基于創客教育的創客課程教學設計研究*
——以人工智能實驗“塑料（PVC）機械猴”制作為例

馬云霞，秦　健，白　珍（.陜西師范大學教育學院，陜西西安7006；.陜西省教育科學研究所，陜西西安7006）

基于創客教育的創客課程教學設計研究*
——以人工智能實驗“塑料（PVC）機械猴”制作為例

馬云霞1，秦健1，白珍2
（1.陜西師范大學教育學院，陜西西安710062；2.陜西省教育科學研究所，陜西西安710062）

文章基于創客教育理念，設計并實施了機器人興趣類課程。課程課堂教學分為集中教學和小組合作兩個部分，教師和助教作為課堂教學的引導者，學生作為主體通過同伴互助和教師引導完成小組任務。文章通過問卷調查和訪談法，對19名研究對象“PVC機械猴制作”課程學習情況展開研究，發現一堂良好的教學設計對機器人學習效果有一定影響；創客課程的設計不僅主題要選取恰當，根據學生認知水平來設計難易程度不同的任務，而且對教學活動的細節設計要再完善，使其更具體，同時要善于接受學生對教學活動等提出的建議和意見，最終實現師生的共同成長。

創客；創客教育；機器人教育；創客課程教學設計；教育信息化

教育部辦公廳《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見》（征求意見稿）中提出：有效利用信息技術推進“眾創空間”建設，探索STEAM教育、創客教育等新教育模式，使學生有較強的信息認識與創新意識，養成數字化學習習慣。［1］

“創客教育”以“創新”為代名詞正在逐步地影響著教育教學，它可以更好的使讓學生進行意義建構，即有意義學習。因此設計一節基于創客教育理念下的教學設計是創客課程教與學過程中非常最重要的一個環節，同時這也是基于教育一線對人才培養的需求，我們設計并實施了改革實踐課程的內容。

一、創客和創客教育

創客運動可以理解為“互聯網+DIY”：人人都可以像科學家、發明家一樣，利用身邊的一切資源（如軟硬件、材料等），將自己的創意變成現實，并通過互聯網平臺快速分享給全世界。［2］創客起源于美國，它源自英語單詞“Maker”，原意是指“制造者”［3］。現在，創客指代用網絡、3D打印以及其他新興科技，把創意轉換成現實，勇于創新的一群人［4］。他們喜歡并且享受創新，他們不分年齡、性別，只要個體具有創新意識、創新精神、動手能力，加以不斷的嘗試、協作將創意變現實并通過創客社區分享，每個人都可以是信息化時代的創客。

創客教育以信息技術的融合為基礎，傳承了體驗教育、項目學習法、創新教育、DIY理念的思想 （祝智庭等，2015）；［5］提倡“基于創造的學習”，強調學習者融入創造情境、投入創造過程（鄭燕林等，2014）。［6］“創客教育”雖然是新生事物，但創客活動與教育領域的交叉、相互影響、相互融合，對推動教育信息化的進程有著重要的作用。

二、創客課程

1.課程介紹

《人工智能實驗課》是基于樂高、Arduino、PVC等開源軟硬件，通過編寫代碼以及連接配件的方式來完成小組任務，從而創造出電子產品。該課程面向對機器人設計與制作感興趣的大學生提供學習、交流、動手實踐的機會和平臺。

2.教育目標與活動

課程旨在讓學生運用教師及助教給出的教學案例，來實現程序功能，重點在于通過動手實踐來學習如何設計富有創意的機器人。具體目標首先是讓學生了解PVC機器人相關知識；其次是讓學生通過自己動手制作各類機器人，培養學生的動手能力與操作能力。

三、研究對象與研究方法

1.研究對象

《人工智能實驗課》是針對陜西師范大學教育學院2012級教育技術學專業本科生開設的選修課，在2014-2015學年的第二學期中選修本課程實驗課的學生共有19人，授課教師為陜西師范大學教育學院秦健副教授。

2.研究方法與步驟

根據研究的需要，本研究采用問卷調查法和訪談法。問卷有兩個部分：即為前測問卷（記為Q）和后測問卷（記為H），問卷采用李克特五點計分法，選用克倫巴赫系數來檢驗量表的內部一致性信度。前測整體與后測整體的Alpha值依次為0.741、0.796，可見研究所采用的調查問卷具有較高的可信度。訪談是每節課之后以及課程結束后對學生進行半結構訪談。

