創客視野下初中機器人活動模式設計研究

☆ 李夢菲

（河北師范大學信息技術學院，河北石家莊 050024）

創客視野下初中機器人活動模式設計研究

☆ 李夢菲

（河北師范大學信息技術學院，河北石家莊 050024）

隨著科學技術的發展，創新能力已成為教育領域的熱點話題。以機器人、3D打印為主的創客教育旨在培養學生的創新思維、動手能力以及其在學習過程中的合作能力，使其能夠更好地適應社會發展的需要。文章基于創客教育的理念，結合現實基礎，設計符合本地區實際情況的機器人活動模式，以促進創客教育在本地區的發展。備戰機器人比賽的活動模式，可以極大地提高學生的學習興趣和熱情，雖然此模式帶有一定的功利性，但在學校創客教育發展初期是一種可行的方式。筆者通過閱讀文獻設計出合理的活動模式，以期為想要開設機器人教育相關活動以及參加比賽的學校提供一定的借鑒和參考。

創客；創客教育；機器人；活動設計

一、創客教育的發展

由于美國的創客教育發展較早，受美國創客教育的影響，我國的創客教育在2012年前后開始迅速地發展起來。無論是國內還是國外，創客教育的發展主要經歷了兩個階段：自下而上的發展階段和自上而下的推動階段。

（一）自下而上的發展階段：社團影響政府

創客的發展最早起源于美國的DIY（Do It Yourself）文化，是社會中一些有創意、動手能力強的人們自發組織的社會團體，他們在一定的空間中通過不同且多樣的設備將自己的創意想法變為現實。較為嚴格意義上的創客起源于麻省理工學院（MIT）比特與原子研究中心發起的以個人創意、個人設計、個人制造為核心理念的Fab Lab創新項目[1]。Fab Lab的最初靈感來源于Gershenfeld教授，1998年Gershenfeld教授在MIT開設了一門“如何能夠創造任何東西”的課程，在這門課程中，沒有任何創造經驗的學生可以根據自己的創新想法，經過動手實踐創造出很多產品，該課很快成為最受歡迎的一門課。Dale Dougherty等人在2006年積極舉辦Maker Faire，吸引了眾多有創新意識的青少年參加。Maker Faire等創客活動受到了政府的高度重視，自此創客進入了政府的視野中。

隨著Chris Andersen的《創客：新工業革命》在2012年出版，“創客”正式進入我國研究者的視野，一些經濟較為發達的地區開始建立創客空間，如：上海新車間、深圳火柴創客空間等，北京、溫州等地區的高校開始發展創客教育，自此影響了越來越多的人了解創客并加入到創客的隊伍中來。創客教育倡導基于創造的學習，本身是指向全人發展的全人學習（Whole Learning）[2]，這一點也是我國教育發展的最終要求。社會、高校中創客教育的發展同樣得到了我國政府教育部門的極大重視。

（二）自上而下的推動階段：政府推動進一步發展

美國政府積極制定了推進創新教育的相關政策，以促進美國教育的發展。2009年，Obama在《創新而教育》（Educate to Innovate）報告中呼吁：“每一個學生都應成為創造者，而不僅僅是消費者”，美國政府已經開始認識到“創新”對于教育發展的重要性。2012年美國政府開始啟動“創客教育計劃”（Maker Education Initiative，MEI），該計劃的主要目的是激發學生的創造天賦，培養學生的實踐能力。2014年首次由美國政府牽頭舉辦“創客嘉年華”活動，呼吁：“全體國民加入到激發創新和鼓勵社區發明的行動中來”[3]，并規定每年的6月18日為“創客日”。美國在積極推進創客教育的同時，雙軌并行的還有STEAM教育，聯邦教育部同時啟動了“改造計劃”（MakeOver），該計劃將在全美 K-12階段的學校中建立更多的創客空間[4]，在現有教育的基礎上，強調多學科的橫向整合，重視合作學習，將創客教育的創新理念融入其中，加強各階段學校同企業之間的合作，為學生提供更多實踐的機會。

