机器人创客教育与大学生创新能力培养

杨 帆 ，伍永豪 ，余正红

（1.武汉科技大学城市学院 信息工程学部，湖北 武汉 430083；2. 武汉外语外事职业学院 信息技术学部，湖北 武汉 430083）

0 引 言

“十二五”期间，教育部在“高等学校本科教学质量与教学改革工程”中，启动了“高等学校创新能力提升计划”“基础学科拔尖学生培养试验计划”和“大学生创新创业训练计划”，支持大学生参与创新活动，早进课题、早进实验室、早进团队[1]。但是大学生基础理论教学与创新能力培养之间确实很难平衡，其主要问题如下。

（1）基础理论知识与行业前沿技术之间的权衡。坚实的理论基础对于提高基本素养和创新能力无疑非常重要，行业前沿技术也需要不断深入研究，但是大学生的精力是有限的，如何既能夯实理论知识基础，又能跟上行业前沿技术，是高校需要思考的问题。

（2）创新课程体系不系统、不完备。高校目前比较重视大学生的创新能力培养，但往往依靠实验课程培养，或设置一门或几门创新课程，没有形成完备的课程体系，如何创建完备的创新课程体系，需要关注。

（3）传统教学方式不利于大学生创新思维的发展。现有的教学内容一般以教师准备的教材或建议的参考资料为主，没有给学生充分的自主思维空间。此外，学生的知识面窄，缺乏对各类知识的整合，实践动手能力相对较差，难以很好地适应社会，从而影响了学生的就业与创业能力。如何改变教学方式，值得思考。

那么，如何解决上述问题呢？以机器人创客教育为契机培养大学的创新能力是一种有效的解决办法。

1 机器人创客教育定位

1.1 什么是机器人创客教育

机器人创客教育包含机器人教育和创客教育，其中机器人教育需要深入理解机器人技术、机器人行业发展状况、理科工科知识的融合等[2]，而创客教育需要激发学生的创新意识，提高学生创新能力[3]。但机器人创客教育并不是简单拼凑机器人教育与创客教育，需要研究它们之间的融合。

本文定义“机器人创客教育”为：以机器人研究、教学和竞赛为载体，通过综合各学科知识培养大学生的创新意识、创新思维和创新能力，最终让每一位大学生凭借创新能力实现就业或创业。

1.2 机器人创客教育与创新能力培养之间的关系

通过对国内外科技产业发展与布局的分析，可以得出一个结论：机器人创客教育是目前解决大学生创新能力培养的有效途径，主要原因有如下几方面。

（1）机器人创客教育符合国家战略趋势。美国近几年一直强调制造业回归，其核心之一就是机器人；德国率先提出“工业4.0”，其支撑点之一也是机器人[4]；《中国制造2025》战略规划了一张清晰的有关未来机器人发展的路线图[5]。因此，培养机器人领域的创新型人才对于我国智能制造和产业升级至关重要，甚至可能在制造领域实现弯道超车。

（2）机器人创客教育为大学生能力培养提供了巨大的发展空间。在培养学生技术能力方面，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，代表着现代高新技术发展的前沿；在培养学生综合能力方面，创客教育可提升学生整合资源、策划方案、演讲表达等方面的综合能力。

（3）机器人创客教育为大学生就业与创业提供方向。国家已经在机器人产业的区域、创新领域、标准制定、产品认证、基础研发等方面进行了布局。在这个背景下，国家对机器人产业的人才需求量非常之大，培养机器人方面的技术人才是顺势而为，为机器人产业输送专业人才。

2 机器人创客教育需要解决的问题

关于机器人创客教育与大学生创新能力的培养模式，虽然可以借鉴以往的部分教育经验，但在实践中存在一些问题。因为前期缺乏对机器人创客教育定义的理解，引发许多疑虑，加上师资的匮乏与课程的缺失，现有的机器人创客教育沦为了设备的展陈与宣传，缺少真正的实践与成果[6]。笔者认为，目前机器人创客教育亟须解决的问题是跨学科融合、学习环境、师资培养以及学习方式。

