姜雪 荊永君

摘? 要? 機器人教育作為增強學生動手能力、促進學生思維發(fā)展、培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的一門交叉學科，是中小學STEM教育實踐的重要載體。以梅耶多媒體教學設計原則為基準，提出一種以圖片為載體呈現(xiàn)機器人模型搭建的教學資源設計策略，旨在為從事機器人教學的教師提供一種可操作、可持續(xù)使用的機器人模型搭建的教學資源設計策略。

關鍵詞? 小學機器人教學;機器人教育;多媒體教學設計原則;機器人模型搭建;教學資源

中圖分類號：G434? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）06-0010-04

Study on Design Strategy of Teaching Resources for Con-struction of Robot Model in Primary School//JIANG Xue， JING Yongjun

Abstract? Robot education， as an interdisciplinary subject that enhances students hands-on ability， promotes students thinking development， and cultivates students innovative ability， is an important carrier of STEM education practice in?primary and secondary schools. Based on Meyers multimedia?teaching design principles， the research proposes a teaching resource design strategy that uses pictures as a carrier to present the construction of a robot model， the research aims to provide teachers engaged in robot teaching with a teaching resource design strategy that can be operated and sustainably used to build robot models.

Key words? robot teaching in primary school; robot education;?multimedia teaching design principles; robot model building;? teaching resources

0? 前言

2000年，北京市景山學校率先以科研課題的形式將智能機器人教育融入信息技術教育中，自此，中小學機器人教育進入人們的視野。2001年，上海市以校本課程的形式開始機器人教育普及的探索和嘗試[1]。2017年，國務院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確指出要在中小學階段設置人工智能相關課程，為機器人教育的快速發(fā)展提供了新的契機[2]。國內(nèi)研究者從機器人教育的教學模式、能力培養(yǎng)、資源開發(fā)等方面開展了研究。例如：鐘柏昌[3]從知識內(nèi)容、物化成果的視角，提出實驗模擬型、趣味交互型、科學探究型、發(fā)明創(chuàng)造型四類教學模式;胡兵華等[4]、王小根等[5]對機器人校本課程開發(fā)中教學任務、教學目標及教學方法與教學評價等方面的內(nèi)容進行探討，提出基于任務驅(qū)動的小學機器人校本課程開發(fā);王同聚[6]通過機器人教學案例，提出Scratch編程與機器人交互平臺的虛實結(jié)合將拓展其應用范圍和創(chuàng)新功能。

當前小學機器人教學中，教師大多采用逐步演示的教學方法呈現(xiàn)機器人模型的搭建，學生則按照教師的演示逐步制作自己的機器人模型，存在一定的局限性。在班級授課制課堂中，學生數(shù)量一般在40人以上，學生的接受能力和動手能力具有一定的差異性，他們跟著教師逐步演示進行機器人模型搭建存在“一刀切”的問題：動手能力強的學生會覺得課堂節(jié)奏拖拉，容易產(chǎn)生倦怠情緒;動手能力弱的學生會跟不上教師演示的節(jié)奏，不利于課堂教學的開展。由于模型搭建的困難，常常導致在規(guī)定時間內(nèi)無法完成教學內(nèi)容。

國內(nèi)機器人教育相關機構(gòu)在進行機器人模型搭建教學時，常采用5～10人的小班化教學組織形式，以現(xiàn)場實操演示、實操演示視頻、3D或二維動畫動態(tài)演示、模型搭建卡、搭建手冊等方式呈現(xiàn)模型搭建過程，但這些方式并不適用于中小學校開展機器人普及性和創(chuàng)造性教學。這是因為實操演示視頻、3D建模和二維動畫制作的難度高、成本大、耗時長，學校無法花費大成本投入制作;雖然模型搭建卡、搭建手冊的制作相對容易，但學生使用過程中存在損耗嚴重的問題。

