中小学人工智能机器人课程教学模式研究

袁加欣 孔新梅 杜东燕 方海光

摘   要：AI机器人课程在培养创新人才方面具有优势，在AI机器人课程中，学生通过动手实践来培养问题意识、开拓创新思维、开展机器人教育具有重要意义。然而，目前国内中小学机器人教育依然以竞赛、获奖为主要目的，机器人课程的教学缺少一套完整统一的课程体系，在机器人课程的教学方法中重模仿、轻应用。所以，我国中小学机器人课程需要改革。文章借鉴体验学习理论，将“体验情境—反思观察—总结内化—创新分享”的教学模式应用于中小学课程中进行实践探究，结果表明，该教学模式可以有效提升学生对课程的兴趣、培养学生的创新思维，对教师开展机器人课程具有借鉴意义。

关键词：AI机器人课程;体验学习;教学模式;教学活动设计

中图分类号：G434         文献标志码：A         文章编号：1673-8454（2022）10-00123-06

一、问题的提出

近年来，国家对创新人才的重视程度不断提高。2010年，中共中央、国务院在《国家中长期人才发展规划纲要（2010—2020年）》中明确提出人才队伍建设的主要工作，着力培养创新人才。[1]2016年，中共中央、国务院印发的《国家创新驱动发展战略纲要》中提出，科技创新是提高国家综合实力的战略支撑，必须摆在国家战略发展的核心位置，要不断推动创新教育方式，改善人才培养的教学模式，提升学生信息意识，培养学生的创新性思想、创造力，以及社会责任心。而机器人教学，是我国培育创新型人才的重要途径之一。[2]国外学者研究显示，机器人教育能调动学生的好奇心和创造力，[3]能引起儿童对科学技术的兴趣，并提升他们的问题解决能力，培养他们的合作交流能力。[4]所以，开展机器人教育能满足国家对创新型人才的需要。

国外对机器人教育的研究较早，尤其是美国、英国、日本等国家。一般认为教育机器人来自麻省理工学院人工智能实验室。[5]1994年，为了提高工程设计学生的设计能力和创造力，MIT开设机器人课程。[6]在教学方法上美国的中小学机器人课程并没有统一设置课程标准。[7]国外使用的方法是项目教学法和实验方法，尤其是项目教学法，被许多教育工作者认为是适合机器人课程的教学法。[8]日本在大学设立专门研究机器人的学科，将编程列为中学必修内容，持续以机器人竞赛的形式出现在中小学的机器人教育中。[9]可以看出，机器人教育已在高校、中小学普及。

我国对机器人教育的研究从上世纪七八十年代开始。[10]2000年，国内将机器人教学引入信息技术课程中。[11]2003年教育部印发的《普通高中技术课程标准（实验）》对信息技术课程进行修订和补充，将AI的基础知识和机器人制作的相关知识加入到信息技术、通用技术课程中。[12]2017年中共中央、國务院印发的《新一代人工智能发展规划》中强调，要逐步实施全民AI教育，在中小学阶段，不仅要建立与AI相关的课程，还要普及编程教育，培养创新人才。[13]在国家的支持下，机器人教育课程已经逐步进入我国的中小学课程中。

截至目前，机器人教育进入我国中小学已有20年。然而，国内中小学机器人教育依然以竞赛或培养兴趣为出发点，机器人课程教学中缺少一套完整统一的课程体系，在机器人课程的教学方法中多为学生模仿教师操作，忽视学生的主动应用。[14]尽管机器人课程已得到国家的认可和重视，但是在发展过程中仍出现许多问题，所以我国的机器人课程需要改革。为了改变学科本位的机器人教学现状，本文借鉴大卫·库伯（David Kolb）的体验学习理论，力图采用“体验情境—反思观察—总结内化—创新分享”的教学模式来实现机器人课程的创新和突破。

二、教学模式设计

在传统课堂中，教师总是以灌输的方式将知识传递给学生。然而，没有亲身经历的学生无法理解知识背后的深层含义，所以，拥有体验非常重要。中小学智能机器人课程应该拥有的主要特点是创新性、综合性、开放性、发展性、实践性、探究性。大卫·库伯提出的体验学习是“把学习看成是体验的转换并创造知识的过程”。首先，学习不是一个结果，而是一个过程。其次，学习者通过体验完成感知和领悟的统一，进而实现真正意义上的学习。最后，知识在体验学习的过程中被创造。[15]基于此，本研究将体验教学模式运用于该课程当中，设计出一套AI机器人课程的教学模式，力求提升学生的创新能力，如图1所示。

