創客教育視域下中小學機器人教學模型構建

張 爽，王小根，趙康健（江南大學教育信息化研究中心，江蘇無錫214122）

創客教育視域下中小學機器人教學模型構建

張 爽，王小根，趙康健
（江南大學教育信息化研究中心，江蘇無錫214122）

創客教育作為創新型人才培養的新型教學模式得到越來越多教育工作者的關注，機器人教育承擔著培養中小學生創新實踐能力的重任，也是創客教育實踐的課程基礎。文章分析了機器人教學現狀與存在的問題，將創客教育與機器人教育相融合，對中小學機器人教學模型進行構建。通過與傳統機器人教學的對比，闡明創客教育視域下的機器人教學模型的優越性。基于學習流程，構建出集“知識學習過程”、“模仿過程”、“創造過程”于一體的教學模型。以期為中小學機器人教育和創客教育的教學實踐提供參照。

創客教育；機器人教學；教學模型

一、引言

2015年初，李克強總理探訪深圳柴火創客空間，推動了“大眾創新、萬眾創業”的浪潮。創客們在創客空間里共享資源和知識，來實現他們的想法［1］，創客們一起協作，利用創客空間里的技術和硬件實現他們的創意［2］。隨著創客空間的普及，將創客思想與教育融合也越來越引起教育者的思考。2012年美國政府宣布，在未來四年內，將在1000所美國中小學校引入創客空間，配備開源硬件、3D打印機和激光切割機等數字開發和制造工具，通過推動創客空間的建設和各種創客項目的實施，培養孩子們的興趣、動手能力和創造力。2015地平線報告（New Horizon Report）中指出，在未來三到五年之內，學生有從知識的消費者（Consumer）轉換為創造者（Creator）的趨勢，在未來一年內創客空間將成為學校應用的主流［3］，而創客教育在這個轉變中將會起到至關重要的作用。創客教育以培養學生的動手能力、創造能力、分享精神為目標，提倡基于創造的學習，秉承“做中學”、快樂學習、基于項目的學習、體驗學習等理念［4］，充分發揮學生在學習過程中的主體作用。

作為一項新興事物，從國家課程、地方課程到校本課程，創客教育還缺乏完整、成熟的課程和實踐，糅合創客思想、改造現有課程成為中小學創客教育開展的有效方法。中小學機器人教育涵蓋多方面內容，強調手腦并用，是培養中小學生科學素養和創新能力的重要載體，也是在校園內開展創客教育的良好平臺［5］。將創客教育的理念融入到中小學機器人教學，對原有的教學模型進行重構，可以為機器人教學提供新方法、新思路，指導教師在創客教育的視域下開展機器人教學。同時，能夠充分發揮機器人教學的特點與優勢，讓學生能夠體會到動手、創造、分享的快樂，促進學生的全面發展。

本文首先分析了當前中小學機器人教育教學的現狀，將創客教育的理念與目標和中小學機器人教育的目標進行了對比分析，從中分析當前中小學機器人教育中揉入創客精神培養的空間和方向，嘗試重構了面向創客教育的中小學機器人教學模型。

二、中小學機器人教學現狀分析

機器人融合了機械制造、電子技術、傳感器、無線通訊、聲音識別、圖像處理和人工智能等領域的先進技術，代表著現代高新技術發展的前沿［6］。2003年4月教育部正式頒布《普通高中技術課程標準（實驗）》，首次在高中“信息技術”、“通用技術”課程中分別設立了“人工智能初步”、“簡易機器人制作”選修模塊，部分省市也把機器人教學內容納入到初中和小學信息技術、綜合實踐和科學課程中［7］。目前國內已有數百所學校開展了機器人教學，主要以機器人教學和機器人競賽的形式展開［8］。經過十余年的教學和實踐，中小學機器人教育教學取得了長足的發展，從早期的由競賽推動到當前的注重能力的培養。然而在我國基礎教育中，機器人教學部分沒有明確進入國家課程序列，在國家的課程體系框架中是采用的三級課程體系設計，即國家課程、地方課程和校本課程［9］。因此，多數學校都是以校本課程和興趣小組的形式開展機器人教育，由于缺乏一定的課程標準和相關專家的指導，各學校的機器人課程的教法、學法以及采用的機器人種類不盡相同。

目前開展機器人教學的學校普遍采用任務驅動法、講授演示法、講練結合法這三種普通信息技術課的教學方法進行教學［10］，而機器人課程與信息技術課程相比有其鮮明的特點，機器人課程涉及到多學科知識的融合，更偏重于學生的動手實踐，機器人教學的一個重要目標則是培養學生的創新能力。單純的任務驅動、講授演示與講練結合更適合于機器人基礎知識內容與簡單技能掌握的教學，而不能給學生充分的創造機會和創造空間，這很難促進學生創新能力的形成與發展。因此，機器人教學不能簡單的模仿信息技術課程，而應在此基礎上引入新的教學理念，發揮學科特色，形成機器人學科特有的教學方式。創客行動席卷全球的背景下，創客教育融合信息技術的發展，為創新教育開拓了新園地［11］。在提倡人人皆可為“創客”的環境中，亟待用創客教育的理念對中小學機器人教學模型進行重構。

