中小學人工智能機器人課程教學模式研究

袁加欣 孔新梅 杜東燕 方海光

摘? ?要：AI機器人課程在培養創新人才方面具有優勢，在AI機器人課程中，學生通過動手實踐來培養問題意識、開拓創新思維、開展機器人教育具有重要意義。然而，目前國內中小學機器人教育依然以競賽、獲獎為主要目的，機器人課程的教學缺少一套完整統一的課程體系，在機器人課程的教學方法中重模仿、輕應用。所以，我國中小學機器人課程需要改革。文章借鑒體驗學習理論，將“體驗情境—反思觀察—總結內化—創新分享”的教學模式應用于中小學課程中進行實踐探究，結果表明，該教學模式可以有效提升學生對課程的興趣、培養學生的創新思維，對教師開展機器人課程具有借鑒意義。

關鍵詞：AI機器人課程;體驗學習;教學模式;教學活動設計

中圖分類號：G434? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1673-8454（2022）10-00123-06

一、問題的提出

近年來，國家對創新人才的重視程度不斷提高。2010年，中共中央、國務院在《國家中長期人才發展規劃綱要（2010—2020年）》中明確提出人才隊伍建設的主要工作，著力培養創新人才。[1]2016年，中共中央、國務院印發的《國家創新驅動發展戰略綱要》中提出，科技創新是提高國家綜合實力的戰略支撐，必須擺在國家戰略發展的核心位置，要不斷推動創新教育方式，改善人才培養的教學模式，提升學生信息意識，培養學生的創新性思想、創造力，以及社會責任心。而機器人教學，是我國培育創新型人才的重要途徑之一。[2]國外學者研究顯示，機器人教育能調動學生的好奇心和創造力，[3]能引起兒童對科學技術的興趣，并提升他們的問題解決能力，培養他們的合作交流能力。[4]所以，開展機器人教育能滿足國家對創新型人才的需要。

國外對機器人教育的研究較早，尤其是美國、英國、日本等國家。一般認為教育機器人來自麻省理工學院人工智能實驗室。[5]1994年，為了提高工程設計學生的設計能力和創造力，MIT開設機器人課程。[6]在教學方法上美國的中小學機器人課程并沒有統一設置課程標準。[7]國外使用的方法是項目教學法和實驗方法，尤其是項目教學法，被許多教育工作者認為是適合機器人課程的教學法。[8]日本在大學設立專門研究機器人的學科，將編程列為中學必修內容，持續以機器人競賽的形式出現在中小學的機器人教育中。[9]可以看出，機器人教育已在高校、中小學普及。

我國對機器人教育的研究從上世紀七八十年代開始。[10]2000年，國內將機器人教學引入信息技術課程中。[11]2003年教育部印發的《普通高中技術課程標準（實驗）》對信息技術課程進行修訂和補充，將AI的基礎知識和機器人制作的相關知識加入到信息技術、通用技術課程中。[12]2017年中共中央、國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》中強調，要逐步實施全民AI教育，在中小學階段，不僅要建立與AI相關的課程，還要普及編程教育，培養創新人才。[13]在國家的支持下，機器人教育課程已經逐步進入我國的中小學課程中。

截至目前，機器人教育進入我國中小學已有20年。然而，國內中小學機器人教育依然以競賽或培養興趣為出發點，機器人課程教學中缺少一套完整統一的課程體系，在機器人課程的教學方法中多為學生模仿教師操作，忽視學生的主動應用。[14]盡管機器人課程已得到國家的認可和重視，但是在發展過程中仍出現許多問題，所以我國的機器人課程需要改革。為了改變學科本位的機器人教學現狀，本文借鑒大衛·庫伯（David Kolb）的體驗學習理論，力圖采用“體驗情境—反思觀察—總結內化—創新分享”的教學模式來實現機器人課程的創新和突破。

二、教學模式設計

在傳統課堂中，教師總是以灌輸的方式將知識傳遞給學生。然而，沒有親身經歷的學生無法理解知識背后的深層含義，所以，擁有體驗非常重要。中小學智能機器人課程應該擁有的主要特點是創新性、綜合性、開放性、發展性、實踐性、探究性。大衛·庫伯提出的體驗學習是“把學習看成是體驗的轉換并創造知識的過程”。首先，學習不是一個結果，而是一個過程。其次，學習者通過體驗完成感知和領悟的統一，進而實現真正意義上的學習。最后，知識在體驗學習的過程中被創造。[15]基于此，本研究將體驗教學模式運用于該課程當中，設計出一套AI機器人課程的教學模式，力求提升學生的創新能力，如圖1所示。