（一）体验情境

体验情境是让学生对真实环境进行感知，进而激发学生的兴趣、调动学生的积极性，从而自发地参与到体验活动中。具体体验是机器人课程的开始阶段，也是进行反思、概括、检验的基础。在这个阶段，教师的主要任务是设置体验活动和体验情境，充分调动学生眼睛、耳朵、嘴巴、鼻子、双手等各个感官参与，让学生全身心融入情境当中。同时，教师要注意，情境的设计要指向教学目标，而不是以游戏的态度去对待教学内容。

（二）反思观察

反思是学生在体验情境的基础上，通过反思来提升自己思考问题、解决问题的能力，建立一种将经验转化为系统知识的倾向。在这个阶段，教师不能直接将知识点呈现给学生，而是充当“引导者”的角色，通过提问和对话的方式来引导学生反思，培养学生主动思考问题的意识，激发学生主动探索解决问题的方法。

（三）总结内化

总结内化是学生对知识进行概念化。只有对知识进行内化和总结，才能检验自己是否真正掌握。在体验情境和反思观察阶段，学生掌握的知识是碎片化的，甚至是错误的，而总结内化是将碎片化知识整合在一起、及时纠正错误观念的过程。在这个阶段，教师的主要任务是激发学生，使其现有观念和原有观念产生冲突，推翻原有的错误认知，进而形成科学的概念。一是教师要给学生留出足够的时间去思考，这有助于学生对知识点的理解。二是教师需要提供给学生学习材料、组织小组讨论活动，当学生出现无法解决的问题时，教师应该主动帮助学生，及时纠正其错误认知。经过判断、思考、质疑、认知冲突，学生对知识内化和迁移的能力将大大提升。

（四）创新分享

创新就是将总结内化的知识运用于其它情境中，在新的情境中检验结论的正确性，做到举一反三，在原有经验上创新，生成新的体验。它不是对知识的复现和提取，更多的是实践、应用、创新。在这个阶段，教师的主要任务是为学生创设一个与所学知识相关的情境，让学生不仅仅只学会课堂知识，还要会运用知识。同样，教师要改变以传统的练习题和小测验去评价学生，而是给学生设置有难度的扩展任务，采用鼓励的方式促进学生在现有知识的基础上不断创新。

值得注意的是，教师在应用体验学习模型作为教学指导时，千万不能生搬硬套四个阶段。体验学习模型是一个非线性的学习过程，学生可以從“体验学习圈”中的任何一个点进入，而教师要根据学生的差异进行因材施教。当学生难以进行抽象概括时，教师可以再生成一个情境体验促使他们进行反思概括;如果学生已有相关经验，教师可以直接进入反思阶段、概括阶段，以免浪费时间。同时，学生也可针对同一个问题重复多轮体验学习，直至问题解决。[16]总之，教师最终的目的是让学生掌握知识，培养学生的问题意识、思维模式、创新能力。

三、案例应用

（一）Micro：bit智能小车

1.教学内容

本节课教学内容为：掌握红外遥控器的使用方法与智能小车接受遥控信号的原理，熟练组装智能小车，利用Micro：bit 图形化编程平台编写积木脚本，让遥控器可以控制机器人小车前进、后退、左转、右转、停止。

2.教学实施过程

在体验情境阶段，教师通过智能小车大赛引起学生的好奇心，并留时间让学生亲身体验，在体验的过程中，学生掌握智能小车的基本操作，提升学习兴趣，产生获取知识的倾向。在反思观察阶段，教师分发开源套件，提供Micro：bit 图形化编程平台，布置基础任务，学生通过观察小车的构造，思考组装小车的流程，梳理编程要点。在总结内化阶段，教师下发学习资源，引导学生自主探索，纠正原有错误观念，学生通过小组合作的方式组装小车、编写代码，实现智能小车的运动，并完成计时赛道挑战任务。在创新分享阶段，教师鼓励学生在原有基础上创新，通过修改积木脚本，让遥控器可以控制小车的更多功能，学生通过展示作品和交流分享提升知识的迁移能力。最后，各小组按照作品的美观性、作品完成速度、赛道用时、创新性进行组间互评和组内互评。

（二）Micro：bit机械臂机器人

1.教学内容

本节课的教学内容为：了解超声波传感器的原理，掌握超声波传感器相关的指令块。并掌握流程图的设计，在逻辑语句设定中，能够熟练运用布尔值指令块。熟练组装机械臂机器人，能够将手机操控程序导入Micro：bit中，通过编程实现机械臂机器人定距抓取的操作。