1）跨学科融合。

机器人创客教育涉及的学科门类较多，集合了科学、技术、工程、艺术、数学等多门学科。它与传统课程以学科进行条块分割的方式不同，更注重学科之间的融合，突出灵活运用多学科、跨学科创造性解决现实问题的能力。跨学科面临最大的困难是如何整合现有课程，如何引导这些课程与创新课程相融合，如何将创客教育分化到真实情景的学习中。

2）学习环境建设。

机器人创客教育的学习环境不能再局限于教室，应该是一个可以聚会、社交、合作的平台。学习环境面临的困难是地点选择、学习环境的建设标准、学习环境的差异化。

3）师资培养。

教师在学生的创造性学习过程中处于“隐形”地位，不再起主导作用，而是启蒙学生的创新精神和创业意识，并在学生的创造性学习过程中及时答疑解惑、指明方向。师资问题的困难是现有师资无法承担创新课程。怎样培养机器人创客教育师资，可以尝试引进校外企业在学校开展创客教育。

4）学习方式选择。

机器人创客教育学习方法多样化，强调以项目为依托，将学生置身于机器人创造的真实情景之内，以问题为导向、以学生为主体、以团队之间的互动实现问题解决和知识分享。学习方式的困难在于如何选择合适的学习方式，让教师、课程与平台为学习服务；如何让学生充分利用真实问题，积极实践操作，调用各学科知识与技能解决问题。

3 机器人创客教育模式

根据上节的分析，机器人创客教育侧重于大学生创新能力的培养，其教育模式的设计应有别于传统模式，新教育模式更关注学生知识融合能力、问题解决能力和创新创造能力的培养，这3种能力概括起来就是3个字——“融、做、创”。机器人创客教育模式见图1。

将“融、做、创”的思想贯穿整个机器人创客教育模式的设计过程，教学资源分析、教学活动设计、教学评价设计3个教学模式环节设计如下。

3.1 教学资源分析

创客教育资源主要包括教学目标、学生、教学环境、教师情况等。

图1 机器人创客教育模式

研究明确的教学目标，这个教学目标既要关注显性的“知识与技能目标”，也要重视“态度与价值观目标”等隐性目标，更关键的是要能将这些显性和隐性的教学目标转化为可操作的教学行为。

研究学生，充分考虑学生的理论知识基础、实践能力、阅读能力、理解能力，考虑学生的性格特点，才能设计出更符合学生实际的学习活动。

研究教学活动环境，教学活动环境建设方案的设计既要符合行业前沿，又要利于教学活动，考虑建立可随机器人行业风向变化的不断更新的教学环境。

研究教师情况，机器人创客教育对教师自身的能力要求非常高，除了研究教师团队的现有知识结构外，还需要研究教师知识体系迭代更新的培训方案。

3.2 教学活动设计

创客教育理念指导下的教学活动设计既关注学生的设计过程体验，又重视学生的创作能力培养。基本能力的培养是表达想法的基础，而创新思维又是基本能力的升华。教师要在活动过程中引导学生按照“观察—模仿—微创新—原创”的梯度发展。

观察：问题来源于生活，观察生活、各行业的需要，如根据家务、物流、服务等方面的需要，设计主题教学活动，如以物流机器人为主题。

模仿：确定主题后，教师启发学生查找资料或互相讨论以找到解决问题的方法。

创新：利用学生想法的差异，设计创新方案。

3.3 教育资源开发

在教学活动中，学生要能借助机器人和编程等信息技术手段将想法迅速转变为原型或模型。因此，教师需要为学生的学习提供支持，辅助他们顺利转化创意。

主题学习资源的开发：为了激发学生的兴趣，教师需要准备与主题相关的多媒体资料，方便学生快速融入学习情境 。

学习支架资源的开发：基于创客教育理念的机器人教学期望学生能完整地体验设计和制作的全过程，亲历设计和创造，用机器人套装和程序对接现实世界的各种真实功能。这时，需要教师开发设计记录表等支架资源。

