中学机器人社团教学的框架构建研究

赵悦芳 秦健 上官林 陈亚茹

摘   要：目前，机器人教育的相关研究日渐增多，但大多都是以理论研究为主，如何让其落地、真正切实地实施起来是一个值得研究的问题，需要教师在实践中不断探索总结。研究发现，不少学校不知道如何在学校系统地实施机器人教学，本文作者在查阅相关文献的基础上，以自己在M中学所带的机器人社团课为例，结合自己的社团实践经验，构建了机器人社团教学体系框架，以期为学校开展机器人教学提供经验。

关键词：能力风暴机器人;机器人教学;社团;任务驱动法

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2019）07-0041-05

一、引言

当今时代，机器人技术不断发展，机器人教育方兴未艾。2018 年3 月1 日发布的《美国机器智能国家战略》中提到，机器智能可以融入课堂教学，为学生提供个性化的学习体验，并提升教师的教学效率与学生的学习体验。[1]国务院副总理刘鹤在2018年世界机器人大会上指出，机器人是当前科技变革的最重要领域之一，将对人类社会的生产模式和生活方式产生深刻影响。百年大计，教育为本，他提出要大力加强教育，培养更多机器人领域发展所需的人才，努力提升国民教育水平，适应机器人时代的新要求。学校是培养人才的重要基地，我国的机器人教育大多在中小学开展，学校机器人教育的开展可以提高学生的问题解决能力、沟通交流能力与团队协作能力，通过创意、搭建、编程、分享来不断认识并探索知识，以促进学生全面发展。

二、机器人教学现状

机器人教育近年来发展迅速，备受关注。如何开展机器人教育也成为人们讨论的热点话题。目前，随着各类机器人竞赛的开展，许多学校相继开展了机器人教育。笔者在中国知网上以机器人教学为主题进行检索，获得相关文献并对其进行分析。

1.机器人教学总体发展趋势

从图1的总体趋势看，我国的机器人教学发展可分为两个阶段：①2000年到2011年为起步发展期。2000年，机器人教学研究的主要是单片机控制的示教机器人。[2]2003年，教育部颁布的《普通高中新课程标准》明确将“简易机器人制作”列入中小学选修课程内容。[3]随着机器人比赛和国家政策的推动，机器人教学研究开始发展起来。②2011年到2018年为快速发展期。2011年，《基础教育信息技术课程标准（2012 版）》就信息技术课程中的机器人教育有清晰的规定，明确提出将小学信息技术课程拓展部分的模块二设置为“机器人入门”，初中信息技术课程拓展部分的模块二设置为“机器人设计与制作”，庞汉平等将通用技术中的“智能机器人”与信息技术科目之一的“算法与程序设计”进行融合，为机器人教学提供了新的研究视角。[4]

2.机器人教学类型

随着国家政策和机器人比赛的推动，中小学机器人教学不断发展。笔者根据查阅到的资料以及对教师的访谈发现，目前中学主要通过机器人教学来进行机器人教育，且多以机器人社团和兴趣小组的形式开展，机器人教学可分为机器人常规教学和机器人竞赛两类。

（1）机器人常规教学

随着人工智能和机器人领域的不断发展，机器人以新的教育载体走入大家的视野，一些学校积极探索，教育部也颁布了相关条例来推动机器人教育，促進学生的全面发展。2000年，北京景山学校创办智能机器人小组，将机器人内容纳入信息技术教学中，率先在国内开展了智能机器人教学;2003年，教育部颁布《普通高中·技术课程标准（实验）》将机器人以选修三“简易机器人”的形式纳入通用技术模块中;2017年12月教育部印发《普通高中课程方案和语文等学科课程标准（2017年版）》在通用技术课程中增加了“机器人设计与制作”模块，涉及计算机、程序设计、传感器等。这些大都以培训班的形式开展，主要以讲授法和任务驱动法为主，学校多以购买器材，在信息技术或者物理学科教师的指导下进行教学，学生进行机器人搭建和编程的学习，同时使机器人在教学中起到辅助的作用。

（2）机器人竞赛

机器人竞赛也是中小学开展机器人教学的形式之一。现在多种机器人竞赛，如世界机器人大赛青少年设计类赛事、FLL比赛、WER比赛等。这些竞赛都有自己的竞赛主题、规则和需要配备的器材。教师根据竞赛任务，给学生上课，以便学生可以完成竞赛所规定的任务。这些竞赛情境性很强，一下给学生以代入感，比如足球机器人赛事;FLL“饮水思源”，这样的主题可以与学生生活发生联系，让学生更有兴趣去学习。学生通过竞赛设置的任务来学习机器人相关知识，并且比赛多以团队形式开展，在这个过程中可以培养学生的问题解决能力、合作交流能力，提升自己的创造力。可以让中小学生提升自己的科技素养。但这种竞赛一般需要配有相应的场地和器材，学校耗材太大，不利于一般学校开展，而且学校参加比赛，会有名额限制，学校出于各种原因，选择的都是很优秀的学生，这种培优的竞赛模式，难免会挫伤剩下学生参与机器人学习的信心。