2.教学实施过程

在体验情境阶段，教师通过将搬东西大赛引入课堂，并播放主题为“物流领域机械臂”的视频，让学生操作Micro：bit机械臂机器人夹取物品，在体验过程中，学生掌握机械臂机器人的基本操作，为反思知识做好铺垫。在反思观察阶段，教师给每组学生分发机器人套件和一部安装Wonderbit软件的手机，提供Micro：bit图形化编程平台，并布置任务，学生通过观察硬件模块，思考超声波传感器的主要功能，并探究机械臂机器人的拼接方法与编程要点。在总结内化阶段，教师下发学习资源，激发学生自主探索，并布置任务，引导学生将新知识和旧知识融合起来，从而产生新的知识。学生通过小组合作的方式组装机械臂，利用Micro：bit图形化编程平台进行编程，完成机械臂定距抓取的任务，并挑战计时抓取任务。在创新分享阶段，教师鼓励学生发散思维，勇于创新，通过修改积木脚本，让机械手臂更加灵活、用时更短。学生通过程序的迭代改进提升知识的迁移能力。最后，大家相互分享感受。通过作品的完成，学生收获满满，大家不仅感受到编程的乐趣，而且体会到机器人带给我们生活巨大的便利。

（三）LegoEV3机器人

1.教学内容

本节课的教学内容为：了解颜色分拣机器人传导装置的工作原理，掌握传导装置相关的指令块;熟练组装颜色分拣机器人，在EV3 Classroom图形化编程平台中编写积木脚本，通过编程让颜色分拣机器人利用传导装置将颜色模块分拣开来。

2.教学实施过程

在体验情境阶段，教师通过将分析“快递包裹分拣机器人的工作场景”导入课堂，引发学生的思考，并播放颜色分拣机器人的工作视频，让学生体验其工作流程，在体验的过程中，学生掌握颜色分拣机器人的基本操作。在反思观察阶段，教师为每组学生分发乐高开源套件，提供EV3 Classroom图形化编程软件并布置任务，培养学生的问题意识，学生通过观察和思考颜色分拣机器人的主要功能，在大脑中建立思维导图。在总结内化阶段，教师下发学习资源，引导学生自主探索。学生通过小组合作学习总结机器人的组装步骤，组装颜色分拣机器人;通过编程实现机器人颜色分拣的任务，并完成计时分拣挑战赛。在创新分享阶段，教师鼓励学生发散思维，勇于创新，修改积木脚本、改装机器人套件，让乐高机器人实现其他的功能。通过改进程序，一部分学生做出机器人小狗、机器人教练，以及机械手臂等。最后，一部分学生自愿上台和大家分享自己的感受。课程结束后，学生提出让教师提前发放预习材料。

四、应用效果分析

为了调查学生的学习情况，根据学生的课堂表现情况、学习效果、教师的访谈观察，以及对调查问卷的分析，得出以下结论：

（一）学生的学习积极性提升

通过教师在课堂上的观察，学生在课堂上积极参与小组合作任务，主动与小组成员进行讨论，愿意将自己的作品在全班同学面前分享，并且在课程结束后仍然意犹未尽，想预先知道下节课的内容，这表明学生的积极性显著提高。除此之外，问卷调查中关于学生的课堂感受一项，认为自己在课堂中兴趣浓厚且愉快的人数比例从第一节课的72.73%变为最后一节课的100%，从数据信息可以得出，基于体验学习机器人课程的教学模式能有效提升学生学习的积极性。

（二）学生的学习兴趣提升

问卷调查显示，72.73%的学生在学习机器人课程前对机器人完全不感兴趣，但通过课程的学习，90%的学生认为他们对机器人的学习很感兴趣，认为课堂设计的教学活动能显著提升他们的合作交流能力，并且很喜欢这样的教学方式和教学节奏。这表明，基于体验学习的机器人教学模式能有效提升学生的学习兴趣。

（三）学生的动手能力提升

通过教师在课堂上的观察，第一节课的时候，很多学生完成作品的速度较慢，只能完成一个作品。然而，到最后一节课时，大部分学生都可以完成2～3个作品，速度显著加快。这表明，基于体验学习的机器人教学模式使学生的动手能力得到提升。

（四）学生的创新能力提升

通过教师在课堂上的观察，很多学生在完成课堂任务后都会在小组中分享自己的创意点子。除此之外，通过教师的作业批改发现，80%的学生可以在自己的作品中融入其他想法，并且能够做到举一反三，不单纯对课上的内容进行照搬照抄。这表明，基于“体验学习圈”的机器人教学模式使学生的创新能力得到提升。