基于此，本研究提出一種以圖片為載體呈現(xiàn)機器人模型搭建過程的數(shù)字化教學資源設計策略，包括教學資源制作前的準備策略、制作中的拍攝策略、拍攝后的圖片處理策略和3D全景呈現(xiàn)機器人模型的輔助策略，可以通過計算機、投影和移動終端等工具播放圖片，學生通過觀看圖片自主完成機器人模型搭建，教師可以巡堂對搭建有困難的學生進行個別指導，而提前完成的學生可以往下進行，從而實現(xiàn)分層式個性化教學。

1? 梅耶多媒體教學設計原則

多媒體教學用詞語和畫面共同呈現(xiàn)信息，以促進學生學習。本研究提出以圖片為載體，配以文字說明的方式展示機器人模型搭建的過程。該方法需要遵循一定的多媒體設計原則，以學生有限的認知容量為基礎，最大化地呈現(xiàn)信息，幫助學生學習，實現(xiàn)有效的教學實踐。梅耶（Richard E. Mayer）基于人類學習的基本原則，包括雙向通道原則、容量有限原則和主動加工原則，提出聚焦要義原則、提示結(jié)構(gòu)原則、控制冗余原則、空間和時間臨近原則、多種媒體原則等十條多媒體教學設計原則。本研究基于聚焦要義原則、提示結(jié)構(gòu)原則、控制冗余原則等提出機器人模型搭建的教學資源設計策略。B961BF06-2413-4BCF-BEF6-D7CB5F28E2AB

所謂提示結(jié)構(gòu)原則，是指如果給學生學習提示，突出主要學習材料的組織，那么學生的學習效果會更好。提示可以幫助學生減少不必要的外在認知加工，把注意力集中在課文的一些關鍵要素上，并且將它們關聯(lián)起來[7]。例如：在模型搭建的展示圖片中，對于組件的變化通常采用顏色突出的箭頭對學生進行提示，減少過多的時間浪費，從而提高學生的搭建速度。

所謂控制冗余原則，是指以畫面、解說兩種形式呈現(xiàn)信息所產(chǎn)生的學習效果要比以畫面、解說、文本三種形式呈現(xiàn)信息所產(chǎn)生的學習效果更顯著[7]。

例如：在機器人模型搭建過程的展示圖片中，會對圖片進行圖序編排并附以名稱，通過圖片、文本兩種形式來呈現(xiàn)信息，控制信息的冗余，為學生提供更好的學習體驗，增強學習效果。

2? 模型搭建與拼接的教學資源設計策略

2.1? 教學資源制作前的準備策略

本研究以圖片為載體，設計呈現(xiàn)機器人搭建與拼接的教學資源，圖片拍攝的前期準備至關重要。由于機器人模型都是靜物，在拍攝方面需要拍攝人員充分考慮拍攝涉及的多個方面并進行調(diào)整，從而使圖片的質(zhì)量與效果得到保證。本研究提出以下前期準備策略。

2.1.1? 拍攝人員必須保持相機穩(wěn)定? 在拍攝機器人模型時必須要保證照片的清晰度，切記不可模糊。拍攝人員手持相機拍攝機器人模型按下快門時會出現(xiàn)輕微的抖動，照片勢必存在一定程度的重影或模糊。解決這一問題最有效的辦法就是使用三腳架，能夠有效保障拍攝的穩(wěn)定性。

2.1.2? 拍攝人員需要選擇合適的拍攝角度

在拍攝物體時比較常用的是0°角、45°角和90°角，也就是人們常說的低角度、斜拍和俯拍。0°角拍攝適用于拍攝突出、單一的物體，比如一個櫻桃，蛋糕上的一個裝飾物，可以更加突出縱深感。45°角是一個黃金拍攝角度，被認為是擺拍的最佳選擇，可以最大限度還原物體的形態(tài)，使物體顯得更全面、更立體。45°角也常常是人們自拍的最佳角度。90°角是比較難的一個攝影角度，而且使用90°角拍攝物體的時候很容易喪失立體感。對于機器人模型這種幾何立體感很強的物體來說，拍攝時只需要呈現(xiàn)出模型原本該有的立體感和形態(tài)即可。因此，拍攝機器人模型宜采用45°角，可以最大限度還原機器人模型原本的樣子，將模型的立體感完美地呈現(xiàn)在學生眼前，從而方便學生觀察，有助于他們完成機器人模型的拼裝。