我國政府也制定政策來促進創客教育的發展。李克強總理在2015年的兩會報告中提出了“大眾創業，萬眾創新”的口號，特別是鼓勵青少年開拓思維、勇于創新。2015年劉延東副總理在第二次全國教育信息化工作會議上強調，“要積極探索信息技術在創業大學+、創客教育、開發微課堂等方面的應用，著力提升學生的信息素養和創業創新能力，培養健康積極的網絡文化，促進學生的全面發展。”[5]不僅是國家領導人在積極倡導創客教育、培養學生的創新能力，教育部也頒布了相關文件，從法律角度推動創客教育的發展，在《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）》中提到：要“探索STEAM教育、創客教育等新教育模式，使學生具有較強的信息意識與創新意識，養成數字化學習習慣”[6]，學生信息素養、創新能力的培養成為了當下教育的重點。從以上可以看出，創客教育將成為我國教育發展的主要趨勢。

對比美國和我國的創客教育發展，兩者的區別主要在于對創客教育中“創新”的理解上。國外創客教育中所提到的創新更多的是體現在學生能夠使用各種工具來“創造”東西，重點培養的是創新的實踐能力。我國創客教育同樣重視學生動手能力的培養，但更多的還是強調培養學生的“創新思維”，這一點在“中國制造”到“中國創造”這一經濟的政策傾向上也有所體現。

二、創客教育中的機器人

隨著教育改革的不斷深入，創新教育正逐步走向教育舞臺的中央，更多的人認識到實踐課程的重要性。隨著創客教育理念的不斷發展，學校的教育不再只重視學生理論性知識的學習成績，更關注學生的動手實踐能力。通過培養學生的實踐能力、實際問題解決能力，使其能夠得到更加全面的發展。近兩年來機器人相關企業的迅速發展為學校開設機器人活動提供了可行的基礎性條件。

機器人活動受到越來越多學生和家長的重視。與其他創客活動相比，機器人活動更容易被大家所接受。3D打印需要大量資金購入設備，設備需要達到一定數量才能滿足眾多學生的學習需求，除了資金投入外，3D打印所需的材料是易耗品，需要長期購置；切割、焊接等活動存在著一定的安全問題，不免會有一些家長擔心。機器人在這些眾多的創客活動中既不需要擔心安全問題，資金也在學校可承受范圍內，因為機器人的設備不需要購買太多，組裝靈活，零件都可以重復使用，只需對其中部分零件定期增補即可。

三、以比賽的形式推動機器人教育的發展

近年來無論是全國性或是地域性的機器人比賽均發展迅速，為學生的機器人活動提供了展示平臺，從社會活動的角度推動了機器人的發展。隨著創客運動的發展，美國Makers Faire在2015年正式落地北京，“Maker Faire Beijing北京創客盛會”由美國《MAKE》雜志正式授權，成為國內最受歡迎的創客活動。在中小學階段，由中國科學技術協會、中國科學院聯合舉辦的中國青少年機器人競賽（CARC），吸引了眾多的中小學生參與。從實際情況來看，本地區的創客教育正處于起步階段，受到應試教育的影響，機器人等創客教育很難與數學、語文等傳統學科占據相同的地位，其在學校教育課程中的重視程度與音樂、體育等大體相近，所以很難設置相應課程。筆者通過對本地區進行調查了解到，只有少部分的小學將機器人課程、3D打印課程作為社會實踐課程的一部分，類似于社會中的“課外班”，由企業培訓人員進行指導。絕大部分初中的機器人活動主要依托各類比賽開展，因此以備戰的狀態開展機器人活動成為在初中推動創客教育的主要形式。

