陳良波，林清蘭

(泉州職業(yè)技術(shù)大學(xué)，福建 泉州 362269)

0 引言

青少年機(jī)器人教育在我國(guó)已有三十多年的發(fā)展，并在近十年越來(lái)越火，主要原因是科技水平的發(fā)展、人們生活水平的提高等，當(dāng)然近年來(lái)從政府層面上也重視起來(lái)。2017年8月國(guó)務(wù)院發(fā)布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃要求實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育。2018年4月教育部發(fā)布了《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》，計(jì)劃要求支持高校教師參與中小學(xué)人工智能普及教育和相關(guān)研究工作。目前，機(jī)器人技術(shù)是人工智能的一個(gè)重要技術(shù)分支，同時(shí)深受中小學(xué)創(chuàng)客者的喜愛(ài)。因而，從政府政策層面、高校、中小學(xué)、社會(huì)等都非常重視機(jī)器人教育，建構(gòu)一個(gè)合理的、完善的機(jī)器人教育體系非常有必要，且具有很好的現(xiàn)實(shí)意義。

1 青少年機(jī)器人教育存在的問(wèn)題

雖然機(jī)器人教育已有三十多年的發(fā)展，在課外培訓(xùn)占據(jù)一定的市場(chǎng)，家長(zhǎng)也更加重視，比賽考證也逐步規(guī)范，儼然成為我國(guó)教育中不可或缺的一部分，但是在很多專(zhuān)業(yè)人士眼里，還存在不少問(wèn)題，主要有以下幾點(diǎn)。

(1)課程體系不系統(tǒng)。目前，市場(chǎng)提供主要有樂(lè)高課程體系、創(chuàng)客體系等，很多培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的課程零散，沒(méi)有體系化，過(guò)分依賴某些公司產(chǎn)品或者套件，大多是以產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)進(jìn)行教育，學(xué)生還很難系統(tǒng)化學(xué)習(xí)[1]。

(2)缺乏專(zhuān)業(yè)師資隊(duì)伍。機(jī)器人教育對(duì)師資要求高，老師知識(shí)面要廣，主要包括結(jié)構(gòu)知識(shí)方面，涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)知識(shí)、3D打印知識(shí)、激光切割知識(shí)等；電子電路方面，可能包括單片機(jī)知識(shí)、傳感器知識(shí)，電子電路知識(shí)等；程序方面，涉及Scratch、Python、C等各種編程語(yǔ)言。目前，高?；緵](méi)有相關(guān)專(zhuān)業(yè)在針對(duì)性地教授這些課程，因而，師資是目前機(jī)器人教育最大的一個(gè)問(wèn)題。

(3)機(jī)器人競(jìng)賽問(wèn)題。以前機(jī)器人競(jìng)賽幾乎都是依賴某些公司產(chǎn)品，主要有樂(lè)高、WER、VEX等，相互間不兼容，價(jià)格昂貴；另外，品牌公司有操控比賽結(jié)果的可能。目前，開(kāi)源技術(shù)發(fā)展迅速，最近幾年的相關(guān)比賽中很多支持開(kāi)源硬件，但由于主觀因素較多，比賽結(jié)果的公平性有待進(jìn)一步提高。

(4)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡。農(nóng)村和城市機(jī)器人教育差距較大，很難推廣和普及。

基于以上問(wèn)題，且有些問(wèn)題比較嚴(yán)重，因此，充分利用高校資源，借鑒國(guó)內(nèi)外一些優(yōu)秀的軟硬件、教學(xué)方法，兼顧經(jīng)濟(jì)落后地方，構(gòu)建了一個(gè)以培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新和動(dòng)手實(shí)踐能力為目的的青少年機(jī)器人教育課程體系具有相當(dāng)?shù)默F(xiàn)實(shí)和理論意義[2]。

