为中心，以合作探究为展开方式的“三位一体”的青少年机器人教学模式。以问题或者任务为主线是指课前老师给学生提供问题和学习资源，让学生带着问题先进行自主学习；课中主要是学生动手实践去完成任务，在此过程中不断地去发现问题并解决问题；课后对问题进行总结和反思，发现新的问题和任务。以项目为中心是指在整个课程的设计和教学环节中，都是以项目的形式展开的，每次课围绕一个项目主题展开，同时把项目的完成情况作为形成性评价的主要指标。合作探究指的是小组成员通过合作探究完成任务的小组学习方法，每个小组有1名组长负责整个小组各成员的分工和工作进度把控，各小组成员合理搭配、协调合作共同完成项目任务，在这个过程中可以培养学生的团队意识、合作精神和集体荣誉感。

“三位一体”的青少年机器人教学模式构建的主要环节流程如图3所示。教学模式建立遵循以兴趣为导向、STEAM和创客教育、不指定器材和渐进式教学的设计理念，具体模式流程包括：

图3 “三位一体”的青少年机器人教学模式图

第一环节：“情境引入”。教师创设情境，可以通过播放项目学习相关的视频或者做游戏的方式来吸引学生的眼球，增强学习的趣味性，然后提出问题；学生感知情境，产生兴趣，思考问题，带着问题进入具体的实践——观察。

第二环节：“项目提出”。教师对项目进行简单介绍，通过项目实物演示，提出学习任务；学生通过观察和思考，明确任务并熟悉任务。

第三环节：“知识讲解”，这是重点和难点环节之一。先让学生观察，近距离接触，实际动手操作一下实物，小组通过讨论，派出一名代表上台谈谈他们的发现，教师对学生的表现作出评价，形成良好的互动交流，再对项目实物各部分原理进行介绍和要点剖析，主要是讲解STEAM教育中涵盖的多学科知识，包括机械结构、电子逻辑和编程等知识，学生接受新知并自觉进行观察反思。

第四环节：“动手操作”，这也是重点和难点环节之一。教师此时要遵循创客教育理念（玩中做、做中学），让学生自主动手学习和创造，把自主权完全交给学生，以观察引导为主，当看到学生有不能解决的问题时进行适当引导；学生通过教师提供的资源和工具动手操作，在实践中观察与反思，相互讨论，以小组为单位团结协作共同完成项目任务，在此过程中学会合作与创新。

第五环节：“评价应用”。完成项目学习后，每组会派出一名学生上台解说自己组的作品，哪些地方跟老师的作品不一样，做出了哪些创新，实际操作遇到哪些问题，展开一次全班性讨论，既可以相互学习，又可以增强学生之间的交流能力。然后教师对课堂内容和学生的实操表现进行总结分析，对学生的完成情况进行点评，并提出一些新的问题引发学生的思考，培养学生的发散思维；学生对本课的知识与前面所学知识形成渐进式知识体系，通过学生间的互评和自评深化对知识的理解，并在课后运用新知，展开实践和应用。

2.“四个一”能力培养模式构建

在整个机器人教育的教学过程中采用的是“三位一体”的青少年机器人教学模式，与此同时，想要培养具有创新创业能力的人才，还要坚持“四个一”能力培养模式。该模式是以学期为单位，每学期至少完成“四个一”的内容要求，具体内容如下：

（1）参加一套专业实训

每学期组织学生参加一套专业实训，其目的是对本学期主要内容进行综合系统培训，把所学知识基本上整合到一个项目中，老师会为学生提供几个项目作为参考，同时鼓励学生在老师的帮助下自主设计一个项目。组织学生进行实操训练，实训后让学生撰写实训报告。培养学生的专业能力，激发学生创新精神。

（2）参与一个竞赛项目

每年，科协、电教和教育机器人公司都会组织各种各样的中小学机器人竞赛，针对较高年级或者低年级中学习内容掌握比较好的学生，鼓励他们自己组队或者由教师建议组队报名参与中小学机器人竞赛。同时，我们也遵循创客教育理念，针对竞赛项目对学生进行专项培训。学生们通过参与竞赛的某一个项目可以培养学生的竞争意识和团队协作能力，同时通过赛场间选手的竞争学习可以快速提升学生的个人素质。

（3）参加一次等级考试

2015年，中国电子学会启动了面向青少年 （6-18岁）级别的机器人技术等级考试（包括一～六级）项目，得到各地教育主管部门和中小学校的热情响应。创客理念的青少年机器人教育模式与全国青少年机器人技术等级考试对知识技能的要求基本符合，学生只需要考试前几天针对性学习、训练，完全可以轻松通过考试，不会额外增加学生的学习负担。基于此，我们每学期鼓励学生报考机器人技术等级考试，考试结果可以作为衡量本学期学习成果的一项指标。

（4）完成一份满意作品

基于创客理念的青少年机器人教育模式最终目的就是让学生独立完成一份满意的作品，检验学生的学习成果。在每学期末，要求学生运用每学期所学知识和技能，独立完成一份作品，并撰写作品技术说明后提交，教师对每个作品进行打分，对每一份作品作出点评，特别优秀作品在全班进行展示并放进专有的收藏箱进行收藏，以满足以后学生学习的需求。

3.“互联网+”配套资源包

我们构建的青少年机器人教育模式，除了“三位一体”的课堂教学模式和“四个一”能力培养模式，还结合“互联网+”开发了配套的学习资源包，包括线上和线下学习两种方式。线上学习主要通过在我们开发的手机APP软件、微信公众号和专业网址提供学习资源给学生进行学习，同时线上还有老师定时在线答疑和辅导。只要有网络，在手机或者电脑上就可以随时学习，在线上不仅可以观看已有的视频、文本等资源，同时可以下载学习，还可以对每天的学习任务进行分类管理，也鼓励学生将自己的创意随时上传，在线上与老师或者同学进行实时互动交流，还会获取相应的学习币。线下学习主要是通过查阅我们提供的与课程同步配套的教材、教案、PPT，还可以观看课程的项目作品微课视频，实现课前快速预习和课后及时巩固，加强学习效果。