第一步，前測問卷調查，是在課程開始之前對19名研究對象做了一個關于《人工智能實驗課》學科基礎知識的調查，前測問卷包括了學生對于機器人的興趣（Q1）和已具備的基本水平（Q3）、對創客課程的態度（Q2）等。

第二步，分組。其遵循多元化的原則，讓學生根據自愿、性別、學科背景、興趣愛好等不同因素自由組合學習小組。最終形成每2至3人的8個小組。

第三步，實施教學活動。首先向學生介紹課程概述，然后進入正式的課程學習階段，課堂上采用小組合作的方式，進行小組間成果互評，相互質疑，促進新知遷移。

第四步，后測問卷（H）調查，課程結束之后同樣采用問卷調查法對研究對象對機器人的興趣（H1）、對創客課程的態度（H2）、對機器人的學習情況（H3）這三個維度來調查學生課程結束后對課程的態度和學習效果的情況。

第五步，對學生進行半結構訪談，了解各個小組本人學習與合作學習的情況以及各個實驗課機器人功能實現之后的感悟與心得體會。

3.教學過程

本實驗課程基于創客教育的理念，著重開發及培養學生的創新意識與創新能力，通過一系列實際動手操作活動，激發學生的創新意識及提高學生的動手能力。本文將選取該實驗課中的“塑料（PVC）機械猴制作”［7］這一實驗展開討論創客課程教學設計。

在本節實驗課中教師和助教的主要工作首先是講解PVC機械猴實現運動的原理，其次是為每組提供原材料和案例代碼，在小組制作機器人的過程中，教師和助教為學生提供引導與輔助講解，學生之間進行互助式學習，實現知識和想法的交換。

PVC機械猴實驗課主要是模仿靈長類動物在吊繩攀爬時的運動方式。本案例的機器人造型類似一只猴子，故又稱為“機械猴”，案例采用模塊化的開發方式，可以快速有效的完成整體機器人的搭建。下面將從機械猴實現運動的基本原理、材料準備、制作過程、調試完善幾個方面做一些簡單介紹。（教學流程見圖1）

圖1　教學流程圖

圖2　教學各要素關系圖

圖3　教學場景

（1）基本原理

圖4　連桿結構圖

本案例中吊繩攀爬機器人運動的方式是以減速電機為動力，通過連桿機構（見圖4）來實現在繩索上的攀爬運動。即由抓握住繩索的一只手臂把身體往前送；接著由另一手臂再往前抓握新的一段繩索；然后原來的手臂放棄抓握繩索，身體往前擺；再由抓住繩索的手臂把身體往前送……如此循環往復，實現在繩索上攀爬前進。

本案例中我們采用電機作為動力，為了實現繩索上的攀爬，需要把電機的旋轉運動變為不斷前后擺動的抓伸運動，為了使本項目機器人能夠吊掛在繩索上，機器人與繩索接合的部分設計成了一個吊鉤（見圖4）的形狀。

本案例機器人的電路原理是一組電池連接一個電機，中間通過一個撥動開關來控制電路的通斷。

圖5　成品展示

（2）材料準備

實驗材料包括減速箱部件、主體結構部件以及電源部件的材料。

（3）制作過程

制作過程主要包括主體結構、電源、總裝三個方面。其中主體結構分為動力、腿部、背部、傳動、手臂、接口、頭部、腳掌、軀干九部分；電源分為支架、開關、導線、接口四部分；總裝就是把整個電源模塊固定到結構平臺的背部，然后再將把DC-7A電源模塊的PH插頭插入結構平臺的PH插座上，這樣就完成整個吊繩攀爬機器人的制作。

（4）調試完善

這個環節主要是通電檢查電路連接，進行測試與調試，以及對其他細節進行修正。

四、研究結果

1.對機器人的興趣和對創客課程的態度

對參與調查的學生進行描述性統計，結果如表1所示，可以得出：選修人工智能實驗課程的學生對機器人有很高的興趣，對科學的學習態度也較積極；在對機器人的興趣和對創客課程態度上均具有更高的得分，即對機器人的興趣和對創客課程的態度較積極的學生更易堅持學習完整的課程內容；可見創客課程在一定程度上提高了學生機器人的興趣和對創客課程的態度。