2 課程總體設(shè)計(jì)思路

由于機(jī)器人技術(shù)涉及的內(nèi)容很多，另外長(zhǎng)期以來(lái)中小學(xué)也沒(méi)有為其開(kāi)設(shè)一門(mén)學(xué)科，因此，在課程標(biāo)準(zhǔn)、課程內(nèi)容邏輯體系、軟硬件工具的選擇等，沒(méi)有可以遵循的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于機(jī)器人教育課程體系的構(gòu)建，建議自上而下，從頂層考慮課程總體設(shè)計(jì)的理念，從實(shí)施層面考慮課程體系內(nèi)容。因而，本研究從課程設(shè)計(jì)理念和課程體系兩個(gè)方面進(jìn)行研究，力求為我國(guó)青少年機(jī)器人教育的發(fā)展提供參考。

3 課程總體設(shè)計(jì)理念

機(jī)器人課程設(shè)計(jì)理念應(yīng)該考慮幾點(diǎn)：一是大眾經(jīng)濟(jì)上要能夠接受，特別關(guān)注欠發(fā)達(dá)地區(qū)或者農(nóng)村地區(qū)的學(xué)生；二是課程采用的軟硬件應(yīng)容易獲得，不封閉且支持圖形化編程；三是課程內(nèi)容采用項(xiàng)目化設(shè)計(jì)，任務(wù)驅(qū)動(dòng)以提高學(xué)習(xí)興趣。

3.1 以工程的視角、STEAM理念來(lái)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容框架

工程的視角是課程每次內(nèi)容可以取自一個(gè)工程產(chǎn)品或者每一個(gè)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)過(guò)程，就像一個(gè)工程產(chǎn)品的產(chǎn)出過(guò)程一樣。STEAM理念是每個(gè)課程作品可能會(huì)涉及很多相關(guān)學(xué)科的重要知識(shí)，比如，科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)、藝術(shù)等，并且把這些重要的知識(shí)點(diǎn)比較巧妙地穿插于整個(gè)課程教學(xué)過(guò)程中。例如，在《吊車(chē)》這節(jié)課程中，首先讓大家看下現(xiàn)實(shí)中的吊車(chē)及它的工作過(guò)程；其次通過(guò)拼搭介紹其中蘊(yùn)含的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，如渦輪渦桿、等臂杠桿、機(jī)械互鎖等工程知識(shí)，通過(guò)拼搭講解讓學(xué)生掌握；接著鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)喜好搭建屬于自己的吊車(chē)；最后，主要通過(guò)3種方式——學(xué)生作品自我講解、學(xué)生互評(píng)、老師評(píng)價(jià)等，從工程知識(shí)角度、技術(shù)設(shè)計(jì)角度、藝術(shù)審美角度等，讓學(xué)生進(jìn)一步加深對(duì)作品的理解，提高學(xué)生的綜合科學(xué)素養(yǎng)[3]。

3.2 實(shí)施趣味性設(shè)計(jì)的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)

興趣是最好的老師，青少年機(jī)器人教育首先也是要讓學(xué)生感興趣，因而實(shí)施趣味性設(shè)計(jì)的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)是很有必要的。采用趣味化的任務(wù)驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，注重理論和實(shí)際操作的結(jié)合，讓學(xué)生在動(dòng)手中學(xué)習(xí)理論知識(shí)，體會(huì)做中學(xué)、學(xué)中做、樂(lè)中學(xué)的目的。在課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)上，突出系統(tǒng)性、趣味性和實(shí)用性特點(diǎn)。在教學(xué)方法上，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)，以學(xué)生為中心，鼓勵(lì)學(xué)生多思考、多動(dòng)手，教師主要負(fù)責(zé)理論講解、學(xué)習(xí)過(guò)程的引導(dǎo)、作品總結(jié)與反思，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)[4]。