（一）機器人教育中存在的問題

拋開機器人教育發展的普遍不足，如：缺乏有經驗的教師，機器人活動空間的建設需要得到學校的資金支持、企業的幫助等，當下機器人活動中仍然存在一些問題。

1.教材問題

教育體制內語文、數學等課程都有國家統一制定的教材，在學習的過程中不需要對學習內容進行挑選。但是機器人種類眾多，每種不同類型的機器人都會有相應的教材，且同一類機器人教材也有不同版本，缺少統一的規定。如何挑選一種適合所有學生學習的教材顯得至關重要。機器人本身強調的就是動手操作，如果學習所有類型的機器人，會給學生增加負擔，在這種情況下，因材施教就顯得更為關鍵，因此學生根據自己的興趣能力選擇不同類型的機器人進行學習是最合適的。這樣使得學生對機器人的了解不是泛泛而談，而是更有意義的深度學習。

2.通過動手實踐，將創新思想轉化為實物的問題

在開始階段，學生的創新能力還是存在于潛意識中，不知道通過何種方式將其表現出來，因而會出現兩種極端的情況：一是盲目地追求創新而忽略客觀規律，這類學生思維活躍，且動手能力較強，在機器人活動的過程中表現異常興奮，與其他同學交流經常會出現表達不清的情況，他們在動手實踐時往往過分重視創意而忽略了客觀的規律；二是沒有想法也不動手實踐，這類學生還沒有明確的目標，在活動的過程中比較茫然，不知道從何下手，經常是以“群眾”的身份看著其他同學。這兩類學生的結果都是沒有制作出自己的作品。

3.動手操作的實踐類活動評價標準不統一

對于實踐類的課程評價要兼顧過程性評價和總結性評價，過程性評價可以采用多元化的評價方式進行，同伴互評、自我評價等都是可接受的評價方式。總結性評價需要有一個合適的標準，這個標準可以通過量化的形式表現出來，類似于文化課中的期末考試。但在實際中并沒有統一制定的機器人課程總結性評價。

（二）以比賽促進機器人教育發展的可行性

以比賽為前提的機器人活動可以同時解決以上問題。首先，學生按照比賽的規則和要求來學習機器人的相關知識，就具有了明確的學習目標和確定的學習內容。通常比賽都包含不同種類的機器人，在2017年即將舉辦的中國青少年機器人競賽（CARC）中共有5項機器人比賽（機器人綜合技能比賽、FLL機器人工程挑戰賽、VES機器人工程挑戰賽、機器人創意比賽、VER工程創新賽），每項比賽的側重點不同，這就需要學生在準備過程中對某一知識進行重點掌握。其次，一般來說比賽都會設計一定的情境，這些情境通常是緊密聯系實際生活并結合當下一些熱點話題，可以激發學生的興趣。此外，這些情境貼近學生已有的認知經驗，可以成為學生創新思維的源泉，他們可以從現實生活中某一個經驗入手開展頭腦風暴，這樣在機器人的組裝搭建、程序編寫方面就有了主要方向。2015年中國青少年機器人競賽就以足球世界杯、嫦娥奔月等為情境來組織比賽，初中生特別是男生會對足球世界杯感興趣，可以很容易地從世界杯的比賽中找到設計、編程的靈感。最后，從評價角度來看，比賽的得分標準經過大賽組委會嚴格制定，對所有學生都是公平的，具有一定的合理性，因此可以作為總結性評價的一個維度。

綜上所述，以比賽的形式促進機器人教育發展是具有可行性的。

四、機器人活動模式設計

以比賽為前提的機器人活動具有明確的學習目標，是基于問題解決或任務的學習過程。整個活動過程以學習者為中心，他們完全掌握學習的主動權；教師是活動組織者、進度控制者，只起輔導作用。本文主要研究以比賽為前提的機器人活動如何開展，圖1為開展機器人活動的主要流程圖。

圖1 機器人活動流程

整個過程分為前期、中期和后期三個階段，準備前期主要是了解比賽的規則，是基礎性的理論工作；準備中期是最重要的一個環節，如組裝機器人、搭建模擬場地和程序編寫；準備后期主要是測試實驗，檢驗機器人的搭建是否合理、程序編寫是否正確以及最后的完善工作。

