高中Arduino機器人課程學習現(xiàn)狀調(diào)查與分析

金書輝 鄭燕林 張曉

摘要：創(chuàng)客教育的盛行給基礎(chǔ)教育領(lǐng)域帶來了革新，機器人教育作為創(chuàng)客教育的承接載體，為其在中小學的“落地”提供了一個適切的平臺，一些開源軟硬件的出現(xiàn)為兩者的融合提供了可能。Arduino作為一個代表性的開源平臺已成為中學實施創(chuàng)客教育的標準配置之一，同時也催生了一門新型的“創(chuàng)客課程”——Arduino機器人課程。為了解高中生在Arduino機器人課程中的學習現(xiàn)狀，旨在發(fā)現(xiàn)教學過程中存在的問題，以便對其做進一步改進，探索更有效的教學方式，該文從學生的興趣度、參與度、課程相關(guān)聯(lián)系度等維度出發(fā)，采用問卷的方式進行了此次調(diào)查。調(diào)查顯示：學生對Arduino機器人課程整體有較高的興趣度；能將課程與其他學科知識密切聯(lián)系，但與日常生活的聯(lián)系相對較弱；Arduino機器人課程能有效促進學生間的交流協(xié)作；學生在課程中的學習持續(xù)度有所欠缺。文章根據(jù)此次調(diào)查結(jié)果提出了相應(yīng)的課程優(yōu)化建議：注重課程內(nèi)容的各方面聯(lián)系整合；在知識講解和項目探究間保持動態(tài)的平衡；設(shè)置多維評價指標，及時給予學生反饋。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)客教育；Arduino機器人課程；現(xiàn)狀調(diào)查

一、引言

“創(chuàng)客”一詞的出現(xiàn)引發(fā)了創(chuàng)客運動的浪潮，它與教育的結(jié)合與碰撞也催生了一種新型的教育模式一一創(chuàng)客教育。創(chuàng)客教育強調(diào)基于真實情境中的手腦并重，借助技術(shù)工具將創(chuàng)造過程融入學習過程中，進行基于創(chuàng)造的學習，通過創(chuàng)意性的“造物”，鼓勵學生將頭腦中的想法變成現(xiàn)實。機器人作為信息技術(shù)教育的前沿領(lǐng)域，集創(chuàng)意性、跨學科性和實踐性于一身，涉及電子、自動控制、程度設(shè)計等多個學科領(lǐng)域，對于學生的創(chuàng)新思維能力、多學科知識綜合運用能力、合作探究意識和動手實踐能力的養(yǎng)成具有重要的作用。它主張學生通過機器人的制作和開發(fā)這一創(chuàng)造性的探究，將想法付諸于實踐，在實踐中運用跨學科的知識，掌握相關(guān)技能，其本身就是一個手腦并重的過程。機器人教育為中小學實施創(chuàng)客教育提供了有力的載體，賦予了其更廣闊的發(fā)展空間，將創(chuàng)客教育相關(guān)理念融入機器人教學中，也給其帶來了更高的自由度和創(chuàng)新度，二者的融合起到相輔相成的作用。

在中小學以課程而非競賽的形式開展機器人教育對于促進其推廣普及有重要的作用。但一直以來教育機器人的產(chǎn)品價格居高不下，過高的教育成本造成許多學校沒有條件開展機器人教育，成為限制其發(fā)展的一個重要因素。隨著創(chuàng)客教育在中小學的風靡，一些開源軟硬件的引進和實施平臺的搭建都對機器人教育的推進提供了一個很好的契機。Arduino作為一款開源平臺，由于代碼開源和低成本受到了廣泛的歡迎，其軟硬件的低成本為在中小學進一步普及機器人教育提供了可能，Ardubloek和Mixly等圖形化編程軟件改變了師生的聚焦點，技術(shù)和理念的“開源”進一步擴充了機器人教學內(nèi)容。因此，許多中小學以創(chuàng)客教育為機遇，開設(shè)了一系列的Arduino機器人課程，在此基礎(chǔ)上尋找適切的教學理論或模式，進行Arduino機器人教學的相關(guān)探索。