2.1.3? 必須保證拍攝環(huán)境光線充足，背景簡單化? 機器人模型的拍攝一般都是在室內(nèi)進行，為了避免晝夜、晴天、陰雨天的光線差距產(chǎn)生的視覺差，需要通過攝影棚環(huán)境來保證光線充足，這樣所有照片所受光線就都是均勻并且一致的，可以給人很好的視覺效果。靜物拍攝一般會選擇白色、藍色、灰色作為背景底色，這幾種顏色不僅可以更好地突出主體，還能避免雜亂背景對觀者視線產(chǎn)生不良的干擾。同時，遵循梅耶多媒體教學設計原則中的控制冗余原則，背景簡單可以使學生的注意力更好地保持在模型組件上。鑒于機器人模型的組件顏色基本是灰色、白色、紅色、黃色，為避免背景與組件顏色重疊，建議照片背景選擇藍色，藍色不僅象征美麗、文靜、安穩(wěn)與潔凈，還可以給人一種沉穩(wěn)、理智、準確的感覺。

2.1.4? 模型本身必須干凈整潔? 除了客觀因素的考慮，模型本身也是必須要考慮的方面。經(jīng)過長期使用，機器人組件會產(chǎn)生一定的磨損，導致組件變臟，顏色有偏差。因此，用于拍攝機器人模型的機器人組件最好是全新的、無磨損的，避免后期圖片處理費時費力。

2.2? 教學資源制作中的拍攝策略：以“滑梯”為例

機器人模型搭建從基礎的一個個小組件開始，隨著使用的組件數(shù)量和種類的增多，逐步成為一個立體模型。在模型從簡到繁的過程中會出現(xiàn)從單一角度無法縱觀全貌、復雜拼接步驟學生看不懂的情況，此時采用單一視角展示模型拼接產(chǎn)生的變化，會讓學生在視覺上產(chǎn)生偏差，影響他們對新知識的認知建構(gòu)。針對這些情況，本研究以“滑梯”為例，提出復雜模型呈現(xiàn)的拍攝原則和復雜拼接展示的拍攝原則。

“滑梯”是小學機器人教學中相對較復雜的一個拼裝模型，模型搭建使用的組件較為全面，模型搭建的復雜程度具有一定代表性。在“滑梯”教學案例中，采取的機器人模型搭建的拍攝原則普遍適用于小學階段的各種機器人模型。

2.2.1? 復雜模型呈現(xiàn)的拍攝策略? 小學生的思維活動在很大程度上仍局限于具體的事物和過去的經(jīng)驗，缺乏抽象性，因此，當模型搭建到一定的復雜程度時，僅僅從一個角度無法看到模型搭建變化的全貌。針對這一問題，本研究采取的解決策略是多角度拍攝，形成物體三視圖（圖1），即對同一狀態(tài)的機器人模型分別從正面、側(cè)面和上面進行拍攝，形成正視圖、側(cè)視圖、俯視圖。

機器人模型這類三維空間的物體用平面圖呈現(xiàn)出來的時候，學生看到的只是機器人模型的一個畫面，但是從機器人模型的不同角度去觀察時，所看到的機器人模型有很大的不同。拍攝角度的多樣化可以增加對于一個物體的全面了解。因此，對于復雜的模型需要拍攝者分別從機器人模型的正、側(cè)和俯視角度拍攝正視圖、側(cè)視圖和俯視圖，達到對機器人模型的全方位呈現(xiàn)，從而使學生多角度對機器人模型有一個全面了解，避免單一角度的圖片對學生的認識產(chǎn)生誤導，不利于對學生多元智能的培養(yǎng)。如圖1所示，從單一視圖觀察，學生無法看出機器人模型的全貌，難免會對機器人模型的理解有偏差，產(chǎn)生疑惑與不解;但是將物體的三視圖相結(jié)合來看，學生則可以一目了然。

