基于PTD理论的学前儿童机器人实训活动体系设计与研究

吴玥乔 黄建国

摘要：作者通过文献研读，分析了机器人编程教育在学前儿童阶段的开展现状，基于PTD理论分析了学前儿童的培养目标，并设计符合学前儿童身心特点的机器人编程教育的实践活动体系。构建学前教育师范生机器人编程的创新实践教学体系，让学生在项目学习中融合学与做，培养了他们的创新能力和开发能力，同时反哺学前儿童机器人编程教育，解决目前师资紧缺且师资质量不理想等实际问题。

关键词：学前儿童;PTD理论;机器人;校企结合

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2021）12-0078-04

概述

国内儿童编程机器人的发展相较于国外，有着起步晚、发展态势保守的特点。高中技术课程标准，把“人工智能初步”和“简易机器人制作”设为技术领域的选修模块，这意味着我国的人工智能和机器人教育在大众化、普及化层面上进入了一个新阶段。然而，我国中小学人工智能与机器人教育仍处于初期阶段，仍存在较多问题有待进一步研究和实践。

笔者通过对学前儿童编程教育的研究发现，国外对学前儿童编程的研究已比较细致，不同年龄段的理解与执行能力在不同程度的编程内容里的侧重点有一定差别。但是在我国，对学前儿童编程的教学研究尚处于理论向应用研究的转型期，尤其在实践环节的支撑还比较薄弱。因此，就我国存在的学前儿童可编程机器人的教学实践有限、教学师资短缺、教学资源匮乏等问题来看，对学前儿童教师进行编程能力和计算思维的培养，是当务之急。

PTD理论概述

积极的技术发展（Positive  Technological Development）简称PTD理论，由美国塔弗茨大学贝斯教授提出。它是由两组6C模型共同构成的多维框架，其中第一组6C模型即为6个积极的品行特征，也称6C品质，第二组6C模型即为6种积极的行为，也称6C行为，两组内容彼此对应。6C品质包括能力、自信、爱心、联系、个性、贡献，这组特征被认为是个人在最初二十年中个体核心动机的一组重要的特征;6C行为包括个人技能层面的内容创作、创造行为、行为选择和人际交往技能层面的沟通、合作、社区共建。

PTD理论框架核心内容与现代人才培养中“培养全面发展的人，心智健全的人”等理念保持一致。同时，该理论与学前儿童培养方案中的加德纳的多元智力发展理論相匹配，对编程活动方案的目标有指向性。PTD理论中的6C品质对应6C行为，6C行为指向活动目标。例如，具体6C行为中，创造行为对应的培养目标是创造力，合作行为对应的培养目标是协作能力等。

学前儿童可编程机器人实训活动系统设计

对幼儿园一线教师和学前专业在校生进行有针对性的编程课程培训，是缓解目前学前儿童可编程机器人教学过程中存在的问题的较便捷有效的途径之一。笔者所在团队，对学校的学前专业学生和幼儿园一线教师进行集中培训，以校企结合的形式建立学前儿童可编程机器人实训中心。区别于工业机器人建设，学前儿童可编程机器人需要充分考虑儿童认知水平低、注意力不集中等特点，因此，学前儿童可编程机器人实训中心需根据学前儿童特点来规划实训内容，培训实训教师。具体规划流程如图1所示。

1.师资系统构建

考虑师资的不同专业程度，为了保障师资培养的质量，笔者提出了“校企结合”和“园校结合”的多维师资培养方式（如图2）。

2.课程系统构建

针对学前儿童的教材编写，首先根据PTD理论框架中对学前儿童特点的分析，有针对性地确定教学目标，再根据教学目标细化对应的教学知识点。考虑到学前儿童身心发展水平不稳定、知识经验水平低、学习动机弱等特点，课程设计的内容和难度都应降低，并且教学形式应以情境设计、游戏、角色扮演等学前儿童容易接受的形式为主。课程设定参考教育部《3～6岁学习与发展指南》，并根据学龄前儿童（3～6岁）的特点，系统且分层次地进行课程范围划分。

①初级活动。3岁儿童通过身体各种知觉感知世界，其逻辑和思维都还未形成，因此，活动通过游戏和情境等形式开展，带他们参与机器人实体教具的认知和搭建。

②中级活动。4岁儿童基本认知能力已经具备，活动基于幼儿对客观世界的认知基础，带领幼儿领略自然界、常识规定等，帮助幼儿建立基本的逻辑思维和分析判断能力。

③高级活动。5～6岁儿童已初步形成逻辑判断和思维能力，已具备建立幼儿编程语言和命令的能力。因此，可以为5～6岁的儿童选择与其认知发展规律相匹配的编程活动难度。笔者通过文献研读发现，研究者们多将活动内容聚焦于排序、循环、调试、复杂排序、复杂循环和复杂调试等活动板块（如下页图3）。值得注意的是，要对知识点进行情境设定，激发学生分析和解决问题的兴趣，使之成为便于学生理解和参与的操作案例。