作為一門新型的機器人課程，以必修的方式來進行開設(shè)后的課程推進情況、學生對課程的適應(yīng)情況以及對相關(guān)知識的理解程度、當前教學中存在哪些不足、傳統(tǒng)的教學方法是否與新型課程相適應(yīng)這一系列問題目前仍缺乏相關(guān)研究數(shù)據(jù)的支持。因此，本研究試圖通過問卷調(diào)查的方式來了解學生在Arduino機器人課程開設(shè)之后的學習情況，以便更好地對課程進行優(yōu)化改進。

二、調(diào)查內(nèi)容與實施

為得到較為全面的課程學習現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，問卷內(nèi)容主要涉及學生對Arduino機器人課程的興趣度、在課程中的參與度、跨學科知識整合和課程與日常生活的聯(lián)系度等方面，初稿設(shè)計完成后經(jīng)多位一線教師進行審閱修改，以保證問卷具有良好的信度和效度，最終形成的問卷終稿的主要內(nèi)容如表1所示。

問卷調(diào)查對象為某開展Arduino機器人教學的高中的高一學生，調(diào)查之前他們已經(jīng)進行了為期一學期的Arduin0機器人課程學習。問卷采用網(wǎng)上調(diào)查的方式，通過問卷星這一平臺進行問卷的發(fā)放，共發(fā)放問卷180份，回收問卷173份，其中有效問卷16l份，問卷有效率為93.06%。調(diào)查結(jié)果利用spss軟件和問卷星平臺進行統(tǒng)計分析。

三、調(diào)查結(jié)果分析

（一）學生對Arduino機器人課程整體存在較高的興趣度

Arduino最初更多的是被國內(nèi)的電子發(fā)燒友所熟知，隨后引起了教育研究者的關(guān)注，并嘗試將其引入中學機器人教育領(lǐng)域，開展了相應(yīng)的教學實踐。作為一個新興的開源平臺，學生表示在進行課程學習前對Arduino機器人并不了解（如圖1所示）。Arduino機器人教學包括結(jié)構(gòu)搭建和程序編寫測試兩方面，在興趣度調(diào)查維度主要從學生對課程整體興趣度、對硬件搭建和程序編寫的興趣度比較和對相關(guān)工作原理的興趣度入手。調(diào)查顯示，絕大多數(shù)學生對Arduino機器人課程存在較高的興趣度（如圖2所示），在影響學生進行課程學習的因素調(diào)查層面，占比最大的也是興趣度（如圖3所示），許多學生均表示正是因為興趣會促使他們進行更深一步的探究。就學生對硬件搭建和程序編寫兩方面的興趣度比較來看，有46.63%的學生選擇對硬件的搭建最感興趣，37.42%的學生對程序的編寫測試最感興趣，15.95%的學生則表示對這兩方面均不感興趣（如圖4所示）。在調(diào)查學生對Arduino中相關(guān)元器件的工作原理是否感興趣方面，有63.19%的學生表示興趣程度一般，但不排斥教師講解相關(guān)原理，僅有26.38%的學生表示對相關(guān)工作原理非常感興趣。

