探索少儿机器人编程教育的改革及实践应用

雷红华

（襄阳职业技术学院， 湖北 襄阳 441050）

编程是适合发展学生计算思维的载体,随着中小学信息技术课程的普及,社会上一些青少年编程教育课程也逐渐活跃起来。2017年,国务院印发《新一代人工智能发展规划》明确指出：应逐步开展全民智能教育项目,在中小学阶段设置人工智能相关课程,逐步推广编程教育。［1］因此,作为未来能够提升学生综合素养的机器人编程应运而生。在少儿编程领域,机器人编程是指通过硬件构建模型,为搭建好的机器模型编写程序,是编程教育启蒙的一种方式。在少儿编程教育领域,机器人编程教学虽然存在不足,但其自身的优势突出,未来可期。［2］

一、少儿编程教育发展及政策

国外的编程教育发展趋势逐年递增。2008年美国麻省理工学院（MIT）设计开发了一款少儿编程工具Scratch,是一种可视化的编程,小学生可以根据自己的喜好和能力去选择适合的积木模块,可以改善小学生没有电脑的局限性,还可以实现多场地操作,这对于小学生来说都是降低门槛的方式。［3］2012年日本在中小学普及编程教育科目。2014年被英国定为编程之年,英国教育大纲规定计算机编程是5～16岁儿童必修课程。2017年新加坡全面推动少儿编程教育,中小学考试中加入编程考试科目。

中国从2013 年末开始,国内掀起了一股STEAM教育的热潮,这种原属于美国K12教育领域下的跨学科教育,带动了中国的创客教育发展。2017年由国务院颁发的《新一代人工智能发展规划的通知》（国发〔2017〕35号）和2018年1月16日教育部举办新闻发布会,提出编程纳入必修课程。2019年教育部发布《关于加强和改进中小学实验教学的意见》中指出,注重加强实验教学与多学科融合教育、编程教育、创客教育、人工智能教育、社会实践等有机融合,有条件的地区可以开发地方课程和校本课程,促使国内的编程教育企业呈现出地毯式的爆发,从教育部到各地方教育主管部门陆续出台多项政策支持编程教育普及推广,如潍坊市、深圳市、南京市等教育局先后出台编程教育政策。

国内少儿机器人编程教育可以普及到3岁以上的学前教育阶段,以教育机器人开展机器人编程教育。教育机器人是以培养学生的科学素养、创新思维、学习兴趣为目标的机器人,具有教学开放性、可扩展性、适用性和良好的人机互动界面。［4］

二、少儿机器人编程教育市场痛点分析

国家权威机构市场调研显示,我国机器人编程教育约4.2亿适龄市场,每年以10%的增幅增长,但编程教育加盟空间开发不足15%。国内少儿机器人编程教育市场不完善,一些电视栏目、少儿教育专家就提出了在师资、课程体系、教学内容、教具等方面存在的问题,分析归纳出目前少儿机器人编程教育市场四个最核心的痛点。

1.渗透率低与客户流失高。原因在于编程的刚需性不强,少儿编程学了很多枯燥的知识点,没有应用场景,没有办法很好地吸收、消化,造成少儿成就感低,信心和兴趣打折扣。少儿机器人编程课程费用昂贵,花了很多的钱,短期内家长看不到明显的学习效果,一年下来好像学了点,又好像什么都没有学到,这样就直接导致了机器人少儿编程创客教育续报率相对较低的问题,极大影响了机构盈利能力。

2. 课程体系同质化。课程内容大同小异,设置深度不够,仅仅依靠游戏动画等元素激发少儿的学习动机；选择性单一,生命持久性不足；忽视少儿能力的差异性以及可选择的学习内容有限等问题,不能有效激发学生学习动机和兴趣。

3. 创新、应用与技能挖掘不足。创新、应用、技能指的是少儿创造性思维、创新应用与技能实践。三大方向的培养因各种因素制约,成效甚微,不好量化,在一定程度上影响品牌口碑。