五、讨论

基于体验学习的教学模式让学生通过体验实现感知和领悟的统一，进而完成真正意义上的学习。在体验情境环节，学生参与体验活动，对知识初步感知，进而产生学习兴趣;在反思观察环节，学生通过主动思考发现问题，进而产生想要解决问题的倾向;在总结内化环节，学生通过深入思考，推翻原有的错误认知，生成新的知识;在创新分享环节，学生主动运用知识，积极创新，达到对知识的迁移。所以，相较于传统的机器人课堂，基于体验学习的教学课堂能加速学生对知识的内化、迁移、运用，而不是以死记硬背的方法去学习知识。同时，基于体验学习的教学课堂也对教师提出新的要求。

第一，教师要学会创造情境。在体验学习中，教师想要激发学生的学习兴趣，就必须让学生获得真实的体验，所以，体验活动的设计十分重要，既不能枯燥无聊，也不能太过游戏化，更不能抛弃知识的学习。第二，教师要学会引导学生创造。在创新分享阶段，教师要鼓励学生形成自己的想法，而不是直接告知，对学生的创意做太多干扰，要给学生留有空间，这样才能达到知识迁移的目的。第三，教师要注重培养学生的核心素养。机器人课程不只是让学生学会编程、学会组装套件，更要培养学生的情感态度与价值观。例如：在套件组装中，要注重对学生的美感培育;在体验学习过程中，要注重培养学生的思维意识、自主探究能力、沟通交流能力，以及创新能力，并通过问题解决和人机交互，建立起学生对机器人学习的兴趣，感悟机器人技术为生活带来的便利。

六、结语

通过研究可见，智能机器人课程是中小学培养创新人才的有效途径之一，基于体验学习的教学模式有益于培养学生的信息素养、创新精神、实践能力，这能为教师提供全新的教学方式、开辟新的教学方向。

同时，本研究也存在一些不足之处。一是机器人课程对教师的教学实践经验要求较高，由于教学经验不足，基于体验学习的教学模式没有很好地运用到机器人课堂当中。在学生的具体体验环节，有一部分学生被机器人套件所吸引而忽视知识的学习;在讨论环节中，有一部分学生由于性格孤僻，没有积极参与其中。二是基于体验学习的教学模式只在某市S学校的初一学生当中应用，样本较少，不一定适用于所有学段的学生。

下一阶段将针对机器人课程案例展开深入研究，包括教育机器人与机器人课程的整合、教师与课堂环境的相互配合。从而提高机器人课程的教学质量，提升学生的创新能力和实践动手能力。

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作者简介：

袁加欣，硕士研究生，主要研究方向为人工智能教育、教育大数据，邮箱：yuan_jia_xin@163.com;

孔新梅，硕士研究生，主要研究方向为人工智能教育、教育大数据，邮箱：kongxm0@163.com;

杜东燕，硕士研究生，主要研究方向为人工智能教育、教育大数据，邮箱：ddu_qun@163.com;

方海光，教授，博士，通讯作者，主要研究方向为教育大数据、人工智能教育、智能教育机器人、智慧教育等，邮箱：fanghg2013@163.com。

Research on the Teaching Mode of AI Robot Courses in Elementary and Secondary Schools

Jiaxin YUAN1， Xinmei KONG2， Dongyan DU1， Haiguang FANG2*

（1.College of Teacher Education， Capital Normal University， Beijing 100048;

2.College of Education， Capital Normal University， Beijing 100048）

Abstract： AI robot courses have certain advantages in cultivating innovative talents. In AI robot courses， students will develop problem awareness and innovative thinking through hands-on practice， which is of great significance to carry out robot education. However， robot education in domestic elementary and secondary schools still mainly orients itself to winning competitions and awards. Besides， the teaching of robot courses lacks a complete and unified curriculum system. Meanwhile， the teaching method of robot courses emphasizes imitation， rather than application. Therefore， the robot curriculum of primary and secondary schools in China urgently needs to be reformed. Based on the experiential learning theory， this paper has applied  to the curriculum in elementary and secondary schools the teaching mode of “experiencing context-reflect and observation-summary and internalization-Innovation and sharing” for practical exploration. According to the results， this teaching mode can effectively arouse students interest in the curriculum， and cultivate their innovative thinking， which gurantees it a reference for teachers who are about to carry out robot courses.

Keywords： AI robot course; Experiential learning; Teaching mode; Teaching activity design

编辑：王天鹏   校对：王晓明