三、創客教育視域下的機器人教學

創造、技術、全人發展是中小學創客教育內涵中最重要的因素［12］。創客教育視域下的機器人教學目的在于為所有學生提供適宜的用于創造的環境、資源與機會，特別是利用一些技術工具和資源，使學生可以將學習過程與創造過程相結合，實現基于創造的學習；同時，使學生在創造過程中提高學習質量，尤其是提升科學、技術、工程、數學、藝術等學習中的自信心、創造力與興趣［13］，在這樣的學習中，學生不再是知識的被動接受者，而是身兼數學家、科學家、發明家等多重角色［14］。創客教育視域下的機器人教學可以說是一種新的教學理念和教學方式的體現：

（1）教師主導地位弱化

傳統課堂中教師是學習的主導者，而在創客教育中教師是學習的引導者。教師不再是知識傳遞中心，學生可以根據創造的實際需要自主獲取新知識，新資源，但在學生學習過程中教師仍具有十分重要的推動作用。當學生在創造的過程中需要指導的時候，教師便會向他們提供必要的支持。教師的任務是通過教學活動的設計來培養學生的興趣、習慣和能力，但是不能干預學生的選擇與創造。

（2）學習形式多樣化

創客教育中學生可以在課堂上學習到基礎知識與操作技能，課堂中教師減少了講授時間，留給學生更多的自己動手的時間。教師通過設計與實際問題相關的項目和課題讓學生進行制作，學生在交互協作中完成自己動手的過程。學習和制作的過程并不局限于課上的時間，還可以利用課后時間在學校的創客空間內進行制作，知識的來源也是多方面的，不僅僅是教師的指導，也包括同學、社會上的創客以及互聯網的海量資源等等。

（3）注重分享交流

克里斯·安德森提出創客運動一個重要的特點就是“分享”［15］。分享也是創客教育中一個不可忽視的組成部分，在學生完成作品之后，要與其他同學分享創作的過程、資源與心得，不僅能夠將知識與資源進行共享，還可以方便其他學生在此基礎上繼續進行制作。同時，這種分享精神將滲透到學生的生活當中去，更是未來發展的寶貴財富。

四、創客教育視域下中小學機器人教學模型

為改造當前我國中小學機器人教學，糅合創客教育的內涵、特征與理念，本文結合中小學機器人教學的實際需求，構建出更加完善的適合中小學的機器人教學模型（見圖1）。該教學模型強調“做中學”和基于項目的學習，充分調動學生的積極性和能動性，讓學生在自己動手的過程中習得基本知識原理，學會工具的使用；在模仿項目學習中深化知識內容，了解如何將理論應用到實際項目中；在創造過程中學生發揮想象力，確定創造的項目，通過合作探究，協作完成創造項目。

圖1　創客教育視域下中小學機器人教學模型

信息技術和開源的資源是創客教育實施的兩個有力杠桿，創客空間中配備學習與創造過程中需要的設備與資源，構建出個性化協作式的學習環境；多名教師在學生的學習過程和創新性項目的實施中進行指導，為創客教育實踐提供支持與保障。

1．知識學習過程

知識學習過程是基礎部分，是學生能夠產生創意以及進行自主創造的重要保證。很多教育工作者往往將創客教育的核心放在“創”上，“創”固然重要，但是沒有一定的知識儲備，再精彩的創意也很難變成現實，只有學生具備了相關基礎知識，才能將想法付諸于實踐，通過不斷的學習和制作，最終創造出具有其他功能的機器人。

創客教育視域下的機器人教學的知識學習過程不同于傳統課堂，并非教師講、學生聽，教師操作演示完，學生進行模仿操作的形式。在創客教育理念指導下知識學習過程中，教師與學生是平等的角色，學生以小組的形式集中在一起，教師在學生中間，邊講解邊操作，學生的動手做與教師同時進行，學生可以根據教師的講解自己動手操作教師講解的內容，也可以根據自己的理解進行類似內容的操作，學生具有自主權，自己決定如何學習。

在知識學習過程中，教師是學生學習的引導者，教師講解結束之后給學生充分的時間自己動手操作，教師則在各個小組之間觀看學生操作，幫助學生解決遇到的問題，在這個過程中幫助學生鞏固所學內容。學生是學習過程的主導者，學生自己把握學習的節奏和步調，自己選擇學習方式，可以自主探究也可以與小組同學共同學習。

2．模仿過程

模仿和嘗試錯誤是學習復雜動作技能的早期階段［16］，學生的創新過程以模仿作為起步［17］。模仿過程中，學生并非跟著教師的操作進行模仿，而是進行模仿型項目學習，教師提供有目標的模仿項目以及具體操作流程，學生據此進行模仿練習。在這個過程中，學生通過小組協作的形式進行學習，不斷嘗試，在錯誤中通過同伴互助或教師幫助來完成整個項目。模仿過程的目的在于讓學生通過模仿操練成熟的學習項目來深化機器人相關的基本知識，了解機器人原理如何應用到實際機器人設計與制作中。