（二）學生能將Arduino機器人課程與其他學科知識密切聯(lián)系，與日常生活的聯(lián)系相對較弱

Arduino機器人作為一門綜合性課程，需要探究的問題也是涉及到多個學科的綜合性知識，課程內(nèi)容與信息技術(shù)、通用技術(shù)、物理、數(shù)學等多個學科緊密聯(lián)系；它主張真實情境中的問題解決，在探究所生活的世界相互聯(lián)系的不同側(cè)面的過程中學習和掌握面向真實需求的問題解決的過程和方法。因此，在聯(lián)系維度主要調(diào)查學生在學習Arduino機器人課程時與其他學科知識（物理、程序設(shè)計和數(shù)學）和學生日常生活之間的聯(lián)系程度。如表2所示，Arduino機器人課程有助于學生對程序設(shè)計和物理學科知識的學習。涉及到與其他學科具體聯(lián)系程度，有66.87%的學生表示Arduino機器人課程與程序設(shè)計知識聯(lián)系最為密切，其次則是物理學科的知識，僅有2.45%的學生表示與數(shù)學學科的知識有一定聯(lián)系。就學科聯(lián)系度而言，Arduino機器人課程與程序設(shè)計知識聯(lián)系最為密切。對于Arduino機器人課程能否幫助解決日常生活問題這方面，學生表示聯(lián)系程度“一般”。有研究者指出當前機器人教學側(cè)重學科本位，重技術(shù)輕整合，課堂上所解決的大都是技術(shù)問題，而非指向?qū)嶋H生活問題。調(diào)查也顯示這種現(xiàn)象在Arduino機器人課堂中仍然存在，課程內(nèi)容與學生日常生活中的真實問題聯(lián)系度不足，教師需要將課程與真實情境建立更密切的連接，以解決實際問題來對學生做進一步引導(dǎo)。

（三）學生在Arduino機器人課程中的參與度

1.學生能積極地參與到Arduino機器人課程活動中，任務(wù)完成度一般

調(diào)查顯示，過半數(shù)的學生在課堂中都積極參與了硬件的搭建和程序的編寫測試，能很好地與其他同學進行交流（如圖5所示）。在知識講解階段，教師主要以任務(wù)驅(qū)動的方式進行相關(guān)基礎(chǔ)知識的傳授，如在智能LED燈模塊，基礎(chǔ)任務(wù)是通過點亮一個LED燈使學生將Arduino中的數(shù)字端口輸出值與LED燈的亮滅相對應(yīng)起來，進階任務(wù)則是讓學生在基礎(chǔ)任務(wù)之上通過實現(xiàn)LED燈漸亮漸滅效果掌握循環(huán)語句結(jié)構(gòu)。通過對任務(wù)完成度的調(diào)查，有66.26%的學生表示能基本完成教師布置的任務(wù)，23.31%的學生表示很少完成，只有4.29%的學生能全部完成教師布置的任務(wù)（如圖6所示）。由此可見，課程中學生的任務(wù)完成情況并不理想，在任務(wù)難易度和區(qū)分度方面需要教師進行更為精心的設(shè)計。

有36.81%的學生表示在學習過程中遇到的首要困難是硬件的搭建，其次則是程序的編寫。究其原因，Mixly和AIduBlock這類圖形化編程軟件的出現(xiàn)大大降低了學生在編程方面的難度，學生無需掌握一些復(fù)雜的編程知識。在結(jié)構(gòu)搭建方面，Arduino中涉及到的電路知識并不復(fù)雜，學生在初中就已經(jīng)學習過電路的串并聯(lián)知識，但在學習過程中學生出現(xiàn)問題最多的環(huán)節(jié)則是電路的連接，這也從側(cè)面表明了當前高中生的動手操作能力不足，教師應(yīng)加強對學生動手能力的培養(yǎng)，將課堂重點適當?shù)赜删幊陶Z法的講解向一些元器件等硬件的搭建指導(dǎo)方面進行轉(zhuǎn)移。

2.Arduino機器人課程能有效地促進學生間的交流協(xié)作

Arduino機器人課程目標具有多維性，學生不僅僅是在進行跨學科的學習，更是在完成創(chuàng)意性作品的過程中，能與他人共享知識與資源、多樣化觀點與經(jīng)驗，達成共同的目標，并形成積極、互相信賴的協(xié)同創(chuàng)新關(guān)系。通過調(diào)查學生在Arduino機器人課程的收獲（如下頁圖7所示），學生對Ardllino機器人課程的價值給予了認同，除去對Arduino機器人知識有一個基本的了解外，學生表示通過這門課程可以更好地與其他人進行交流協(xié)作。如下頁圖8所示，在學習過程中遇到困難時，46.63%的學生會首先與同伴進行交流探討，22.09%的學生會首先選擇向教師求助，學生更傾向于通過同伴間的交流協(xié)作來解決問題。因此，Arduino機器人課程能顯著提升學生的合作探究能力。