学习活动环境的创设：最大化满足学生主题活动的要求，如桌椅、资料、硬件设备等。

3.4 效果评价

效果评价是创客教育最后一环，是学生参与主题教育活动的一种激励机制。评价机制是在效果评价的设计中，教师需依据知识与技能测试结果、作品评价结果、展示与汇报表现以及机器人设计记录表对学生和教学做出综合评估。

4 机器人创客教育模式的实施

学校已建成机器人创客教育基地，教育基地根据上节提出的机器人创客教育模式，从培养学生3个方面的能力（知识融合、解决问题、创新创造，即“融、做、创”）出发，按学生能力逐步进阶的步骤实施。

（1）搭建机器人创客教育的跨学科融合空间。在学习空间搭建之初，积极组织管理人员和部分教师到北京、深圳、武汉等地的本科院校、机器人企业以及职业技术学院调研，对机器人行业发展情况以及各院校的教学情况做了正式调研。

根据调研报告，立足独立学院的本专科学生特点，组织教师制定了明确的、合适的机器人创客教育学习目标。

吸收国内外机器人创客教育的经验，依据机器人行业发展趋势，教师撰写了适应机器人创客教育的课程体系，构建了线上线下互通的融合空间。

（2）设计适应机器人创客教育的教学方案。教学方案包括跨界学习及知识融合方案、创客活动方案、创客基地运营方案。

跨界学习及知识融合采用研讨式学习模式，学生和教师以团队形式合作，因为学生和教师来自不同领域，只能从解决问题的角度进行探讨。

以活动促发展是创客基地的基本方案，创客活动以项目或竞赛为导向，创客团队分成小组，分别申请或参与国家级、省级或市级机器人相关的科研项目，也可参与各类机器人比赛。

创客基地的运营需要吸纳知识和背景广泛的教师，吸收和积累各种社会资源，包括资金。每一个机器人研究项目最终要转化成产品，孵化出创业公司，甚至上市。

（3）设计合理的机器人创客教育评价机制。与传统教育评价机制相比，机器人创客教育难以评价，学校机器人创客基地设计的评价体系尽可能地体现合理、公平及公证。该评价体系主要包含4个维度：机器人项目展示、团队协同工作的能力、产品的技术成熟度、项目的经费资助额度或融资额度。

机器人项目的展示工作是创客教育的重要组成部分。展示过程中，学生阐述为达到某一成果而经历的思考过程。主要考察展示过程的完整性、逻辑性、创新型等，并予以不同的评价分。

团队协同工作的能力评价主要考虑组织能力、工作效率、纪律性、默契程度等方面，并给予不同的评价。

产品的技术成熟度，项目组的创新产品由创客基地教师进行评价，分成5级技术成熟度：1-3级成熟度的项目为预研项目，4-5级成熟度项目可考虑与企业合作生产产品或融资。

项目的经费资助额度或融资额度，通过教师审核的创新项目均可获得创客基地的少量经费资助，也可申请市级、省级、国家级项目经费资助，或者获取社会融资，根据额度的高低予以不同层次的评价分。

5 结 语

本文明确了机器人创客教育的定位，调查国家机器人产业的发展战略以及对创新能力的需求，理清了机器人创客教育与大学生创新能力培养之间的重要关系，深入挖掘了机器人创客教育面临的问题，从学生的知识融合能力、复杂问题问题解决能力和创新创造能力3个层次设计逐步提升学生能力的教学模式。目标是研究一种新的教育模式，以主题活动教学为主线，在机器人教育中融合创客精神培养的空间和方向，重构面向创客教育的机器人教学模型，设计机器人教学框架，让学生参与机器人创客教育的全过程，进行创新、创造甚至创业，从而全面提升大学生创新能力。