（一）準備前期

這個階段是由教師和學生共同完成，教師需提前了解比賽規則要求，同時給學生布置閱讀比賽規則的任務。每個閱讀任務至少有兩名學生共同完成，找出比賽規則中的重點和疑點，由教師組織頭腦風暴討論會，在討論會中學生要將自己負責的部分詳細地介紹給其他學生。對于有疑問的地方，所有學生集思廣益，共同找出解決方法并記錄下所提出的解決方案，以待后續進行檢驗。

（二）準備中期

這是整個準備比賽過程中最重要的階段。在這個階段中需要小組協作、成員分工明確、協作交流才能達到最終的目標。小組中分為技術組和程序組，技術組主要負責比賽場地的搭建和機器人主體部分的組裝，程序組主要負責編寫程序。

技術小組要將頭腦風暴中可行的方案逐一進行實驗，從中選出最佳方案；程序組要將比賽的目標逐一分解成小目標，并對各個小目標進行程序設計，最后將所有的小程序合并成整個比賽所需要的完整程序。在開始階段技術組和程序組的工作相對獨立，只需要完成各自基本的工作即可。但是在后期，兩個小組的交流尤為重要，程序組要將程序設計思想同技術組交流，技術組要對程序小組編寫程序的可行性進行分析，他們同樣可以提出自己組裝機器人時的想法。技術組要將機器人的局部進行改進，使之能滿足程序組的要求；程序組也可以改進程序，使已經搭建好的機器人的功能得到更好的發揮。

在這個過程中教師不會直接參與其中，而是采用徹底放權的方式，由學生自己主動探索、設計，教師只是負責監督活動的進度，對于學生遇到的瓶頸問題給予指點。

（三）準備后期

這個階段主要是測試機器人的程序是否編寫準確，進行迭代的模擬試驗。在上一個階段中，機器人的主要程序已經完成，在這個階段要將機器人放到已經建好的模擬場地中實際操作。學生在操作中要認真觀察機器人的運動情況，隨時調整程序中的參數，對于出現的問題，所有成員要一起討論。如果是由于機器人組裝不適導致的，需要技術組進一步改進機器人；如果是機器人程序編寫的問題，這就要求程序小組修改程序，兩個小組協作共同完成比賽前的最后工作。

五、總結語

機器人比賽的增加為更多學生提供了多方面展示自我的平臺，機器人比賽本身就可以促進機器人教育的發展。南方經濟發達的地區無論是從經濟實力還是教學制度上都能強有力地對機器人教育給予支持，但是溫州等地機器人的發展模式在經濟尚不發達、受應試教育影響嚴重的地區開展會存在很大的困難。結合本地區的經濟發展情況來看，以參加比賽的形式來促進機器人教育發展是一種可行的方式，既不會大量地占用學生在語文、數學等理論性課程上的學習時間，也可以使學生充分利用課余時間來培養動手實踐能力和創新意識。本研究只是進行了初步探索，實際的應用效果還有待進一步驗證，希望能夠給想要開展機器人活動的學校提供一定的參考。

[1][2]王佑鎂,錢凱麗,華佳鈺,郭靜.觸摸真實的學習:邁向一種新的創客教育文化——國內外創客教育研究述評[J].電化教育研究,2017,(02):34-43.

[3]The US.White House.A Nation of Makers[DB/OL].https://www.whitehouse.gov/nation-of-makers#section-engage/,2016-03-21.

[4]王志強,卓澤林.美國中小學創客教育的現狀、理念與挑戰[J].比較教育研究,2016,(07):27-31.

[5]教育部關于印發劉延東副總理在第二次全國教育信息化工作電視電話會議上講話的通知[EB/OL].http：//www.moe.edu.cn/srcsite/A16/s3342/201601/t20160120_228489.html,2015-12-29.

[6]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[EB/OL].http://www.moe.edu.cn/srcsite/A16/s3342/201509/t20150907_2 06045.html,2015-09-02.

G434

A

1671-7503（2017）19-0041-04

[編輯：莊豐源]