（四）學生在Arduino機器人課程中的學習持續(xù)度有所欠缺

對學生的學習持續(xù)度主要從作品改進頻率和課后學習相關(guān)知識的主動性兩方面來調(diào)查。如表3所示，學生能在學習過程中對作品進行改進，但改進頻率較低，不能持續(xù)地對作品做進一步的修改。在課后階段，學生缺乏學習自主性，有30.67%的學生表示從未在課后主動學習相關(guān)知識。總體來看，學生在Arduino機器人課程中的學習持續(xù)度不足，需要教師做進一步的引導(dǎo)。

（五）Arduin機器人教學課時需進行更合理的規(guī)劃

問卷中的最后一題為開放性題目，主要是征求學生對Arduino機器人課程的建議。通過對結(jié)果的整理發(fā)現(xiàn)，學生普遍反映課程周期間隔過長，容易遺忘之前的學習內(nèi)容，不利于接下來的學習；合作進行項目探究的時長過短，小組中的每個人不能得到充分的鍛煉。在課時安排上，筆者按照每周連續(xù)兩課時來開展Arduino機器人教學，一學期的有效課時總量為24課時，就調(diào)查結(jié)果來看，當前的課時安排仍需要進行一定的調(diào)整。盡管一直以來項目教學法被認為是開展機器人教育的有效教學方法，但是對于項目教學在Arduino機器人教學中的具體實施路徑尚未明確。有研究者也指出當前機器人教育缺乏頂層設(shè)計，課程體系不完整，如何將基本知識講解與和讓學生進行項目探究的時間進行合理的分配，如何合理安排課時歷經(jīng)一個較為完整的項目設(shè)計過程等都需要教師進行進一步的規(guī)劃。

四、討論與建議

機器人教育的普及不但是指中小學能夠承擔其教育成本，更多的是使它能夠“適得其所”，達到“物盡其用”的效果。雖然Arduino在一些性能方面不如價格昂貴、一體化的機器人，就教育價值來說，它足夠滿足當前中小學的機器人教學需要，將其引入機器人教育領(lǐng)域具有很高的可行性。調(diào)查結(jié)果表明，學生對Arduino機器人課程給予了認同，對課程有著較高的興趣度；他們能積極地參與到課堂活動中，在操作過程中更傾向于進行硬件的搭建，如物理電路的連接等；在跨學科整合方面，課程與程序設(shè)計和物理等學科知識整合度較高；課程對于學生的協(xié)作探究能力有明顯的提升作用。作為一門新型的機器人課程，相關(guān)研究仍處于起步階段，缺少一定的教學積淀，在開設(shè)過程中也顯示出了若干問題：學生對相關(guān)元器件的工作原理則表現(xiàn)出較低的興趣度；他們在機器人硬件搭建中的動手操作能力較差，導(dǎo)致課堂任務(wù)完成情況并不理想，不能對機器人作品做持續(xù)的改進，課程學習持續(xù)度有待加強；在課程聯(lián)系維度，課程與學生日常生活聯(lián)系較弱；當前課時安排需進行更為合理的規(guī)劃，基礎(chǔ)知識講解和項目探究的課時分配尚需調(diào)整。因此，筆者結(jié)合此次問卷調(diào)查和教學過程中的實際體會從以下幾方面提出了相應(yīng)的建議。