3.3 支持開(kāi)源精神

最近十幾年，支持開(kāi)源軟硬件的公司越來(lái)越多，種類(lèi)和應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，常見(jiàn)的適合青少年的開(kāi)源軟件有麻省理工的Scratch，拓展Scratch的Kitten、Mand +、Kittenblock等，Blockly、Linux、Appinventor、Mixly等，硬件有Micro:bit、Arduino、掌控板、樹(shù)莓派等，當(dāng)然還有各種各樣的傳感器，非常豐富且使用方便。要支持開(kāi)源精神，主要有幾方面原因：一是品牌機(jī)器人過(guò)于昂貴，經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)和農(nóng)村地區(qū)的學(xué)生很難負(fù)擔(dān)得起；二是品牌機(jī)器人在兼容性方面不夠友好，很多產(chǎn)品對(duì)于非自身品牌配件不兼容，可能會(huì)限制學(xué)生學(xué)習(xí)和想象力空間；三是開(kāi)源軟硬件的優(yōu)勢(shì)，其價(jià)格便宜、容易獲得，各類(lèi)比賽不會(huì)指定器材，產(chǎn)品間的兼容性也相當(dāng)友好，產(chǎn)品外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)放且可以手工設(shè)計(jì)，可鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)客精神。

4 課程體系設(shè)計(jì)

4.1 內(nèi)容與教具選取

機(jī)器人技術(shù)的內(nèi)容主要涉及外觀結(jié)構(gòu)、電子技術(shù)、程序控制等綜合學(xué)科知識(shí)，因此，在課程體系設(shè)計(jì)上應(yīng)該包括如圖1所示的3個(gè)方面。機(jī)器結(jié)構(gòu)主要由樂(lè)高積木拼搭、手工制作、3D打印、激光切割等方式獲得，一般樂(lè)高積木拼搭作為機(jī)器結(jié)構(gòu)的入門(mén)學(xué)習(xí)，3D打印和激光切割為高階的應(yīng)用學(xué)習(xí)。電子電路技術(shù)是一個(gè)難點(diǎn)，目前市面上主要有兩大類(lèi)，一是塑料封閉標(biāo)準(zhǔn)接口接線，可讓學(xué)生不需要掌握多少電子知識(shí)，專(zhuān)注電子編程；一是無(wú)封裝裸板所有引腳自行接線，要求學(xué)生擁有較高水平的電子知識(shí)，有利于創(chuàng)新。編程主要有圖形化編程和代碼編程，其中，圖形化編程非常適合初學(xué)者入門(mén)和用來(lái)提高，代碼編程比較合適較高年級(jí)的學(xué)生。

教具與內(nèi)容的選取：在機(jī)器結(jié)構(gòu)方面，入門(mén)采用樂(lè)高積木，先大顆粒再小顆粒，建議學(xué)前采用樂(lè)高9656，幼小銜接采用樂(lè)高9686，小學(xué)低年級(jí)采用Wedo套裝，較高年級(jí)進(jìn)階3D打印、激光切割課程。在電子電路方面，采用開(kāi)源電子產(chǎn)品，建議使用Micro:bit、Arduino、掌控板、樹(shù)莓派、虛谷號(hào)等開(kāi)源主控制器，電子元件器采用開(kāi)源元器件。在編程方面，建議圖形化入門(mén)再代碼編程學(xué)習(xí)，圖形編程建議使用Scratch、進(jìn)階Kitten、Kittenblock、谷德微等，代碼編程建議Python和C++。

圖1 機(jī)器人教育的3個(gè)方面

4.2 課程體系構(gòu)建

課程基于STEAM教學(xué)理念，將科學(xué)、信息技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，面向4～16周歲的孩子，根據(jù)課程設(shè)計(jì)思路和漸進(jìn)式學(xué)習(xí)要求，開(kāi)發(fā)學(xué)前拼搭、初級(jí)拼搭與圖形化編程、中級(jí)Scratch編程、高級(jí)電子課程、拓展創(chuàng)客課程、考證競(jìng)賽課程等，培養(yǎng)少兒的動(dòng)手能力、邏輯思維能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力，如圖2所示。

圖2 漸進(jìn)式課程體系