创客视域下少儿机器人课程设计与实践

万冰慧 杨颖

关键词：创客教育；少儿机器人课程；国际创客大赛；编程项目；教学实践

0 引言

随着大数据和人工智能技术的发展，创客教育因其注重动手实践、创新意识与能力以及协同性等特征与基础教育改革要求的培养创新型人才的目标不谋而合。而创客教育与STEM教育、机器人教育等教学活动的融合与发展也受到众多教育研究者的关注和兴趣。与传统课程相比，创客教育多以体验、协作、探究等方式让学生围绕核心任务展开创造性活动[1]，教学内容也更为丰富，包括机器人设计与制造、智能编程、3D打印技术、无人机（空中机器人）、App Inventor 与机器人融合、Scratch与机器人融合及VR技术应用等[2]，能够一定程度弥补传统课堂的不足，而少儿机器人课程作为创客教育的主要载体，为普及创客教育的相关知识，推动创客教育活动的开展起着非常关键的作用，因此本文以少儿机器人课程教学为载体，探索创客教育的实施途径。

1 少儿机器人课程教学现状

2018 年教育部发布的《教育信息化2.0》明确指出：“要充实适应信息时代、智能时代发展需要的人工智能和编程课程内容[3]”。国家出台的相关政策与文件明确指出编程教育对于培养创新型人才的重要性。编程课程关注的不仅是计算机语言的学习，更是编程思维的培养，也就是自主发现问题、分析问题、解决问题的能力[4]。作为人工智能教育的入门课程，机器人课程不仅成为小学信息技术实践课程开展的重要形式，也成为落实创客教育理念的最佳入口。随着机器人教育的不断发展，面向中小学生的国际及国内机器人赛事也逐渐增多，各个学校也逐渐引进机器人特色课程与相关教育资源以培养学生的核心素养，为培养当前中小学生的动手能力、合作交流能力、计算思维及创新思维等核心素养，多所学校采用“以赛促学”教学模式，促使教师不断地将竞赛主题的相关试题所包含德育课程项目相结合，在普及机器人竞赛知识的同时教师的专业水平也得到很大提升[5]。但目前大部分中小学仍缺乏系统的机器人课程和资源，且在校内多以社团活动的形式开展，更多是培养少数优秀学生参加机器人竞赛。对于课堂中多数学生学习过程的关注较少，且课堂教学整体质量不高。

2 创客理念下少儿机器人课程教学设计

2.1 ICMC 国际机器人创客大赛简介

为开展中小学机器人教育，推广人工智能相关创新活动，自2015年起，中国系统工程学会联合上海市系统工程学会在全国超过20个城市举办ICMC国际机器人创客大赛，至今已成长为全国极具影响力的青少年机器人科创展示交流活动。大赛根据能力以及年龄阶段分为机械组、动力组、智能组等，其中智能组通过EV3机器人搭建结合乐高模块化编程软件LegoMindstorms编写程序，重点在于考查学生的动手能力、逻辑思维能力以及程序设计能力。2022年12月IC?MC机器人大赛项目主题确定为“月球基地大冒险”，智能组以“智能维修发电机”项目为主题，要求参赛者合作设计并搭建智能机器人，通过编写程序运行机器人完成项目指定任务。参赛者以3人团体为单位完成搭建以及程序编写任务，完全现场独立编程，其中主机、软件中无基础軟件环境外的其他程序，全程使用机器人结构零件必须仅来自LEGO SPIKE 45678+45680与EV3 45544+45560套件列表

2.2 基于ICMC 的少儿机器人课程教学设计

1）教学目标

项目要求学生运用数学、物理、工程等跨学科知识设计并搭建机器人模型，因此学生需要灵活运用跨学科知识解决项目实施过程中出现的问题或突发情况，并且能利用多学科知识验证自己设计的解决方案。搭建完成后学生需要分析任务要求、分解问题、通过设计程序代码、调试程序参数，在这个过程中要求学生具备问题解决能力、沟通合作能力以及计算思维及逻辑思维等综合素养。

2）学习者特征分析

ICMC机器人创客大赛智能组要求3～14岁青少年以3人小组合作的形式参与比赛，因此研究选择云南省K市各机器人社团与机构中相应年龄阶段的12名学习者参与教学实践。12名参赛者学习乐高相关课程时间均超过一年，能够掌握EV3机器人基础搭建方法与技巧，且对于比赛具有较高的兴趣，但缺少参与赛事项目经验。因此在教学实践过程中遵循组内异质、组间同质的原则，对参赛者进行分组教学，保证参赛者与其他人进行合作的意识，鼓励选手之间互助交流，着重强调编程思维、计算思维以及合作交流等素养和能力的培养。

3）教学内容

“智能维修发电机”项目要求参赛选手现场设计并搭建好符合项目要求的机器人后，编写程序使机器人从起点区出发，识别目标轨迹，按轨迹行驶到太阳能发电装置的指定地点，然后寻找到缺失的齿轮，再行驶到备用零件架，拿取相应的齿轮，返回至发电装置，安装齿轮至缺失位置，任务完成后返回初始位置。

学生在此过程中需要不断进行测试、修改结构以及程序参数。要求参赛选手在30分钟内以最快速度顺利完成所有项目任务。教学采用阶段性任务分解的方式，将项目内容分为七项任务，如表1所示。

完成项目需要理解并运用的知识要点如下：? 机器人结构设计原理，如转向结构、轨迹采集结构、缺失零件识别结构、零件抓取/放下结构等。 EV3主要控制器的使用方法，包括集线器、电机、红外线传感器、运动传感器、颜色传感器的使用等。 数学计算结合程序编写，如需要计算路径、速度与时间之间的关系、判断传感器与抓取结构之间的距离对于抓取任务效果的影响等。