2.2.2? 復雜拼接展示的拍攝策略? 當模型的拼接漸入復雜，拼接組件的種類與數(shù)量均不止一個時，必須嚴謹?shù)靥幚頇C器人模型的拼接過程，使學生清晰地看出此步驟需要的組件種類與數(shù)量、如何進行拼接、完成該步驟拼接后的效果。只有這樣，學生才能夠理解并且獨立完成機器人模型的拼裝。本研究采用的復雜拼接展示的拍攝原則如圖2所示。B961BF06-2413-4BCF-BEF6-D7CB5F28E2AB

首先，將這一步拼接所要用到組件擺在當前模型的下方，形成組件呈示圖（a），能讓學生清晰地看到下一步拼裝需要哪幾種組件，每種組件需要多少個，并能順利找到所需要的全部組件;其次，將這一步要用到的組件先連接起來，形成一個獨立的組合體并擺放在當前模型下方，形成組件拼裝圖（b），便于學生仿照，快速完成拼裝;再次，將模型造型更換成要拼裝的狀態(tài)，形成位置呈示圖（c），方便學生理解兩部分模型要如何進行拼接;最后，呈現(xiàn)出此步模型拼接完成后的狀態(tài)，形成最終效果圖（d），即此步拼接完成后所要達到的模型效果，便于學生檢查自己是否拼接正確，如有錯誤能及時糾正錯誤，避免往后拼裝過程中發(fā)現(xiàn)錯誤時可能需要重新拼裝，浪費過多的時間。

2.3? 教學資源制作中的圖片處理策略

2.3.1? 圖片處理技巧與方法? 機器人模型拼裝過程以圖片呈現(xiàn)的方式為主，對于圖片的要求相對較高，除了前期拍攝十分重要，后期的圖片處理也是不可忽視的、重要的一部分。本研究對于圖片的處理以Photoshop為主，參照網(wǎng)格線使用“剪切”工具調(diào)整照片的構(gòu)圖，使用“曲線”命令還原照片的顏色，調(diào)節(jié)局部亮度，使用“亮度/對比度”命令調(diào)節(jié)照片的整體亮度并增強對比度，使用“曝光度”命令增加或減少照片的曝光度，使用“污點修復畫筆”工具對照片背景中存在的小瑕疵進行修補，以達到合適的展示效果。

2.3.2? 箭頭的使用? 小學生精力旺盛，但自制力不強，通常缺乏耐心，注意力集中的時長較短。在復雜模型的搭建過程中，在規(guī)格比較小的組件拼接情況下，小學生可能無法順利地找到組件并正確拼接，從而產(chǎn)生急躁情緒，影響課堂教學實施效果。因此，教師需要對細微變化處加以鮮明標注。箭頭在生活中無處不在，可以用來指示某個方向，可以用來表示做某件事情的順序，還可以對細微變化起到重點提示的作用。本研究在機器人模型搭建過程的展示中使用橙色的實心箭頭對細微變化處進行標注，如圖3所示，可以引起學生注意，更易于學生觀察出拼接的組件與“誰”連接，具體在哪個位置連接，提高學生拼接機器人模型的速度，幫助學生順利完成機器人模型的拼接任務，避免他們喪失對機器人學習的興趣與積極性，在很大程度上規(guī)避阻礙機器人教育開展的不利因素。

2.4? 機器人模型呈現(xiàn)的輔助策略：3D全景呈現(xiàn)