4.师资质量与供给不平衡。少儿机器人编程教育的普及,诞生了许多少儿机器人编程机构。但随着少儿机器人编程教育队伍的逐步增大,导致少儿机器人编程师资队伍人员配置不足,匹配度不高,即高质量师资与行业供给不平衡,教育与师资步伐不一致,也没有统一的稳定的产业链。

三、少儿机器人编程教育改革

少儿机器人编程教育改革是将传统艺术课程与少儿机器人编程相结合,提出了“四化三融合”的改革思路,解决少儿编程教育市场痛点,“四化”为模块化、融合化、定制化及订单化,“三融合”为艺术融合、文化融合以及生活和劳动融合。编程教育中融合“艺术+机器人”的模块化、个性化、分层教学的项目,以艺术、文化、劳动融合引导少儿进行创意性编程,创造出少儿编程的艺术兴趣课程,培养少儿美育教育+编程教育,软件“计算思维”+硬件“工程素养”。

（一）“四化三融合”的教学体系

解决方案一：模块化——分段式、模块化课程体系设计。如图1所示。

图1 模块化课程体系图

我们依照少儿自身需求,基于折纸、积木、机器人编程、艺术编程设置模块化课程体系,分为初级入门班、中级培优班、高级融合班和考级竞赛班四大板块,让少儿根据年龄以及学习能力选择适合自己的初中高阶课程学习。

初级入门班从折纸为兴趣切入点,在二维平面构造三维立体的形态,培养少儿的空间和形象思维能力。积木开发右脑提升创造力,积木中的排序、对称、分类有助于少儿早期数感开发,加深对空间、数字等理解,具备数感思维。中级培优班进行结构搭建和思维编程,结构搭建包含电、气、机械传动、传感器、机器人等零件与装置,少儿通过独立搭建这些装置,锻炼手、眼、脑协调能力。思维编程旨在培养和提升少儿的创新思维、计算思维和编程思维,帮助他们更正确地掌握科学世界的底层逻辑,从而更好地应对生活中抽象的各种问题。高级融合班,将编程与文化、艺术、劳动元素融合,通过这些融合元素,让少儿从认识原理到运用原理,运用工程师的思维去完成每个项目,综合运用利于深层次学习,培养运用科学知识分析事物的能力。考级竞赛班有全国青少年等级考试和ROBOCUP全国机器人大赛等,采用理论考试与实践操作考试相分离的方式,竞赛班课程在机械构造、电子电路、软件编程、智能控制、传感器应用等方面展开强化训练,引导青少年树立工程化、系统化的逻辑思想。

解决方案二：融合化——跨界融合、文化融合和生活融合。

依据儿童对艺术强烈的兴趣爱好,结合折纸、绘画、书法等与少儿机器人编程融合在一起,打造一套耳目一新的跨界融合艺术编程课程。先引入艺术课程,挖掘少儿的艺术天赋,培养少儿的空间知觉能力、创意想象能力等,并在学习过程中带入编程知识,引发少儿对编程的兴趣,改变编程在少儿心里的枯燥形象。结合非遗文化、传统文化秦腔木偶、皮影戏等与少儿机器人编程融合在一起,传承中国文化,感受非遗的魅力,从小培养文化自信。同时,将日常生活实践与少儿编程融合在一起,引导少儿进行创造性劳动教育。

解决方案三：定制化——定制班级与课程,实施特色个性化教学。

为了满足少儿自身的定制化需求,设置有体验班、启航班、培优班、卓越班、摘星班,为每位少儿量身打造身份牌,提供定制化特色课程,让他们根据自身实际情况选择特色班型,一站式信息化服务,及时更新少儿学习信息,及时反馈当天学习的完成度、表现力、接受能力以及问题与措施等。