3．創造過程

創造過程是創客教育的理念融到機器人教育中的特色，也是整個教學模型的核心部分，在創造過程中，學生根據自己想要制作的機器人進行方案設計，再根據設計的方案發現完成機器人制作需要解決的問題，進而自主探究解決問題，當問題解決后進行機器人的制作，機器人制作完成后與同伴、教師進行分享交流，最后教師對作品以及整個過程進行評價。這個過程完全放開讓學生自己去做，培養學生的動手能力與創造力，讓學生在自己動手、解決問題的過程中感受到創造的快樂，體會到自己動手把想法變成現實的成就感和喜悅。

（1）選定創造項目

在基礎知識與模仿型項目學習結束后，學生需要確定自己想創造的作品，學生可以結合所學內容，根據自己的興趣自主選擇。教師在學生進行創造項目的選擇時，要肯定學生的創意，激發學生創造的熱情，對于一些現實中完成不了的創意，教師在給出建議時要注意言辭，給予肯定的同時表達出修改意見，注意不能打擊學生進行創造的信心。

（2）設計實施方案

學生在正式開始創造之前需要設計產品制作實施的方案，方案的制定幫助學生理清作品應該怎么去做，方案的設計是指對創造中所涉及的活動預先進行計劃，實施方案的設計應該包含如下兩個方面，作品制作的步驟和制作的時間安排。學生在進行制作的時候根據實施方案來進行，可以保證學生的制作進度，同時也可以幫助學生的制作有序進行。方案可以根據制作過程中遇到的問題和實際情況進行修改。

（3）發現問題

在實施方案設計完成后，學生需要對所要制作的作品進行分析，在分析的過程中發現想要將自己的創意變成現實還需要解決哪些問題，這些問題可能是資源上的問題，也可能是技術上的問題、知識上的問題等等，學生需要將這些待解決的問題列出來，逐項解決。

在這個過程中，教師幫助學生檢查所考慮的問題是否全面，如果不全面，教師引導學生全面思考，盡可能多的發現問題。同時，教師需要注意學生情緒的變化，有的學生可能會由于待解決的問題太多而喪失信心，教師應該對此進行合理引導，給予學生解決問題的信心。

（4）自主探究

確定了待解決的問題以后，學生進入自主探究階段，根據所學知識來解決創造過程中的問題。自主探究的過程中學生先根據自己的能力解決可以處理的問題，解決不了的問題可以與同學、老師探討解決對策，也可以使用互聯網來搜集資料，甚至可以向社會上的創客空間尋求幫助。自主探究的形式是由學生自己決定的，學生可以選擇適合自己的方式進行探索。

教師在這個過程當中是輔助學生探索的角色，教師可以在學生需要時適當的給予指導，但并不是整個過程都告訴學生怎么去做；學生探究時會需要多種資源，此時，教師應提供學生需要的資源，為學生的探究提供充足的條件，盡可能保證學生創造作品的順利進行。

（5）動手制作

經過前幾個階段的準備，學生已經具備了把想法變成現實的全部條件，可以進入動手制作的過程。動手制作過程是創客教育區別其他教學模式的重要特征，在這個過程中，學生將自己的創意轉換成現實中的作品，體會通過自己的雙手創造出新產品的樂趣。學生在進行制作的時候仍會遇到一些困難，然后再進入發現問題階段，通過自主探究進行解決，再接著進行動手操作。

（6）分享交流

作品制作出來之后，同學之間要相互交流，展示自己制作的作品，分享作品制作的過程，以及在這個過程遇到的困難和解決辦法，同時交流自己的經驗和體會。在分享交流中，參與的人員除了本校的領導、老師和學生以外，還可有校外來賓，如家長、其他學校的教師和學生和社會上的創客等。學校也可以組織學生定期與校外創客空間進行交流，讓學生感受到創客的文化與魅力。

（7）作品評價

創客教育理念下的教學與傳統教學的一個重要區別還在于學習評價。在創客教育的理念下，評價要求由教師、同伴、社會上的創客以及學習者自己共同來完成。它不但要求對作品最終的評價，同時也強調對創造過程的評價，真正做到了定量評價和定性評價、形成性評價和終結性評價、自我評價和他人評價之間的良好結合。

評價的內容有作品的功能性、實用性、作品創意、學生在創造過程中的表現、計劃、時間安排和成果展示等方面。對結果的評價強調學生的知識、動手能力和創新能力等，對過程的評價強調各種原始數據、活動記錄表、調查表、訪談表、學習體會等的評價。

五、結語

創客教育自2011年傳入我國后得以不斷發展與推廣，短短幾年間，已成為我國課堂教學改革的新潮流。創客教育視域下的機器人教學，不僅關注機器人知識的學習和操作技能的掌握，同時注重學生的動手操作、創新和分享，體現的是對全人發展的影響。資源的開源性與技術門檻的降低，越來越多的教育工作者們也開始了創客教育的教學實踐的探索。創客教育理念支持下的機器人教學模型或許可以為中小學開展創客教育提供參考。

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（編輯：郭桂真）

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1673-8454（2016）12-0019-04