笔者认为，机器人教学完全融合两种教学形式的优势，以日常教学为主，在日常教学中融入竞赛式的主题，以项目式学习为主，会提高学生的参与度，活跃课堂气氛，也给教师搭建了一种教学模式，使之可以在教学时有理论依据，从而形成机器人教学的一种风格。

3.机器人教学的开展方式

学校课堂形式多样，如何把机器人引入学校来开展教学是多数学校考虑的问题。目前，在学校教育环境中，我国机器人教学的形式主要有两种：①依附于信息技术课程中的机器人教育模块来推进实施;②以社团或兴趣班的形式对学生进行相关的特长培养。近年来，随着创客、STEAM、人工智能的发展，很多学校陆续开始尝试将机器人教育设置成专门的课程来进行独立的讲授与学习。

三、机器人社团教学的框架体系构建

机器人教育因其自己的特色，使机器人教学在开展过程中具有特殊性。社团活动作为学生课外兴趣的学习形式，对学生的成长很重要。机器人社团是一种广为接受的学校机器人教学形式之一，有自己的优势：第一，有利于提高教学质量。它不是传统的班级授课制的课业学习，而是多以硬件为载体、软件为依托，结合小班教学的理念，以小组合作的形式展开，教师在课堂中起到一个指导者、协调者的作用，可以关注到每个学生在课堂中出现的问题，并有针对性地加以解决。第二，可以加深学生对自己的认知。在这个过程中，教师去了解学生，发现每个学生的优势，个性化地给以指导，帮他们更好地认识自己。第三，可以提高学生的自我效能感。平时学习不好的学生在社团活动中找到自信，以促进自己平时文化课的学习，帮助他们健康发展。

机器人教学的开展是学校开展机器人教育的重要途径，多数学校不知如何在本校开展机器人教育。笔者结合访谈和查阅相关文献，根据自己将近一年的机器人社团教学经验，构建了如图2、图3所示的社团教学框架体系。整个框架体系包括两大部分：一是社团活动关系，二是社团活动过程模式。

笔者结合自己的教学实践经验提出的机器人社团活动模型总体包括前期准备活动、日常教学活动以及社团展示活动3大部分。最底层是前期准备活动，它是整个活动开展的基础，只有做好了前期准备，后面工作才可以展开。中间是日常教学活动，这个是整个活动图的中心，也是我们社团活动开展的重要环节。最顶层是社团展示活动，它是对一个学期的社团教学以及学习效果的总结，可以说是对社团的总体评价。这三个活动是逐渐递进但又相辅相成，共同促进了整个社团活动环节的完整性。如图2所示。

图3展现了整个社团的运行过程。前期准备活动是整个社团活动的开端。有线上线下两种形式。线下，首先要根据招募要求，在学生自愿的前提下为社团招募成员。然后社团教师准备社团教学大纲和教学器材。社团还应该有自己的教学场所（机器人教室）以便教师教学活动的开展，教室里面有桌子板凳和电脑等供学生学习。线上建立QQ群，以便学生建立联系，了解学生，给学生课后辅导。

日常教学活动是指教师的日常教学，这个可基于项目式学习或任务驱动法以合作学习的形式开展。教师先确定上课的主题、教给学生的知识，为学生讲解知识点。然后给学生布置任务，让学生分组进行学习。接着组织学生进行分享与交流，经过一段时间的思考与探索，学生有了自己的答案。教师可以组织分享，以便让其他小组了解自己的想法;也可以在过程中进行指导，找出共性问题，统一进行讲解。最后教师进行点评。学生自行完善方案进行优化。

社团展示活动是指学校举办的社团展示活动。它开展的效果反映了学校对整个社团的整体评价情况，同时教师通过学生参加社团展示的表现对学生个人进行评价。社团展示活动的开展需要师生共同确定活动主题，进而确定参加活动的人员，一般要挑选讲解人员与演示人員。然后教师要撰写活动计划，包括活动流程的开展、活动器材的准备等。计划撰写完后，由教师制作社团活动展示牌，学生准备演讲稿。一般活动前一天下午或者晚上，要布置场地，把所需要的展品摆放到相应的教室。活动正常进行，教师要给予一定的引导，让学生进行自由的发挥。活动结束后，师生进行总结、反思。

四、M中学开展机器人教育的实践案例

1.学校现状

M中学是陕西省一所新开的私立学校，学校新开不到三年，社团建设也刚刚起步，学校机器人教育尚未涉足。学校注重学生的发展，开设各种社团以促进学生素质教育的全面发展。

2.前期准备活动

笔者所带的是M中学的机器人社团，所教授的机器人类型是能力风暴机器人。

（1）学生情况分析

在开学前期，学校就已经招募了社团成员，社团人数总共20人，初一15人，初二5人，全是男生。学生基础参差不齐，之前有学生学习了能力风暴家庭版的机器人，由于家庭版机器人用手机App以图形化编程界面进行，学生对手机依赖较大，学生上课的效果不好，编程基础薄弱;部分学生完全没有接触过机器人。总体来看，学生基础较低，能力基本上持平。

