萬冰慧 楊穎

關(guān)鍵詞：創(chuàng)客教育；少兒機器人課程；國際創(chuàng)客大賽；編程項目；教學實踐

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，創(chuàng)客教育因其注重動手實踐、創(chuàng)新意識與能力以及協(xié)同性等特征與基礎(chǔ)教育改革要求的培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的目標不謀而合。而創(chuàng)客教育與STEM教育、機器人教育等教學活動的融合與發(fā)展也受到眾多教育研究者的關(guān)注和興趣。與傳統(tǒng)課程相比，創(chuàng)客教育多以體驗、協(xié)作、探究等方式讓學生圍繞核心任務(wù)展開創(chuàng)造性活動[1]，教學內(nèi)容也更為豐富，包括機器人設(shè)計與制造、智能編程、3D打印技術(shù)、無人機（空中機器人）、App Inventor 與機器人融合、Scratch與機器人融合及VR技術(shù)應(yīng)用等[2]，能夠一定程度彌補傳統(tǒng)課堂的不足，而少兒機器人課程作為創(chuàng)客教育的主要載體，為普及創(chuàng)客教育的相關(guān)知識，推動創(chuàng)客教育活動的開展起著非常關(guān)鍵的作用，因此本文以少兒機器人課程教學為載體，探索創(chuàng)客教育的實施途徑。

1 少兒機器人課程教學現(xiàn)狀

2018 年教育部發(fā)布的《教育信息化2.0》明確指出：“要充實適應(yīng)信息時代、智能時代發(fā)展需要的人工智能和編程課程內(nèi)容[3]”。國家出臺的相關(guān)政策與文件明確指出編程教育對于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要性。編程課程關(guān)注的不僅是計算機語言的學習，更是編程思維的培養(yǎng)，也就是自主發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力[4]。作為人工智能教育的入門課程，機器人課程不僅成為小學信息技術(shù)實踐課程開展的重要形式，也成為落實創(chuàng)客教育理念的最佳入口。隨著機器人教育的不斷發(fā)展，面向中小學生的國際及國內(nèi)機器人賽事也逐漸增多，各個學校也逐漸引進機器人特色課程與相關(guān)教育資源以培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)，為培養(yǎng)當前中小學生的動手能力、合作交流能力、計算思維及創(chuàng)新思維等核心素養(yǎng)，多所學校采用“以賽促學”教學模式，促使教師不斷地將競賽主題的相關(guān)試題所包含德育課程項目相結(jié)合，在普及機器人競賽知識的同時教師的專業(yè)水平也得到很大提升[5]。但目前大部分中小學仍缺乏系統(tǒng)的機器人課程和資源，且在校內(nèi)多以社團活動的形式開展，更多是培養(yǎng)少數(shù)優(yōu)秀學生參加機器人競賽。對于課堂中多數(shù)學生學習過程的關(guān)注較少，且課堂教學整體質(zhì)量不高。

2 創(chuàng)客理念下少兒機器人課程教學設(shè)計

2.1 ICMC 國際機器人創(chuàng)客大賽簡介

為開展中小學機器人教育，推廣人工智能相關(guān)創(chuàng)新活動，自2015年起，中國系統(tǒng)工程學會聯(lián)合上海市系統(tǒng)工程學會在全國超過20個城市舉辦ICMC國際機器人創(chuàng)客大賽，至今已成長為全國極具影響力的青少年機器人科創(chuàng)展示交流活動。大賽根據(jù)能力以及年齡階段分為機械組、動力組、智能組等，其中智能組通過EV3機器人搭建結(jié)合樂高模塊化編程軟件LegoMindstorms編寫程序，重點在于考查學生的動手能力、邏輯思維能力以及程序設(shè)計能力。2022年12月IC?MC機器人大賽項目主題確定為“月球基地大冒險”，智能組以“智能維修發(fā)電機”項目為主題，要求參賽者合作設(shè)計并搭建智能機器人，通過編寫程序運行機器人完成項目指定任務(wù)。參賽者以3人團體為單位完成搭建以及程序編寫任務(wù)，完全現(xiàn)場獨立編程，其中主機、軟件中無基礎(chǔ)軟件環(huán)境外的其他程序，全程使用機器人結(jié)構(gòu)零件必須僅來自LEGO SPIKE 45678+45680與EV3 45544+45560套件列表

2.2 基于ICMC 的少兒機器人課程教學設(shè)計

1）教學目標

項目要求學生運用數(shù)學、物理、工程等跨學科知識設(shè)計并搭建機器人模型，因此學生需要靈活運用跨學科知識解決項目實施過程中出現(xiàn)的問題或突發(fā)情況，并且能利用多學科知識驗證自己設(shè)計的解決方案。搭建完成后學生需要分析任務(wù)要求、分解問題、通過設(shè)計程序代碼、調(diào)試程序參數(shù)，在這個過程中要求學生具備問題解決能力、溝通合作能力以及計算思維及邏輯思維等綜合素養(yǎng)。

