基于配对编程的小学LEGO机器人教学实践研究

牛潇　秦健

摘要：随着国家基础教育新课标改革的不断深入研究，我国中小学机器人教育迅速发展，在与机器人教育息息相关的程序设计领域，配对学习编程（即配对编程、结对编程，Pair Programming）在国际上有比较广泛和成熟的应用[1]。将配对编程模式融入中小学机器人教育教学，不仅改变了传统的机器人课堂，而且能够显著提高学生的编程技能与计算思维。文章通过在小学机器人课程教学实践中运用配对编程模式，设计小学机器人教学课程，在M小学进行教学实践，并结合亲身教学实践为机器人教学提供建议，并为一线教师提供教学参考。

关键词：机器人教学;配对编程;配对学习;教学实践;太空挑战赛

中图分类号：G642        文獻标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）01-0159-03

Abstract：With the continuous and in-depth study of the reform of the new curriculum standards for basic education in the country， robot education in primary and secondary schools in China has developed rapidly. In the field of programming that is closely related to robot education， paired learning programming （that is， paired programming， pair programming， Pair Programming） has internationally More extensive and mature application[1]. Incorporating paired programming models into robot education and teaching in primary and middle schools not only changes the traditional robot classroom， but also significantly improves students' programming skills and computational thinking. The article uses paired programming mode in the teaching practice of elementary school robot courses， designs the elementary school robot teaching course， carries out the teaching practice in the M elementary school， and provides suggestions for robot teaching in combination with the personal teaching practice， and provides teaching reference for the first-line teachers.

Keywords： robot teaching; paired programming; paired learning; teaching practice; space challenge

1引言

在人工智能背景下，中小学机器人教育愈发受到重视，越来越多的中小学开展机器人教育。机器人教育成为21世纪人工智能方面的核心部分， 随着社会的不断发展， 人工智能进入课堂已成为趋势潮流，教育者应继续对此进行深入探索和研究。机器人教育进入课堂有利于激发学生对于人工智能的兴趣，培养其综合能力[2]。

2003年，教育部颁布《普通高中技术课程标准（实验）》，首次在高中“信息技术”“通用技术”课程中设立了“人工智能初步”“简易机器人制作”选修模块[3]。2018年1月，国家标准化管理委员会发布了《人工智能标准化白皮书（2018版）》，指出中国即将进入智能社会。2018年4月，教育部发布了《教育信息化2.0行动计划》，提出实施“智慧教育创新发展行动”，强调要加强智能教学助手、教育机器人、智能学伴等关键技术的研究、应用[4]。

国家政策的大力支持，让机器人教育领域再次爆发热潮。目前，越来越多的研究者关注在机器人教育中开展合作学习、协作学习，但是如何高效开展合作成为一大难题，将学生分组进行教学，组内容易出现“搭便车”现象，不利于学生知识的获取，使得课堂发生“变质”效应。钟柏昌教授于2018年发文探索配对学习模式在机器人教育中的有效性，研究发现软-硬件配对模式在中小学机器人教育教学中发挥着较为重要的价值，值得在今后的中小学机器人教学中进行更深一步的探索与研究。

2相关概念

2.1配对编程

配对编程（Pair programming）又称作结对编程，最早用于程序开发工作，两个程序员共同在计算机上完成工作。其中一人负责输入程序，而另一个人负责检查输入的程序并及时指出错误。输入程序的人称作驾驶员，检查程序的人称作导航员。在配对编程中，驾驶员和导航员有较为明显的角色分工，也可进行角色交换。这样，不仅能够设计出高效率程序代码，还能避免出现传统合作学习模式的角色固化问题。