4）教学过程

① 规则介绍，制定方案

课程开始前教师讲解挑战任务以及赛事规则，明确比赛任务、要求、时间以及计分标准。为了让学生体会到竞赛场景，重视比赛规则，激发学生的编程兴趣，课程首先播放教师制作的参考模型任务挑战视频，更加生动形象展示每一项任务，激发孩子的挑战欲望，梳理比赛的准备工作、计划大纲以及注意事项。

② 任务分解，模型设计

项目包含教学内容中的七项任务：行驶至太阳能发电装置位置、寻找缺失齿轮、行驶至备用零件架、准确抓取相应缺失齿轮、返回装置位置、安装齿轮至缺失位置并啮合、返回出发区，通过分解完成每项任务需要实现的功能总结得出模型所设计的STEM跨学科知识。

③ 分解结构，搭建模型

学生需要思考用哪种传感器采集相应数据，并分析得出什么样的机械结构才能够顺利完成对应操作，为每项任务对应所需要的传感器、选用结构及原因：

④ 编写程序，调试参数

模型搭建完成后，将编写的程序依次下载至机器人中，进行联调。同学们需要不断地测试、调整程序的参数，使机器人可以准确到达相应地点并完成相应数据采集或操作。在联调过程中，教师会按照七项任务的程序调试，分别向同学们讲解程序调试的方法，以及如何做到故障程序或问题结构的迅速定位，使程序和结构之间顺利衔接完成本次挑战。

⑤ 作品展示，汇报成果

结束搭建和编程环节后，学生需要以小组为单位，汇报项目完成的整个流程，其中包括作品搭建过程中所用到的STEM跨学科知识、作品结构的功能实现以及程序编写逻辑、作品搭建以及完成后运行过程中出现的问题以及解决方式、作品调试过程中的改进理由以及经验总结等内容。

3 教学建议

ICMC机器人创客大赛项目式的竞赛方式能够提供充足的发挥空间以及多种可能，但参赛者在备赛期间也会出现一些常见问题：如队员之间对于机器人搭建以及编写程序方面的能力基础不同，因此合作过程中出现协作困难；由于教学项目内容较多，因此学生在此过程中兴趣降低且任务完成程度不高；教学过程中如何根据具体内容或目标选择合适的评价方式；家长及学校对于机器人竞赛的重视程度较低等问题。笔者结合教学实践过程中出现的如上问题以及指导过程中的经验提出以下三点建议。

3.1 教学内容：多元融合不同领域

创客教育强调实践、探究和创造的精神契合了当前“大众创业，万众创新”的时代背景，但在实际教学中却很难做到与学生实际生活和学科教学内容相联系，课堂中的知识难以迁移到现实问题的解决中。究其原因：创客教育所覆盖的学科内容广泛，然而实际教学中难以系统科学地规划知识框架，且缺乏相应的课堂教学模式、专业丰富的教学资源支撑以及科学成熟的评价方式。据此可以将创客教育与注重跨学科知识与思维的STEM教育相结合，二者都重视学生的综合能力，但STEM教育更加注重学生的跨学科多元思维，弥补教学设计过程中缺乏系统知识的不足。据此还能够利用智能机器人、开源软硬件、虚拟现实（VR）等课程内容的载体适当选择其他领域的教学内容，主动与其他学科建立关联，以形成更加科学、多元、跨学科的课程体系。

3.2 教学过程：指向创造性解决问题

创客教育下的机器人课程强调“做中学”，而在“做”的过程中又包括模仿、观察、探究、实验来组织教学[6]，不同的实践环节为学生提供了充足的机会投入问题解决的过程，但由于项目式教学方式进行周期较长，学生在不同实践环节中出现的问题也较多，因此教师要为学习者提供丰富的、具有扩展性的课程资源作为学习支架，帮助学习者发现问题后自主探究解决方案，并推动学习者将学习成果作品化，促进多学科知识的融合和综合运用，在此过程中锻炼学习者问题解决与知识迁移的能力，创造性地解决问题，从而使学习更有意义[7]。

3.3 评价方式：根据教学内容动态评价

创客教育下的机器人课堂涉及方案制作、作品模型设计与搭建、程序编写与调试、作品展示与分享等多个环节，因此只有多元化的评价体系才能够对于学习者的成绩与表现进行综合评价，发挥评价的鼓励、诊断和促进作用。在本次教学实践中，除了采用评价量表详细记录学生作品的创造过程和能力发展外，也对学生的知识技能掌握程度进行了测评。除此以外，为了提高评价结果的全面性，还需根据教学内容的不同特征和性质进行调整，也可以通过不同主体从多个角度进行评价，并贯穿整个教学过程。如侧重方案设计、制作与完善的课堂环节就需要更加关注学生的参与程度、交流频率以及創意想法；而侧重于模型设计、动手搭建、程序编写与调试等内容时就需要更加关注学习者的动手能力、问题解决能力以及知识掌握程度。评价的内容可以从问题解决能力变化情况、对学科核心概念的理解情况、模型搭建及小组汇报等方面开展，教师在这个过程中要扮演好指导者、观察者和记录者的角色，收集学生在整个课堂过程中的形成性评估资料，以调整教学策略，提升教学效果。

4 结语

本研究在创客教育视域下，结合国际创客大赛机器人项目进行教学活动设计与实践，并根据文献查阅和教学案例的实践经验对于创客教育的教学目标、内容及评价等方面提出部分建议。但在创客教育理论下的教学项目实践过程中仍存在活动设计脱离真实情境、活动缺乏与跨学科之间的联系、基础设施建设较少以及课程资源不够丰富等问题[8]。未来可以搭建创客空间，开发丰富的教学资源和实践工具，作好基础设施建设和构建多方协调机制等方面出发进行进一步探究。