解决方案四：订单化——校企校际联合订单培养。

联合少儿机器人培训机构和各大本科、大专院校,进行校企校际联合订单培养。各大院校有雄厚的软硬件设施,以及充足的师资筹备人员,能及时补充到少儿机器人编程教育师资队伍建设中,充分发挥各项专业跨界融合职业素养的联合培养,并设计与完善课程服务跟踪信息管理平台。

（二）个性化的教具开发

编程教育对于孩子的逻辑思维、艺术创造都是很有帮助的。根据课程教学需求,按照能力设定难度系数,开发个性化、应用性、实用性的教具,家长可根据孩子的兴趣来选择这方面启蒙的机器人教具（玩具）和相应的媒介APP。比如,我们结合企业实际生产数车车床,开发了9宫格键盘、机械手、红绿灯、数控车床四方刀架等教学装置,既有电、气、机构,又有软件编程,强化少儿综合技能与素养。

（三）层次化的师资培养

按照目前编程教育普及情况来看,少儿机器人编程教育师资队伍极度缺乏,为了不同级别、不同层次、不同年龄段的少儿进行针对性的辅导与培养,可以进行分层的师资队伍培养,并在师范类相关专业开设一门少儿机器人编程课程,学习1～2种编程软件,在工业机器人技术专业开设教育教学课程,学习教学规范,多方专业人才的跨界融合,逐步改善师资质量与供给不平衡的痛点。

四、少儿机器人编程实践应用

（一）案例一：基于ROBOPRO的对象模块化编程

任务要求：设计一个9宫格键盘（数字1到9）,当连续输入数字518时,面板文字显示“right”,其他时候文字输出框内无内容显示。

任务分析：程序要对键盘的每一次点击进行响应与识别。①键盘被按下,程序响应,识别是否为5（百位）,如果是,在十位等待；②键盘被按下,程序响应,识别是否为1（十位）,如果是,在个位等待；③键盘被按下,程序响应,识别是否为8（个位）,如果是,显示right；④上述3项任何一项逻辑判断为否,程序自动复位,在百位等待。编程参考程序如图2和图3所示。

图2 九宫格键盘

图3 对象模块化机器人编程程序图

（二）案例二：基于Scratch软件的图形化编程

任务要求：让学生把握变量、运算语句和标准操纵句子的应用,撰写计算机语言,让笔绘画出魔法隧道的动画效果。利用Scratch软件使用变量,自定义一个新的边长变量,基于舞台X轴,Y轴（0,0）为起始坐标,使用循环次数模块填入边长变量/平方根来绘画图形。图形化编程界面如图4所示。

图4 scratch图形化编程界面

任务分析：起始位置X,Y（0,0）,变量边长初始50,绘图从起始位置面向180度方向,大循环模块重复执行30次,包含两个子循环模块。上循环执行12移动50步,之后向左转30度,再移动步,左转60度。下循环执行12移动50步,之后向右转30度,再移动,右转60度。边长50+30×3=140,颜色10×30=300。

五、结论

通过编程背后的社会文化、精神、价值,形成强大的社会凝聚力,为弘扬科学精神,普及科学知识,激发少儿创新热情和创造活力,以培养具备未来人工智能时代的核心素养为使命,萃取编程教育、机器人教育、人工智能教育的核心精华,助力少儿在创新、应用、技能三大方向的培养。同时,又可培养少儿机器人编程教师,通过开发益智类、趣味性强的小游戏或创客项目,调动学生学习积极性,培养创新型机器人教育人才。［5］

目前已完成了1篇论文,获得1个新型实用性专利,指导襄阳市长征路小学学生参加2019ROBOCUP机器人世界杯中国赛工程竞技赛,获得小学组二等奖1项。参与协助完成了襄阳市各种科普文化进校园活动,到团山镇少儿编程机构、恒大小学等单位开展少儿艺术编程课程教学,已初次推荐少儿机器人编程教育人员15人,带动了学生就业,增加了学生就业维度。