2.2西觅亚太空挑战场地赛

西觅亚“太空挑战”场地赛要求参赛者搭建属于自己小组的机器人，自己编写程序并运行，完成赛事任务。比赛以小组形式开展，每只参赛队伍人数为2人（不包含指导教师）。赛事规定小组搭建的机器人主控制器必须为“EV3主控制器”，其他器材必须是LEGO MINDSTORMS（NXT或EV3）系列套件。场地赛共有七项任务，分别为：激活通信、集合队员、解救MSL机器人、将卫星发射到轨道中、取回岩石样本、保证能源供应、启动发射。在比赛过程中，参赛者严格遵守赛事要求并操控自己小组的机器人从基地出发，完成七项任务后使机器人安全返回初始基地，则视为比赛结束。

3基于配对编程的小学LEGO机器人教学设计方案

3.1教学实施背景

笔者有幸于2019年秋季进入M小学担任机器人社团专业老师，并开展了一学期的机器人教学，使用器材主要是乐高EV3-9898套件。在设计课程之前，了解学习对象的基本情况，因为是基础班，大家都没有基础，所以一开始不会直接进入机器人的编程软件，先从简单的结构搭建入手，利用主控自带的一些编程进行简单的操作，如添加一个电机让机器人向前运动，添加一个触碰传感器，让小车按照指令前进或者停止。在后期会慢慢接触EV3编程软件，将前面在主控里所学的编程移到主控里面，让小车完成同样的动作，如拖一个电机模块，将程序编好，下载到主控上，实现小车运动。当然在讲这些操作前，会先讲解EV3的操作界面，如何打开，如何保存，如何命名，如何下载，下载后在哪里去找到下载好后的程序。在这一学期的教学过程中，笔者尝试使用配对编程教学模式，经过一学期的教学实践，形成了对基于配对编程的小学LEGO机器人教学的深刻认识。在此分享给中小学一线教师，以期为他们提供帮助[5]。

3.2教学对象分析

M小学机器人教学以社团课形式展开，教学对象是机器人社团基础班3-5年级学生，基础班中新老学生都有，且学生接触机器人情况参差不齐。经过与基础班学生深度交流，了解到班上的学生是因为个人兴趣自愿加入机器人社团，且也有部分学生之前学习过相关乐高课程。经过一学期的教学实践发现，选择适合学生们的教学模式至关重要。在教学过程中，每节课前对学生进行分组，遵循组内异质、组间同质，保证学生尽可能地和班内每位同学都合作过，逐渐加强学生的合作意识。社团中，难免会存在学生年龄、年级、性别、性格等多方面的差异，应多鼓励学生之间协作互助，注重培养学生合作意识、协作能力。

3.3教学环境

M小学针对机器人社团课有专门设立的校园科技馆，校园科技馆位于学校教学楼五层，使用面积约600平方米，具体包括：3D打印区、电磁奥秘展厅、乐高机器人创客空间、天地探索区、航天模型区[6]。其中本文的教学实践在乐高机器人创客空间开展，该创客空间拥有EV3-9898套件共计十二套、笔记本电脑10余台、西觅亚太空挑战场地赛赛台，可供社团学生进行乐高机器人搭建、编程、测试。

3.4教学内容

“激活通信”这个任务主要是让学生学会LEGO机器人基础结构搭建与编程知识，掌握大型电机的操作。2-3人一组分工完成搭建、编程、测试。“激活通信”任务是学生通过机器人推送卫星天线下方的红色横杆，使卫星天线保持竖直。

3.5学习工具

LEGO EV3-9898套件、笔记本电脑。

3.6教学方法

在太空挑战赛教学实践过程中，采用讲授式、协作式、配对学习教学方法并交叉进行，激发学生学习机器人的浓厚兴趣、提高课堂教学效率。

3.7教学过程

通过前一个月的教学，主要为学生讲解LEGO主控制器的使用方法、LEGO机器人的通信框架、传感器的工作原理、电机以及机器人涡轮结构、抬升结构、行走结构、煽动结构等知识点。在前期掌握了LEGO基础知识点后，开始引入“太空挑战赛”七项任务，这更能激发学生学习兴趣。“激活通信”是太空挑战赛的一个子任务，采用配对编程模式，学生通过动手搭建机器人，使得机器人从基地出发到达卫星站，推送卫星天线下方的红色横杆，使卫星天线保持竖直，最终机器人返回基地。学生在此过程中需要不断进行测试、修改，保证机器人刚好到达通信站，并推送卫星。教学过程中，教师扮演引导者，将时间、场地还给学生，教师主要进行答疑解惑。