（一）體驗情境

體驗情境是讓學生對真實環境進行感知，進而激發學生的興趣、調動學生的積極性，從而自發地參與到體驗活動中。具體體驗是機器人課程的開始階段，也是進行反思、概括、檢驗的基礎。在這個階段，教師的主要任務是設置體驗活動和體驗情境，充分調動學生眼睛、耳朵、嘴巴、鼻子、雙手等各個感官參與，讓學生全身心融入情境當中。同時，教師要注意，情境的設計要指向教學目標，而不是以游戲的態度去對待教學內容。

（二）反思觀察

反思是學生在體驗情境的基礎上，通過反思來提升自己思考問題、解決問題的能力，建立一種將經驗轉化為系統知識的傾向。在這個階段，教師不能直接將知識點呈現給學生，而是充當“引導者”的角色，通過提問和對話的方式來引導學生反思，培養學生主動思考問題的意識，激發學生主動探索解決問題的方法。

（三）總結內化

總結內化是學生對知識進行概念化。只有對知識進行內化和總結，才能檢驗自己是否真正掌握。在體驗情境和反思觀察階段，學生掌握的知識是碎片化的，甚至是錯誤的，而總結內化是將碎片化知識整合在一起、及時糾正錯誤觀念的過程。在這個階段，教師的主要任務是激發學生，使其現有觀念和原有觀念產生沖突，推翻原有的錯誤認知，進而形成科學的概念。一是教師要給學生留出足夠的時間去思考，這有助于學生對知識點的理解。二是教師需要提供給學生學習材料、組織小組討論活動，當學生出現無法解決的問題時，教師應該主動幫助學生，及時糾正其錯誤認知。經過判斷、思考、質疑、認知沖突，學生對知識內化和遷移的能力將大大提升。

（四）創新分享

創新就是將總結內化的知識運用于其它情境中，在新的情境中檢驗結論的正確性，做到舉一反三，在原有經驗上創新，生成新的體驗。它不是對知識的復現和提取，更多的是實踐、應用、創新。在這個階段，教師的主要任務是為學生創設一個與所學知識相關的情境，讓學生不僅僅只學會課堂知識，還要會運用知識。同樣，教師要改變以傳統的練習題和小測驗去評價學生，而是給學生設置有難度的擴展任務，采用鼓勵的方式促進學生在現有知識的基礎上不斷創新。

值得注意的是，教師在應用體驗學習模型作為教學指導時，千萬不能生搬硬套四個階段。體驗學習模型是一個非線性的學習過程，學生可以從“體驗學習圈”中的任何一個點進入，而教師要根據學生的差異進行因材施教。當學生難以進行抽象概括時，教師可以再生成一個情境體驗促使他們進行反思概括;如果學生已有相關經驗，教師可以直接進入反思階段、概括階段，以免浪費時間。同時，學生也可針對同一個問題重復多輪體驗學習，直至問題解決。[16]總之，教師最終的目的是讓學生掌握知識，培養學生的問題意識、思維模式、創新能力。

三、案例應用

（一）Micro：bit智能小車

1.教學內容

本節課教學內容為：掌握紅外遙控器的使用方法與智能小車接受遙控信號的原理，熟練組裝智能小車，利用Micro：bit 圖形化編程平臺編寫積木腳本，讓遙控器可以控制機器人小車前進、后退、左轉、右轉、停止。

2.教學實施過程

在體驗情境階段，教師通過智能小車大賽引起學生的好奇心，并留時間讓學生親身體驗，在體驗的過程中，學生掌握智能小車的基本操作，提升學習興趣，產生獲取知識的傾向。在反思觀察階段，教師分發開源套件，提供Micro：bit 圖形化編程平臺，布置基礎任務，學生通過觀察小車的構造，思考組裝小車的流程，梳理編程要點。在總結內化階段，教師下發學習資源，引導學生自主探索，糾正原有錯誤觀念，學生通過小組合作的方式組裝小車、編寫代碼，實現智能小車的運動，并完成計時賽道挑戰任務。在創新分享階段，教師鼓勵學生在原有基礎上創新，通過修改積木腳本，讓遙控器可以控制小車的更多功能，學生通過展示作品和交流分享提升知識的遷移能力。最后，各小組按照作品的美觀性、作品完成速度、賽道用時、創新性進行組間互評和組內互評。

（二）Micro：bit機械臂機器人

1.教學內容

本節課的教學內容為：了解超聲波傳感器的原理，掌握超聲波傳感器相關的指令塊。并掌握流程圖的設計，在邏輯語句設定中，能夠熟練運用布爾值指令塊。熟練組裝機械臂機器人，能夠將手機操控程序導入Micro：bit中，通過編程實現機械臂機器人定距抓取的操作。