在機器人模型的呈現(xiàn)策略中，除了考慮機器人模型搭建與拼裝的呈現(xiàn)策略，機器人模型成品的展示也是至關重要的一點。對于機器人模型成品的展示，除了使用靜態(tài)圖片，還可以利用3D動態(tài)全景技術拍攝出3D全景視頻，學生通過手機、Pad等電子產(chǎn)品可以360°旋轉(zhuǎn)查看機器人模型成品。目前，很多市面上的手機都具有3D動態(tài)全景功能，拍攝的時候按住拍照按鈕不松，實物不動，拍攝人員360°緩慢平移，或者拍攝人員不動，將實物緩慢旋轉(zhuǎn)360°，拍攝完成后在相冊中找到圖片，點擊建模就可以實現(xiàn)3D全景圖片的制作。支持該功能的手機左右搖晃或者滑動屏幕即可查看3D全景圖。通過3D動態(tài)全景技術可以捕捉到機器人模型的全角度，實現(xiàn)全景拍攝。通過這個3D全景圖，學生可以全方位地觀察機器人模型，有利于認識和了解機器人模型，更好地學習。

3? 教學資源設計策略實施結(jié)果

使用本研究提出的機器人模型搭建的教學資源設計策略，編寫紙質(zhì)教材《小學機器人教育初級教程》及其電子資源，在L省S小學開展兩個學期的教學實踐，實驗對象為小學四年級學生，每班級40名學生，每周一課時，學生學習以小組形式開展。研究主要從課堂觀察、與教師面對面訪談、與學生面對面訪談三方面來深入剖析模型搭建教學資源的作用和價值。

從課堂觀察角度發(fā)現(xiàn)：學生在進行模型搭建時，絕大多數(shù)小組可以利用紙質(zhì)教材和電子資源組內(nèi)協(xié)作完成機器人模型搭建，學生積極參與，課堂投入情況良好;極個別小組存在組內(nèi)有學生渾水摸魚、不積極參與的情況。

與教師面對面訪談發(fā)現(xiàn)：學生完成機器人模型搭建部分所用時間明顯縮短，為后面完成編程和測試運行留出足夠的時間，一節(jié)課的教學內(nèi)容基本可以保證順利完成，這是一個很大的進步。此外，學生在進行模型搭建時，基本不需要教師的指導和組間交流，小組成員相互配合即可完成，教學實施效果很好。

與學生面對面訪談發(fā)現(xiàn)：學生在模型搭建過程中的感受有很大的改變，模型搭建的完成率明顯提高，注意力明顯集中;大多數(shù)學生認為模型搭建不再是難題，增強了學習信心，提升了自我效能感。

綜上所述，本研究提出的教學資源設計策略在實際的教學應用中能夠切實提高學生的課程參與度，提升學生的自我效能感，增強學生的學習信心和興趣，減輕教師的授課負擔，降低教師的教學難度，為學校機器人課程的開展提供了有力的支撐。

4 總結(jié)

隨著人工智能時代的到來，機器人會以更加多元的形式走進師生的學習和生活，機器人教育也會融合更多的學科思想，成為學生學習必不可少的一部分。本研究通過項目研究與實際操作，提出以圖片為載體的機器人模型搭建與拼裝的呈現(xiàn)策略，學生可以利用模型搭建過程的教學資源，脫離教師指導，自主完成機器人模型搭建。該策略適用于小學階段機器人模型搭建部分的教學內(nèi)容，教學資源制作簡單，成本較低，使用方便，能夠為從事機器人教育工作的教師提供一種可操作、可持續(xù)使用的機器人模型搭建的教學資源設計策略?！?/p>

參考文獻

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*項目名稱：沈陽師范大學教育教學改革研究項目“‘協(xié)同育人模式下《智能機器人設計與制作》課程教學改革研究”（JG2021-YB009）。

作者：姜雪，沈陽師范大學在讀碩士，研究方向為教學分析與評價;荊永君，沈陽師范大學，教授，研究方向為教師教育研究、在線教育與學習分析（110034）。B961BF06-2413-4BCF-BEF6-D7CB5F28E2AB