Step1：通过与学生一个月的教学相处，对学生有了大致了解。将班上12名同学分为四组，其中11名男生，1名女生。再通过与每一组同学进行进一步的沟通，其中选择较有责任心且年级高者学生为组长。采取软-硬件配对学习模式，由于前期搭建机器人较为复杂，则选择两位同学合作搭建机器人，另一人负责编程，构成软-硬件配对编程。

Step2：因为本讲主要内容为“太空挑战赛”第一个任务：激活通信，所以在讲课之前要向学生详细介绍“太空挑战赛”赛事规则。每次出发时，机器人须完全在基地内，机器人完全出基地后才能进行任务动作，再完成任务后机器人须返回初始营地。语言不足以生动地让学生体会到竞赛场景，也难以提高学生编程兴趣，在此为学生播放哔哩哔哩平台某位up主录制的“太空挑战赛”七项任务视频，更加生动形象地为学生展示每一项任务的完成视频。

Step3：在观看了具体的赛事视频后，学生对本节课任务有了大致的了解。四个小组开始了机器人的搭建与编程，每个小组中，两位同学负责搭建，开始寻找LEGO零件并组装;另一位负责编程的同学则仔细观察赛台，测量基地到卫星站大致距离，开始进行编程。教师则在教室走动，照顾到每一组的学生，及时发现每一组的问题并告知纠正，在这个过程中，不断鼓励学生，激发学生学习兴趣，尽管过程复杂，也要告诉学生不要放弃。

Step4：调试环节。在组间实施软-硬件配对编程后，将组内三位同学劳动成果合成，程序下载至机器人主控制器中，并在赛台进行操作。小组成员进行不断地测试、调整程序参数，成功实现机器人从基地出发，前往通信站激活通信。在操作过程中，组内三位成员要协作，共同思考如何调整程序，才能顺利实现“激活通信”任务。实现该任务后，教师提醒学生要保存程序，并检查是否成功保存、命名是否正确。

在完成“激活通信”任务中，小组成员需要共同商讨如何完成此任务，保证组内分工明确，一人负责编程，两人负责搭建，构成软-硬件配对编程模式。整个过程中，教師要不断地鼓励学生，激发学生学习兴趣，调试的时候，要给学生足够的耐心，要让学生真正体会编程的过程，只有通过组内的合作顺利完成此任务，学生收获才是最大的。图1为学生搭建、编程照片。

3.8教学评价

最后检验学生成果时，采用教师评价、小组评价和学生自评[7]。教师在确保四个小组均完成“激活通信”任务后，再次向学生讲解赛事规则，机器人从基地出发，完成任务后，返回基地。每组派一名操控手，负责演示激活通信任务、并讲解制作大致流程，教师负责计时并评价，学生还需对其他小组进行评分，从搭建、演示、讲解三方面给予分数。组内还需进行自评，分析组间存在哪些问题、任务完成情况、还有哪些提升空间。教师将来自教师评价、小组评价、学生自评三方面分数进行统计分析，并对每位学生给予相应的奖励，最终评选出这节课的最佳配对编程组，颁发奖状予以表扬。

3.9教学反思

在学生完成该项目的过程中，比起前期的基础知识讲解，发现学生对太空挑战赛学习兴趣很浓厚，更愿意参与活动中，通过和同学的合作完成任务。在软-硬件配对编程中，分工足够明确，但部分学生不好好完成自己的任务，在课堂中扰乱秩序，使得配对编程未能取得良好的成效。但也出现了一些问题，如电机转速过慢、机器人行走时间短、主控制器中找不到源程序、搭建过程中电机安装错误等问题，通过一步步地调试，教师引导学生将上述问题解决。在整个教学过程中，教师的引导是必不可少的，但应从启发学习的层面去引导，才能让学生真正的受益匪浅。