2.教學實施過程

在體驗情境階段，教師通過將搬東西大賽引入課堂，并播放主題為“物流領域機械臂”的視頻，讓學生操作Micro：bit機械臂機器人夾取物品，在體驗過程中，學生掌握機械臂機器人的基本操作，為反思知識做好鋪墊。在反思觀察階段，教師給每組學生分發機器人套件和一部安裝Wonderbit軟件的手機，提供Micro：bit圖形化編程平臺，并布置任務，學生通過觀察硬件模塊，思考超聲波傳感器的主要功能，并探究機械臂機器人的拼接方法與編程要點。在總結內化階段，教師下發學習資源，激發學生自主探索，并布置任務，引導學生將新知識和舊知識融合起來，從而產生新的知識。學生通過小組合作的方式組裝機械臂，利用Micro：bit圖形化編程平臺進行編程，完成機械臂定距抓取的任務，并挑戰計時抓取任務。在創新分享階段，教師鼓勵學生發散思維，勇于創新，通過修改積木腳本，讓機械手臂更加靈活、用時更短。學生通過程序的迭代改進提升知識的遷移能力。最后，大家相互分享感受。通過作品的完成，學生收獲滿滿，大家不僅感受到編程的樂趣，而且體會到機器人帶給我們生活巨大的便利。

（三）LegoEV3機器人

1.教學內容

本節課的教學內容為：了解顏色分揀機器人傳導裝置的工作原理，掌握傳導裝置相關的指令塊;熟練組裝顏色分揀機器人，在EV3 Classroom圖形化編程平臺中編寫積木腳本，通過編程讓顏色分揀機器人利用傳導裝置將顏色模塊分揀開來。

2.教學實施過程

在體驗情境階段，教師通過將分析“快遞包裹分揀機器人的工作場景”導入課堂，引發學生的思考，并播放顏色分揀機器人的工作視頻，讓學生體驗其工作流程，在體驗的過程中，學生掌握顏色分揀機器人的基本操作。在反思觀察階段，教師為每組學生分發樂高開源套件，提供EV3 Classroom圖形化編程軟件并布置任務，培養學生的問題意識，學生通過觀察和思考顏色分揀機器人的主要功能，在大腦中建立思維導圖。在總結內化階段，教師下發學習資源，引導學生自主探索。學生通過小組合作學習總結機器人的組裝步驟，組裝顏色分揀機器人;通過編程實現機器人顏色分揀的任務，并完成計時分揀挑戰賽。在創新分享階段，教師鼓勵學生發散思維，勇于創新，修改積木腳本、改裝機器人套件，讓樂高機器人實現其他的功能。通過改進程序，一部分學生做出機器人小狗、機器人教練，以及機械手臂等。最后，一部分學生自愿上臺和大家分享自己的感受。課程結束后，學生提出讓教師提前發放預習材料。

四、應用效果分析

為了調查學生的學習情況，根據學生的課堂表現情況、學習效果、教師的訪談觀察，以及對調查問卷的分析，得出以下結論：

（一）學生的學習積極性提升

通過教師在課堂上的觀察，學生在課堂上積極參與小組合作任務，主動與小組成員進行討論，愿意將自己的作品在全班同學面前分享，并且在課程結束后仍然意猶未盡，想預先知道下節課的內容，這表明學生的積極性顯著提高。除此之外，問卷調查中關于學生的課堂感受一項，認為自己在課堂中興趣濃厚且愉快的人數比例從第一節課的72.73%變為最后一節課的100%，從數據信息可以得出，基于體驗學習機器人課程的教學模式能有效提升學生學習的積極性。

（二）學生的學習興趣提升

問卷調查顯示，72.73%的學生在學習機器人課程前對機器人完全不感興趣，但通過課程的學習，90%的學生認為他們對機器人的學習很感興趣，認為課堂設計的教學活動能顯著提升他們的合作交流能力，并且很喜歡這樣的教學方式和教學節奏。這表明，基于體驗學習的機器人教學模式能有效提升學生的學習興趣。

（三）學生的動手能力提升

通過教師在課堂上的觀察，第一節課的時候，很多學生完成作品的速度較慢，只能完成一個作品。然而，到最后一節課時，大部分學生都可以完成2～3個作品，速度顯著加快。這表明，基于體驗學習的機器人教學模式使學生的動手能力得到提升。

（四）學生的創新能力提升

通過教師在課堂上的觀察，很多學生在完成課堂任務后都會在小組中分享自己的創意點子。除此之外，通過教師的作業批改發現，80%的學生可以在自己的作品中融入其他想法，并且能夠做到舉一反三，不單純對課上的內容進行照搬照抄。這表明，基于“體驗學習圈”的機器人教學模式使學生的創新能力得到提升。