四、教学案例

本文选取3期课程《新空城计》中的《城池巡逻车》作为教学案例，对构建的课堂机器人教学模式进行分析。本课程主要适合小学中高年级学生（以小学三四年级居多），我们目前试点应用的学校主要是重庆师范大学附属小学。

学情分析：本课教学所面对的是小学中高年级组学生。他们的特点是好奇心强，注意力易分散，抽象思维尚未完全建立，但思维活跃。在前面的学习中，学生们已经掌握了一般机械结构的组成，掌握了一些基本的电路知识，并对图形化编程环境有一定了解。

教学目标：①初步学习小车的机械结构和搭建；

②理解电机驱动车轮转动原理；

③理解火焰/障碍传感信号对电机的运动控制关系；

④学习电机控制小车不同转动方向运动的编程方法。

课堂教学过程：

环节一：情境引入

教师播放古代士兵夜间巡逻场景，画面中出现仍然有一些隐秘的火源没有被及时发现的场景。请同学们想一想在现代我们怎么通过高科技手段及时发现火源呢？要通过什么传感器来检测周边信息呢？

学生回答：通过传感器检测、火焰传感器......

环节二：提出项目

教师：本节课我们要制作一个自动城池巡逻车，可以通过火焰/障碍传感器有效监测周围信号，并发出警报。（板书：城池巡逻车）

环节三：知识讲解

教师：从机械知识、电子知识和编程知识三个方面对本节课的要点进行讲解。

环节四：动手操作

教师：告诉学生需要准备的原料，本次课需要的原料主要有：控制器1个、USB连接线1个、1分3连接线3个 （1个输入和2个输出连接线）、火焰/障碍传感2个、电机 2 个；梁（1×15）4 个、梁（1×12）2 个、轴一个、轴套6个、大轮胎2个，滑轮1个、颗粒方块若干。

学生：先把原料准备好，然后通过自主观察和思考，按照图片进行搭建。（图4是截取的《城池巡逻车》中搭建过程中关键部分的示意图，这里不做详细说明）最后把编写好的程序，通过USB连接线下载到控制器中，看看巡逻车的运动情况，并进行程序的调试。

图4 搭建过程

环节五：评价应用

教师：对课堂内容和学生的实操表现进行总结分析，对学生的完成情况进行点评，并提出一些新的问题——学生能否利用今天学到的知识，自己设计一个寻迹小车，引发学生的思考，培养学生的发散思维；

学生：对本课的知识与前面所学知识形成渐进式知识体系，通过学生间的互评和自评深化对知识的理解，并在课后运用新知，展开实践和应用，制作一个自己设计的小作品。

五、结语

我国机器人教育起步较晚，机器人课堂教学模式还没有成熟的经验可以借鉴。本研究以培养学生兴趣为导向，把STEAM和创客教育理念有机融合，将相关学科知识进行内容整合，并遵循“玩中做、做中学”的创客教育理念，构建了一套适合青少年机器人教育的模式。该模式从三个方面推进机器人教育的发展：一是“三位一体”的课堂教学模式；二是“四个一”能力培养模式；三是“互联网+”配套资源学习包。但是，难免会有一些不足之处。我国中小学机器人教学的理论与实践探究和完善，是一个复杂而漫长的工作，还需要教育机构、中小学学校、机器人厂商和一线教师等多方面的共同努力。

[1]吴秀凤,陈奕贤.STEM 理念下中小学Arduino机器人教学模式研究[J].福建电脑,2015(5):105-109.

[2]吴金菊,杨丰秋.基于三案三段教学模式的机器人教学探究[J].中国教育技术装备,2013(5):5-8.

[3]刘琼.中学生机器人教育模式设计与应用研究[D].石家庄：河北师范大学,2011:11.

[4]王益,张剑平.美国机器人教育的特点及其启示[J].现代教育技术,2007(11):108-112.

[5]侯娟.学校机器人教育现状与思考 [J].软件导刊(教育技术),2016(12):85-87.

[6]全国青少年机器人技术等级考试网 [DB/OL].http://www.robotest.cn/article/content-2.html.

[7]王小根，张爽.面向创客教育的中小学机器人教学研究[J].现代教育技术,2016(8):116-121.

[8]刘淑云,马燕,范文翔.创客理念下师范院校的机器人教学模式探究[J].现代教育技术,2016(7):120-126.

[9]吕延会.STEM教育的核心精神 [J].当代教育科学,2017(5):16-19.

[10]Sabochik K.Changing the Equation in STEM E-ducation[EB/OL].[2015-02-08].http://www.whitehouse.gov/blog/2010/09/16/changing-equation-stem-education.

[11]李小涛,高海燕,邹佳人,万昆.“互联网+”背景下的STEAM教育到创客教育之变迁——从基于项目的学习到创新能力的培养.[J].远程教育杂志，2016(1):28-36.

[12]马玉龙.STEAM愿景下的综合实践校本课程开发 [J].基础教育参考,2017(3):38-39.

[13]童卫芳.创客教育与STEAM 教育的融合与创新 [J].吉林教育,2016(29):156.

[14]卢海燕.“创客式教育+SPOC”模式下大学英语校本课程的设计[J].现代教育技术,2017(3):93-98.

[15]吴军其,刘 萌.“任务驱动”法在高校翻转课堂中的应用研究——以“网络教育资源设计与开发”课程为例[J].现代教育技术,2015(9):58-64.