表1　對機器人的興趣和對創客課程的態度前后測描述性統計量

2．創客課程學習情況

對后測的學生進行描述性統計，發現學生對創客課程的態度具有較高的評分（4.232），對機器人的學習情況即學習效果得分也較高 （3.889）。為進一步探究學生對創客課程的態度和學習情況，對學生進行針對這兩個維度的半結構性訪談，可以得出參與課程后的學生對創客課程的評價普遍較高。例如“課程設計挺好的，（完成整個作品之后）比較有成就感”、“實驗主題很好，自己參與全部過程并完成作品很有成就感，除了切割比較困難（之外）”等。但是對于“PVC材料的裁剪”環節評價較低，例如 “材料特別難裁剪，（應該）提供裁剪好的材料”、“（PVC材料）難打孔”，這可能是由于選課學生中大部分為女生，所以在材料裁剪過程中裁剪材料和使用工具時較為困難。

3．機器人知識掌握程度明顯提高，基本達到了該課程的教學目標

從前測的數據可以看出絕大多數學生對于機器人基本知識只是處于聽說過甚至未聽說過。后測數據顯示絕大多數學生認為自己已經掌握或者基本掌握了機器人基本知識。在訪談的過程中，絕大多數被訪談者表示已經掌握或者基本掌握了簡易機器人設計、制作等一系列的方法。例如“在學習機器人之前，覺得機器人是特別‘高大上的'，很容易掌握一些基本的（機器人）知識”，“覺得還蠻有趣的，比起單一的學習理論，自己動手進行實際的操作……鍛煉了我們的動手能力，很充實”。同時表示在課后也積極應用設計、制作機器人的方法。

五、結論和建議

通過前后測問卷的調查分析和訪談，可為開展創新實踐類的課堂教學模式提供以下建議：第一，在課堂中需要不斷激發學生的興趣，并鼓勵學生從生活中發現創意；第二，教師要敢于設計實踐課程、敢于要求學生，并提供針對性的輔助講解和擴展性知識；第三，學生雖然對課程活動較為滿意，但仍有學生認為活動設計不合理，所以教師及助教要明確實踐課程目標提前給予課程資源；第四，評價方式可多樣化，讓不同水平的學生靈活地選擇可以實現的任務，允許制作結果的多樣化，同時善于接受學生針對教學提出的意見與建議，使得師生在教與學的過程中實現共同成長。

［1］教育部辦公廳關于征求對《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見（征求意見稿）》意 見 的 通 知 ［Z］.http：//www.moe.edu.cn/srcsite/A16/ s3342/201509/t20150907_206045.html.

［2］楊現民，李冀紅.創客教育的價值潛能及其爭議［J］.現代遠程教育研究，2015，（02）：23.

［3］（美）克里斯·安德森，譯者：蕭瀟.創客新工業革命［M］.北京：中信出版社，2012：9-23.

［4］李凌，王頡.“創客”：柔軟地改變教育［N］.中國教育報，2014-09-23（005）.

［5］祝智庭，孫妍妍.創客教育：信息技術使能的創新教育實踐場［J］.中國電化教育，2015，（1）：14-16.

［6］鄭燕林，李盧一.技術支持的基于創造的學習——美國中小學創客教育的內涵、特征與實施路徑［J］.開放教育研究，2014，（6）：42-44.

［7］pvcbot，吊繩攀爬機器人［J］.中學科技，2013，11.http：//www.diy-bot.net/_book/boo_article_show.aspx？artSN= 147.

［8］Chu H，Hwang G，Tsai C，et al.A two-tier test approach to developing location-aware mobile learning systems for natural science courses［J］.Computers&Education，2010，（4）：1618-1627.

［9］王辭曉，傅騫，楊思思.創客視野下的創意電子課程設計研究［J］.現代教育術，2015，（10）：106-112.

（編輯：郭桂真）

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1673-8454（2016）12-0012-04

本文為陜西師范大學第三批信息化師范課程項目“人工智能”項目的階段性研究成果。本文受“機器人在中小學創客教育中的應用研究”項目（項目級別：教育部“十二五”教育科學規劃重點項目DHA150287）、陜西師范大學高等教育教學改革研究項目“師范院校工程技術專業學生工程思維能力培養的研究與實踐”（編號：15JG13）資助。