五、討論

基于體驗學習的教學模式讓學生通過體驗實現感知和領悟的統一，進而完成真正意義上的學習。在體驗情境環節，學生參與體驗活動，對知識初步感知，進而產生學習興趣;在反思觀察環節，學生通過主動思考發現問題，進而產生想要解決問題的傾向;在總結內化環節，學生通過深入思考，推翻原有的錯誤認知，生成新的知識;在創新分享環節，學生主動運用知識，積極創新，達到對知識的遷移。所以，相較于傳統的機器人課堂，基于體驗學習的教學課堂能加速學生對知識的內化、遷移、運用，而不是以死記硬背的方法去學習知識。同時，基于體驗學習的教學課堂也對教師提出新的要求。

第一，教師要學會創造情境。在體驗學習中，教師想要激發學生的學習興趣，就必須讓學生獲得真實的體驗，所以，體驗活動的設計十分重要，既不能枯燥無聊，也不能太過游戲化，更不能拋棄知識的學習。第二，教師要學會引導學生創造。在創新分享階段，教師要鼓勵學生形成自己的想法，而不是直接告知，對學生的創意做太多干擾，要給學生留有空間，這樣才能達到知識遷移的目的。第三，教師要注重培養學生的核心素養。機器人課程不只是讓學生學會編程、學會組裝套件，更要培養學生的情感態度與價值觀。例如：在套件組裝中，要注重對學生的美感培育;在體驗學習過程中，要注重培養學生的思維意識、自主探究能力、溝通交流能力，以及創新能力，并通過問題解決和人機交互，建立起學生對機器人學習的興趣，感悟機器人技術為生活帶來的便利。

六、結語

通過研究可見，智能機器人課程是中小學培養創新人才的有效途徑之一，基于體驗學習的教學模式有益于培養學生的信息素養、創新精神、實踐能力，這能為教師提供全新的教學方式、開辟新的教學方向。

同時，本研究也存在一些不足之處。一是機器人課程對教師的教學實踐經驗要求較高，由于教學經驗不足，基于體驗學習的教學模式沒有很好地運用到機器人課堂當中。在學生的具體體驗環節，有一部分學生被機器人套件所吸引而忽視知識的學習;在討論環節中，有一部分學生由于性格孤僻，沒有積極參與其中。二是基于體驗學習的教學模式只在某市S學校的初一學生當中應用，樣本較少，不一定適用于所有學段的學生。

下一階段將針對機器人課程案例展開深入研究，包括教育機器人與機器人課程的整合、教師與課堂環境的相互配合。從而提高機器人課程的教學質量，提升學生的創新能力和實踐動手能力。

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作者簡介：

袁加欣，碩士研究生，主要研究方向為人工智能教育、教育大數據，郵箱：yuan_jia_xin@163.com;

孔新梅，碩士研究生，主要研究方向為人工智能教育、教育大數據，郵箱：kongxm0@163.com;

杜東燕，碩士研究生，主要研究方向為人工智能教育、教育大數據，郵箱：ddu_qun@163.com;

方海光，教授，博士，通訊作者，主要研究方向為教育大數據、人工智能教育、智能教育機器人、智慧教育等，郵箱：fanghg2013@163.com。

Research on the Teaching Mode of AI Robot Courses in Elementary and Secondary Schools

Jiaxin YUAN1， Xinmei KONG2， Dongyan DU1， Haiguang FANG2*

（1.College of Teacher Education， Capital Normal University， Beijing 100048;

2.College of Education， Capital Normal University， Beijing 100048）

Abstract： AI robot courses have certain advantages in cultivating innovative talents. In AI robot courses， students will develop problem awareness and innovative thinking through hands-on practice， which is of great significance to carry out robot education. However， robot education in domestic elementary and secondary schools still mainly orients itself to winning competitions and awards. Besides， the teaching of robot courses lacks a complete and unified curriculum system. Meanwhile， the teaching method of robot courses emphasizes imitation， rather than application. Therefore， the robot curriculum of primary and secondary schools in China urgently needs to be reformed. Based on the experiential learning theory， this paper has applied? to the curriculum in elementary and secondary schools the teaching mode of “experiencing context-reflect and observation-summary and internalization-Innovation and sharing” for practical exploration. According to the results， this teaching mode can effectively arouse students interest in the curriculum， and cultivate their innovative thinking， which gurantees it a reference for teachers who are about to carry out robot courses.

Keywords： AI robot course; Experiential learning; Teaching mode; Teaching activity design

編輯：王天鵬? ?校對：王曉明