（2）课程资源准备

设备准备：笔者根据陕西师范大学万科中学的社团人员情况，跟学校德育处的教师进行交流，结合学校对机器人社团的愿景，它们希望学生的搭建和编程能力有所提升，并且学校的社团可以走得远一些。我们和企业进行交流，购置了一套学校课程可以重复使用的教学设备。

（3）教学内容准备

笔者根据学生的情况，结合能力风暴产品资料，设计了如图4所示的教学大纲：

（4）教学环境准备

教学环境是有电脑、桌子、凳子和白板的教室。

3.日常教学活动

日常教学活动笔者主要以任务驱动法展开。每次授课为两小节，每节课都会给学生布置一个任务，整个教学活动围绕任务展开。

现在以第九周《双灰度巡线》为例来说明。

（1）课前准备，确定主题

本节课的主题是双灰度巡线，教师准备一个教学使用的简易场地图。

（2）课前回顾，讲解新知

复习上节课所学的单灰度巡线，给学生讲解关于能力风暴双灰度巡线的原理。

（3）布置任务，小组合作

给学生布置任务，让小车沿黑线走到T字的横线处停下。（见图5）

学生开始自己分组研究程序，看看该如何让小车完成这个任务。教师在这个过程中进行引导，启发学生思考。（见图6）

（4）设计活动，促进合作

由于本社团由初一、初二两部分学生组成，为了促进学生学习的积极性，笔者让两个年级分别选择一个小组进行展示，初一、初二大比拼，看一下他们谁的程序编写得最好。

（5）学生分享，教师指导

在这个过程中，笔者发现了一些共性问题，如马达功率设置时，有两个马达，设置左右两个马达的功率，应为马达01，学生只设置了一个马达;还有这个涉及灰度传感器识别颜色的判断程序，学生对这个程序的理解不是很清楚。

（6）学生反思，完善方案

在对学生的程序进行了讲解与分析后，学生自行改正，完善自己的程序，把它下载到小车内去测试程序，在学生测试完成后，本节课的内容结束了。

4.学校展示活动

第十周的社团课为学校的社团展示活动。学校进行展示活动时笔者和学生共同选定活动主题，根据笔者所教授的课程内容以及学生的能力情况，确定活动主题——巡线机器人。（见图7）跟学生共同制订活动计划，并根据活动计划确定参赛人员。主要分为两类，一类主要是负责讲解，一类是进行演示。上报学校之后，教师需要制作社团活动展示牌，笔者设计了本社团的活动展示。活动前一天，笔者按照学校的要求进行了场地的布置。第二天活动进行的时候，笔者需要在教室讲解，师生前来参观。笔者在教室引导学生如何向别人进行展示，学生讲得有声有色，前来参观我们社团的人数络绎不绝。活动结束后，笔者跟学生共同总结活动中出现的问题，并进行反思。

五、建议与反思

机器人社团教学已逐渐成为当前中小学开展机器人教育的主要形式，但由于国内实践经验较少，我们在实践过程中难免会遇到一些困难，基于此，笔者提出以下建议：

1.加强课程资源的建设

课程资源是学生学习的主要内容，一套好的课程体系的搭建，可以让学生在学习中达到事半功倍的效果。

2.加强机器人教育的教师培训

教师是教学的关键，是学校开展机器人教育的主力军。现在国内机器人教师大多由物理、信息技术等有学科背景的教师担任，这些教师在自己的教育领域所接触的知识不能跟机器人教学所需要的知识内容、讲课方式等恰当对接，不知道如何利用其资源去展开教学，教学过程中难免会觉得有些吃力，在教育实践的过程中也存在着不少问题。

3.在教学过程中更多关心学生心理

初中学生思维活跃，但容易受影响。少数学生上课不认真，在看到这些现象的背后，我们要更多地去关注学生的心理建设，有些学生是因为对社团课重视不够，有些学生则是人际关系处理时出现了问题，教师要了解学生问题背后的实质，帮助学生上好课。

4.用好线上交流通道（如QQ群），做好反思

社团上课时间有限，一周一次。有些内容较难，学生基础不一，对知识的接受度也不一样。对于这个，教师每次上完课要及时在群里跟进学生的学习进度，问问学生的学习效果，学生进行反馈以便教师更好地教学。此外，加强师生交流，帮助教师了解学生。

参考文献：

[1]吴永和，李彤彤.机器智能视域下的机器人教育发展现状、实践、反思与展望[J].远程教育杂志，2018（4）：79-87.

[2]殷埝生，王刚，孙晨.一种教学机器人及其单片机控制系统[J].仪表技术与传感器，2000（3）：32-34.

[3]王改霞，朴姬顺.国内机器人教育研究发展综述[J].中国教育信息化，2012（12）：14-17.

[4]龐汉平，李明彦.“算法与程序设计”和“智能机器人”课程整合初探[J].中国电化教育，2011（3）：101-104，111.

（编辑：王天鹏）