（一）注重課程內(nèi)容設(shè)計的各方面聯(lián)系

與學生日常生活中的真實問題相聯(lián)系。Arduino機器人課程主張學生設(shè)計制作作品來解決生活中的真實問題，但經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)目前課程與學生的日常生活聯(lián)系并不緊密。教師應(yīng)從真實生活情境入手，選取可以提高學生的好奇心和探索意識、貼近實際生活的問題供他們進行探究。如在按鈕模塊，教師可與家中的LED照明臺燈相聯(lián)系，讓學生通過編寫程序用按鈕控制燈的亮滅，進而可在通用技術(shù)課中動手制作一個簡易的智能小臺燈。通過與真實情境聯(lián)系可以使學生更好地理解作品的適用場合和最終完成的作品所帶來的實用價值，激起他們的探究欲望。

與多個學科知識相聯(lián)系。機器人本身就涵蓋多個學科的知識，打破了學科界限，不再僅局限于傳統(tǒng)的數(shù)學、物理等單一的課程模式，而是整合藝術(shù)、電子、控制、網(wǎng)絡(luò)等不同學科知識。創(chuàng)意Arduino機器人作品背后也離不開跨學科知識的支持。因此，教師需要在多個學科聯(lián)結(jié)的基礎(chǔ)上進行知識的重構(gòu)，將各學科的知識按照一定的邏輯來進行合理的重組，保證課程可以均勻涵蓋各個學科的基礎(chǔ)知識。此外還可以安排一些需要學生運用交叉學科的知識來解決問題的任務(wù)，促進學生跨學科的知識整合。

與學生的已有知識基礎(chǔ)相聯(lián)系。在硬件方面，Arduino中相關(guān)元器件的工作原理較為復(fù)雜和深奧，學生對此興趣度不足。為此，教師可以與學生已有的知識基礎(chǔ)相結(jié)合，找到這些新舊知識的連接點，在此基礎(chǔ)上進行進一步的拓展和延伸。就軟件而言，課程雖然采用圖形化的編程方式，學生拖動程序塊就可以實現(xiàn)程序的編寫，但是這些操作之間也是具有關(guān)聯(lián)性和層次性的，如一些循環(huán)語句的程序塊的拖動就需要學生在已經(jīng)掌握了簡單的條件語句的基礎(chǔ)上進行，教師應(yīng)確保新知識的講授是建立在學生已有知識的基礎(chǔ)之上。

（二）在知識講解和項目探究間保持動態(tài)的平衡

Arduino機器人課程強調(diào)創(chuàng)意性作品的產(chǎn)出，主張讓學生通過項目來進行合作探究，因而課程項目的復(fù)雜程度、任務(wù)難易度、項目之間的內(nèi)在聯(lián)系等都需要教師進行精心的設(shè)計。Arduino理念的“開源”使得教師可以在社區(qū)或者論壇上獲取豐富的技術(shù)資源和課程資源，許多Arduino愛好者也秉承“創(chuàng)客”的共享理念，將自己設(shè)計出的創(chuàng)意作品和源代碼發(fā)布在相關(guān)論壇上，與其他創(chuàng)客進行思想碰撞，借此推廣Arduino開源文化，這在很大程度上擴展了教師的思路，有助于更多創(chuàng)意機器人課程項目的開發(fā)，進而探索更有效的機器人教學方法。但同時也造成了教師往往將精力過多放于對項目的規(guī)劃設(shè)計上，從而忽視了一些基本知識的講授，而Arduino中一些相關(guān)元器件的工作原理和基本的操作卻是保證學生進行創(chuàng)意性設(shè)計的基礎(chǔ)，調(diào)查結(jié)果也表明當前課程中基礎(chǔ)知識講解和項目探究的課時分配并不合理。因此，教師需要在基本知識的講解和讓學生進行項目合作探究之間保持適度的張力和平衡。