4 基于配对编程的小学LEGO机器人教学建议

4.1转变“以赛敦教”观念

目前，国内外比较有影响力的机器人比赛包括RoboCup Junior、机器人奥林匹克竞赛、中国青少年机器人竞赛、中小学信息技术创新与实践活动等，除此之外，还包括各地级市教育主管部门、电教馆和科协组织的各种比赛，以及各大企业组织的比赛， 这些种类繁多的机器人竞赛受到了广大家长以及教育工作者的高度重視[8]。然而，很多校方乃至学生家长，都认为学生学习机器人就为了参加机器人比赛，这给机器人教学带来了极大的功利化色彩。教师应关注从学生生活实际和兴趣出发，选择合适的教学内容，注重培养学生逻辑思维、编程思维、合作能力。

4.2制定区域化机器人教育标准

当前，不同地区、不同学校使用机器人品种繁多，也没有统一的机器人教育标准，使得机器人教育教学的开展杂乱无章。每个学校应结合当地的具体要求以及学生特点，选择合适的品牌机器人，如LEGO机器人、WeDo机器人、VEX IQ机器人、钟鸣机器人等。也应制定完善的课程体系，可将已有的校本课程进行规范化和科学化的论证，将资源整合并应用。

4.3加强机器人教师专业化培训

随着机器人教育的不断兴起，很多学校尝试开展机器人教学，但学校真正懂机器人的教师少之又少，也有部分学校通过聘请校外专业老师给学生进行授课。应加强机器人教师专业化培训，鼓励中小学一线教师参与高校教师机器人教育培训会、企业机器人培训会中，多与机器人教育行业内专家沟通交流，不断增加中小学一线教师专业化发展。

4.4正确融入“配对编程”模式

在开展机器人教学中，融入“配对编程”模式，将组内学生进行软件、硬件合理分工，应避免学生出现“搭便车”现象。在进行小组划分、任务分工中都会出现各种问题，如：想和自己关系好的同学分到一组、组内软-硬件分工都想编程或搭建等，教师要进行沟通并引导学生做出正确的选择，培养学生与他人协作，遇到分歧及时解决。

5 结束语

教育部部长陈宝生曾说：“新一代信息技术的发展为中国教育带来了新的发展契机[9]。机器人教育的引入不仅能够满足中小学信息技术基础教育建设和发展，还能够提升学生的创新意识和能力。基于配对编程的小学LEGO机器人教学实践一定要讲究受教育者群体的实际情况，要根据实际情况科学化的安排教学实践，更要注重引导者和主导者的基本定位，通过将配对编程融入机器人教学，培养出更具创新能力，更具探究能力的优秀人才。 （下转第164页）

（上接第161页）

参考文献：

[1] 钟柏昌，王艳霞.配对学习模式在机器人教育中的有效性[J].现代远程教育研究，2018（3）：66-74.

[2] 杨明晔.中小学机器人教学模式的探索与实践[J].名师在线，2019（22）：26-27.

[3] 王同聚.中小学机器人教学中“微课”的制作与应用研究[J].中国电化教育，2014（6）：107-110+126.

[4] 黄永强.智能社会视域下中小学机器人教育研究[J].实验教学与仪器，2020，37（1）：69-70.

[5] 卢晓琦，秦健.基于STEAM理念的小学机器人项目教学实践——以LEGO机器人“驾考宝典”项目为例[J].中小学电教，2018（Z2）：76-79.

[6] 爱课程.如何做创客教育[EB/OL].（2020-02-10）.http：//www.icourse163. org/course/icourse-1002420003.

[7] 田木兰，秦健.基于项目式学习的小学   机器人教学实践研究[J].中国教育信息化，2019（22）：40-43.

[8] 朱乐.“以赛促教”模式下的机器人教学探索与思考[J].中国现代教育装备，2018（8）：59-60.

[9] 黄永强.智能社会视域下中小学机器人教育研究[J].实验教学与仪器，2020，37（1）：69-70.

【通联编辑：王力】