2）學習者特征分析

ICMC機器人創(chuàng)客大賽智能組要求3～14歲青少年以3人小組合作的形式參與比賽，因此研究選擇云南省K市各機器人社團與機構(gòu)中相應(yīng)年齡階段的12名學習者參與教學實踐。12名參賽者學習樂高相關(guān)課程時間均超過一年，能夠掌握EV3機器人基礎(chǔ)搭建方法與技巧，且對于比賽具有較高的興趣，但缺少參與賽事項目經(jīng)驗。因此在教學實踐過程中遵循組內(nèi)異質(zhì)、組間同質(zhì)的原則，對參賽者進行分組教學，保證參賽者與其他人進行合作的意識，鼓勵選手之間互助交流，著重強調(diào)編程思維、計算思維以及合作交流等素養(yǎng)和能力的培養(yǎng)。

3）教學內(nèi)容

“智能維修發(fā)電機”項目要求參賽選手現(xiàn)場設(shè)計并搭建好符合項目要求的機器人后，編寫程序使機器人從起點區(qū)出發(fā)，識別目標軌跡，按軌跡行駛到太陽能發(fā)電裝置的指定地點，然后尋找到缺失的齒輪，再行駛到備用零件架，拿取相應(yīng)的齒輪，返回至發(fā)電裝置，安裝齒輪至缺失位置，任務(wù)完成后返回初始位置。

學生在此過程中需要不斷進行測試、修改結(jié)構(gòu)以及程序參數(shù)。要求參賽選手在30分鐘內(nèi)以最快速度順利完成所有項目任務(wù)。教學采用階段性任務(wù)分解的方式，將項目內(nèi)容分為七項任務(wù)，如表1所示。

完成項目需要理解并運用的知識要點如下：? 機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，如轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)、軌跡采集結(jié)構(gòu)、缺失零件識別結(jié)構(gòu)、零件抓取/放下結(jié)構(gòu)等。 EV3主要控制器的使用方法，包括集線器、電機、紅外線傳感器、運動傳感器、顏色傳感器的使用等。 數(shù)學計算結(jié)合程序編寫，如需要計算路徑、速度與時間之間的關(guān)系、判斷傳感器與抓取結(jié)構(gòu)之間的距離對于抓取任務(wù)效果的影響等。

4）教學過程

① 規(guī)則介紹，制定方案

課程開始前教師講解挑戰(zhàn)任務(wù)以及賽事規(guī)則，明確比賽任務(wù)、要求、時間以及計分標準。為了讓學生體會到競賽場景，重視比賽規(guī)則，激發(fā)學生的編程興趣，課程首先播放教師制作的參考模型任務(wù)挑戰(zhàn)視頻，更加生動形象展示每一項任務(wù)，激發(fā)孩子的挑戰(zhàn)欲望，梳理比賽的準備工作、計劃大綱以及注意事項。

② 任務(wù)分解，模型設(shè)計

項目包含教學內(nèi)容中的七項任務(wù)：行駛至太陽能發(fā)電裝置位置、尋找缺失齒輪、行駛至備用零件架、準確抓取相應(yīng)缺失齒輪、返回裝置位置、安裝齒輪至缺失位置并嚙合、返回出發(fā)區(qū)，通過分解完成每項任務(wù)需要實現(xiàn)的功能總結(jié)得出模型所設(shè)計的STEM跨學科知識。

③ 分解結(jié)構(gòu)，搭建模型

學生需要思考用哪種傳感器采集相應(yīng)數(shù)據(jù)，并分析得出什么樣的機械結(jié)構(gòu)才能夠順利完成對應(yīng)操作，為每項任務(wù)對應(yīng)所需要的傳感器、選用結(jié)構(gòu)及原因：

④ 編寫程序，調(diào)試參數(shù)

模型搭建完成后，將編寫的程序依次下載至機器人中，進行聯(lián)調(diào)。同學們需要不斷地測試、調(diào)整程序的參數(shù)，使機器人可以準確到達相應(yīng)地點并完成相應(yīng)數(shù)據(jù)采集或操作。在聯(lián)調(diào)過程中，教師會按照七項任務(wù)的程序調(diào)試，分別向同學們講解程序調(diào)試的方法，以及如何做到故障程序或問題結(jié)構(gòu)的迅速定位，使程序和結(jié)構(gòu)之間順利銜接完成本次挑戰(zhàn)。

⑤ 作品展示，匯報成果

結(jié)束搭建和編程環(huán)節(jié)后，學生需要以小組為單位，匯報項目完成的整個流程，其中包括作品搭建過程中所用到的STEM跨學科知識、作品結(jié)構(gòu)的功能實現(xiàn)以及程序編寫邏輯、作品搭建以及完成后運行過程中出現(xiàn)的問題以及解決方式、作品調(diào)試過程中的改進理由以及經(jīng)驗總結(jié)等內(nèi)容。