在基本知識講解階段，注重電路搭建等硬件知識的講解。Arduino中采用圖形化的編程方式，它提供了集成化的程序編譯環(huán)境，將各種變量、語句和運算符以不同顏色的圖形塊的方式呈現(xiàn)，學生只需拖動相應(yīng)的圖形塊就可以進行程序的編寫，無需手動輸入代碼，很大程度地降低了學生在程序編寫方面的難度。相對而言，雖然在Arduino機器人課程中涉及到的硬件（如物理電路）知識比較簡單，學生可以準確地畫出相對應(yīng)的電路圖，但由于學生動手實踐能力較弱，在實際搭建電路過程中可能會出現(xiàn)一系列的問題，如將電源正負極接反、電路連接短路等。因此，教師在進行基礎(chǔ)知識講解時也需要做一個系統(tǒng)的規(guī)劃，教學重點可以適當?shù)叵蛴布罱ǚ矫嫫疲訌妼W生動手操作能力的培養(yǎng)。在任務(wù)設(shè)置方面，應(yīng)對任務(wù)目標做進一步的明確，對任務(wù)的難易度有一個區(qū)分，確保學生通過完成相應(yīng)的任務(wù)能基本掌握課程的基礎(chǔ)知識。

在項目探究階段注重學生間的作品分享和交流。一個優(yōu)秀的項目應(yīng)能夠生成可分享的成果，即結(jié)果應(yīng)該是可與他人共享的，基于共享的動機會促使學生更愿意共享、參與互惠學習、提出并分享自己的創(chuàng)見。調(diào)查結(jié)果也顯示，學生非常希望看到其他同學設(shè)計完成的Arduino機器人作品，也非常想將自己的作品與其他同學進行分享。因此，教師可在課堂中給予學生充分展示作品的機會，通過小組間的作品分享和同伴間的交流，有助于其興趣的培養(yǎng)與持續(xù)，學生也可以對自己的作品進行反思，從而做出進一步的改進。

（三）設(shè)置多樣化的Arduino機器人課程評價指標，及時給予學生反饋

根據(jù)此次調(diào)查中學生在課程學習中的持續(xù)度不足的問題，筆者也進行了思考，很大一方面的原因是由于當前課程中的評價指標尚不完善，教師僅從物化作品的完成情況來對學生進行考察，過程性評價較為欠缺，不能及時將評價結(jié)果反饋給學生，由此造成學生不愿對作品進行持續(xù)的改進。因此，建立科學合理的評價指標對學生各方面的表現(xiàn)進行考量顯得尤為必要，使得教師能全面了解學生在課程中的學習情況。另一方面，評價指標的建立可因項目而異，不可一概而論。由于Arduino不但可以與多種外接設(shè)備進行連接，如LED燈、各種傳感器等電子元器件，還能在軟件上與Flash、Scratch等進行配合，連接設(shè)備的不同決定了項目的多樣化，也帶來了教學內(nèi)容的進一步擴充。教師在進行項目設(shè)計時的側(cè)重點可能會有所不同，如一些簡單入門的創(chuàng)意項目強調(diào)學生動手連接電子元器件和編譯程序的技能，而一些綜合性項目則是在此基礎(chǔ)上更關(guān)注培養(yǎng)學生在發(fā)現(xiàn)問題、設(shè)計方案、實施驗證這一系列流程中的邏輯思維能力和創(chuàng)新能力。

評價指標的建立大體可從以下方面進行考慮：在Arduino基本知識層面，可考察學生對于一些工作原理的掌握情況、對與Arduino機器人相關(guān)的其他學科的聯(lián)系程度等；在動手操作層面，關(guān)注學生電路搭建的有序合理性和對程序的編寫、調(diào)試及優(yōu)化程度；在最后作品的考察層面，可從作品的完成度、創(chuàng)新度和實用價值等方面來綜合考慮；學生在小組中的參與和協(xié)作程度也可以納入到評價指標中。教師應(yīng)及時將評價結(jié)果反饋給每一個學生，促使學生對作品進行進一步的改進和完善，如硬件上對電路進行擴展、對程序進行簡化、增加新的功能模塊等。通過對作品的持續(xù)修改，在螺旋式上升的良性循環(huán)中，進一步激發(fā)學生的創(chuàng)意，提升其創(chuàng)新能力。