关于可编程机器人课程中的编译语言，国外最早的是LOGO语言，之后的儿童编程语言都在此基础上进行修整和改进。目前使用最广泛的是Scratch语言，但是由于其语句的成熟程度高于学前儿童，MIT之后开发的版本做了相应的调整，生成了Scratch JR版本，帮助幼儿通过角色扮演，完成运动指令。CHERP编译语言和Micro python也比较简单，适合学前儿童通过拖拽打包程序来完成基于图像的指令操作。博斯教授曾在实验中证明，通过将有形编程机器人和CHERP编程语言结合，研究结果显示幼儿在教育干预后，各项能力都有不同程度的提高。

3.实训系统构建

可编程机器人实训中心的培训形式不再只是单一的课堂教学，更具有沉浸式体验和现场观摩等适用师资培训和幼儿教学的情境模式。目前在学前儿童编程中，较主流的编程形式包括基于屏幕的编辑与操作、制作数字有形作品、可以解决问题的方法等。因此，设计的实训中心要提升公开的可视化教学能力，要有展示、操作、调试等多功能区域，具体设计如图4所示。在教学综合区配备可交互的多媒体白板，方便教师和学生更直观地进行线上和线下的演示和交流。实训平台分为线上AI的虚拟仿真平台和线下的实体机器人操作匹配两个层次，其中包含演示体验、实操训练、调试维修等分阶段的操作区域。演示体验区域适用初级活动中的机械体验和组装;实操模拟区域适合中级和高级活动的命令编译;调试区域适合高级活动中的问题解决等项目。最后，单独把典型操作案例和编码过程成立一个区域，供学生翻阅材料或请求协作等。其中，基础设备包括多媒体教学系统、计算机、加工操作区、编程教学区、体验实践区。专业教学设备包括人工智能相关设备，语音、视觉识别系统、电子传感器等硬件设备，支持uKit、CHERP等简单编译语言软件平台。

4.教学案例示范

以下是基于PTD框架的学前儿童编程教学示例《会听话的台灯》。

（1）材料准备

视频、交互式白板、积木、硬件结构件、硬件连接件、编译语言主控盒、执行器等。

（2）实践过程

选择教学对象：某学校附属幼儿园大班学生。

确定教学内容：Python条件语句的编译命令、循环语句编译命令，考虑到教学对象年龄小、认知程度低，难以理解条件语句“if...then”和循环语句while，因此，将其转换为普通话命令，建立与积木感应效果的联系。

构建教学项目：

①启动项目。通过积木搭建台灯，创设问题情境。（台灯的开关、灯光的强弱，能不能通过我们的声音来控制呢？）

②项目实施过程。

认识条件语句：教师引导学生了解普通的语音指令，如“开灯”“强光”“暖光”;介绍关联词，建立语音命令和台灯之间的联系，如“如果主控听到‘开灯，那么台灯灯瓣张开”。

认识循环语句：启发学生思考语音命令“强光”“暖光”和台灯灯瓣之间的关系，并且让学生发出语音命令。在程序运行版面上出现完整命令后，引导学生认识：满足某条件，可多次执行同样操作，即可形成循环（如图5）。让学生独立思考，合作完成声控台灯的编译命令。

（3）实训评价

课程评价的多元化是目前課程发展的主要趋势，科学的评价应该贯穿整个教学过程。学前儿童的认知能力和专注能力都比较弱，单纯从项目结果来评价学前儿童认知的变化是比较片面的，因此，编程项目课程的评价可以将终结性评价和形成性评价相结合。

终结性评价：项目教学中的作品分析是终结性评价中认可度较高的形式之一。在儿童完成台灯的积木搭建、声控程序的编译等操作时，可以用项目作品的完成程度和制作效果作为儿童动手能力和认知能力变化的测评标准。

形成性评价：形成性评价多以访谈和问卷的形式开展，但是学前儿童又不具备准确表达自己内心感受和填写相关测评问卷的能力，因此，在教学过程中建议园方教室设立视频观测装置。在课堂教学结束后，由教师观察学前儿童课堂表现来填写调查问卷，并整理分析，由学前儿童行为变化来分析其学习发展和能力水平变化。

结语

学前儿童可编程机器人教学旨在通过简易的编程活动尽早且合理地培养学前儿童的认知能力和计算思维。目前，国内仍处于起步态势，缺少有针对性的教学体系和课程开发团队，但从另一个角度看，学前儿童可编程机器人的教学在内容和方法上仍存在较大的研究空间。期望本文能为该方向的研讨提供一点参考，打破编程从高中甚至大学才开始的思维定势，为真正渗透STEAM教育培养高素质的优秀人才奠定基础。

参考文献：

[1]李德毅.人工智能在奔跑教育中的机遇与挑战——在“北京联合大学智能机器人产学研合作与人才培养创新发展研讨会暨机器人学院成立大会”上的报告[J].北京联合大学学报，2016（03）.

[2]蒋小涵.编程教育对培养大班学前儿童计算思维可行性的实践研究[D].上海：上海师范大学，2020.

[3]程艺.美国学前儿童编程教育初探[D].上海：上海师范大学，2019.

[4]Bers M U.Coding as a Playground：Programming and Computational Thinking in the Early Childhood Classroom[M].New York：  Routledge Press，2017.

作者简介：吴玥乔，助讲，硕士，研究方向为智慧学习环境;黄建国：教授，在读博士，研究方向为智慧学习。

本文为安徽省质量工程项目“合肥幼儿师范高等专科学校——安徽祺胜电子科技有限公司实践教育基地”（项目编号：2019xqsxzx11）阶段性成果。