3 教學建議

ICMC機器人創(chuàng)客大賽項目式的競賽方式能夠提供充足的發(fā)揮空間以及多種可能，但參賽者在備賽期間也會出現(xiàn)一些常見問題：如隊員之間對于機器人搭建以及編寫程序方面的能力基礎(chǔ)不同，因此合作過程中出現(xiàn)協(xié)作困難；由于教學項目內(nèi)容較多，因此學生在此過程中興趣降低且任務(wù)完成程度不高；教學過程中如何根據(jù)具體內(nèi)容或目標選擇合適的評價方式；家長及學校對于機器人競賽的重視程度較低等問題。筆者結(jié)合教學實踐過程中出現(xiàn)的如上問題以及指導過程中的經(jīng)驗提出以下三點建議。

3.1 教學內(nèi)容：多元融合不同領(lǐng)域

創(chuàng)客教育強調(diào)實踐、探究和創(chuàng)造的精神契合了當前“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”的時代背景，但在實際教學中卻很難做到與學生實際生活和學科教學內(nèi)容相聯(lián)系，課堂中的知識難以遷移到現(xiàn)實問題的解決中。究其原因：創(chuàng)客教育所覆蓋的學科內(nèi)容廣泛，然而實際教學中難以系統(tǒng)科學地規(guī)劃知識框架，且缺乏相應(yīng)的課堂教學模式、專業(yè)豐富的教學資源支撐以及科學成熟的評價方式。據(jù)此可以將創(chuàng)客教育與注重跨學科知識與思維的STEM教育相結(jié)合，二者都重視學生的綜合能力，但STEM教育更加注重學生的跨學科多元思維，彌補教學設(shè)計過程中缺乏系統(tǒng)知識的不足。據(jù)此還能夠利用智能機器人、開源軟硬件、虛擬現(xiàn)實（VR）等課程內(nèi)容的載體適當選擇其他領(lǐng)域的教學內(nèi)容，主動與其他學科建立關(guān)聯(lián)，以形成更加科學、多元、跨學科的課程體系。

3.2 教學過程：指向創(chuàng)造性解決問題

創(chuàng)客教育下的機器人課程強調(diào)“做中學”，而在“做”的過程中又包括模仿、觀察、探究、實驗來組織教學[6]，不同的實踐環(huán)節(jié)為學生提供了充足的機會投入問題解決的過程，但由于項目式教學方式進行周期較長，學生在不同實踐環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的問題也較多，因此教師要為學習者提供豐富的、具有擴展性的課程資源作為學習支架，幫助學習者發(fā)現(xiàn)問題后自主探究解決方案，并推動學習者將學習成果作品化，促進多學科知識的融合和綜合運用，在此過程中鍛煉學習者問題解決與知識遷移的能力，創(chuàng)造性地解決問題，從而使學習更有意義[7]。

3.3 評價方式：根據(jù)教學內(nèi)容動態(tài)評價

創(chuàng)客教育下的機器人課堂涉及方案制作、作品模型設(shè)計與搭建、程序編寫與調(diào)試、作品展示與分享等多個環(huán)節(jié)，因此只有多元化的評價體系才能夠?qū)τ趯W習者的成績與表現(xiàn)進行綜合評價，發(fā)揮評價的鼓勵、診斷和促進作用。在本次教學實踐中，除了采用評價量表詳細記錄學生作品的創(chuàng)造過程和能力發(fā)展外，也對學生的知識技能掌握程度進行了測評。除此以外，為了提高評價結(jié)果的全面性，還需根據(jù)教學內(nèi)容的不同特征和性質(zhì)進行調(diào)整，也可以通過不同主體從多個角度進行評價，并貫穿整個教學過程。如側(cè)重方案設(shè)計、制作與完善的課堂環(huán)節(jié)就需要更加關(guān)注學生的參與程度、交流頻率以及創(chuàng)意想法；而側(cè)重于模型設(shè)計、動手搭建、程序編寫與調(diào)試等內(nèi)容時就需要更加關(guān)注學習者的動手能力、問題解決能力以及知識掌握程度。評價的內(nèi)容可以從問題解決能力變化情況、對學科核心概念的理解情況、模型搭建及小組匯報等方面開展，教師在這個過程中要扮演好指導者、觀察者和記錄者的角色，收集學生在整個課堂過程中的形成性評估資料，以調(diào)整教學策略，提升教學效果。

4 結(jié)語

本研究在創(chuàng)客教育視域下，結(jié)合國際創(chuàng)客大賽機器人項目進行教學活動設(shè)計與實踐，并根據(jù)文獻查閱和教學案例的實踐經(jīng)驗對于創(chuàng)客教育的教學目標、內(nèi)容及評價等方面提出部分建議。但在創(chuàng)客教育理論下的教學項目實踐過程中仍存在活動設(shè)計脫離真實情境、活動缺乏與跨學科之間的聯(lián)系、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)較少以及課程資源不夠豐富等問題[8]。未來可以搭建創(chuàng)客空間，開發(fā)豐富的教學資源和實踐工具，作好基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和構(gòu)建多方協(xié)調(diào)機制等方面出發(fā)進行進一步探究。