浅析人工智能背景下机器人编程教育课程体系

浅析人工智能背景下机器人编程教育课程体系

欧春良

南开大学2.宁波市奉化区心之岸社会工作服务中心

摘要：本文结合观察法和访谈法和所获取的资料，总结机器人编程教育机构中的常见课程体系类型、特点及教学模式对学生能力培养的利弊及建议，以期待机器人编程课程体系后续发展更好。

关键词：机器人编程教育、课程体系、教学模式、能力培养

未来已来，人工智能时代已到，无人驾驶、外卖配送机器人等人工智能设备进入生活，让我们生活更便捷。人工智能成为国际竞争的新焦点，世界多国把人工智能相关课程纳入教学体系。我国国务院2017年颁布的《新一代人工智能发展规划》阐述了实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育。[1]

教育部2018年印发的《教育信息化2.0行动计划》中强调完善课程方案和课程标准，智能时代发展需要编程课程内容。将信息技术纳入初高中学业水平考试。办好交流与推广活动，创新活动内容和形式，全面提升学生信息素养。[2]

2021年《关于进一步减轻义务教育阶段学生作业负担和校外培训负担的意见》出台后，各地不再审批面向义务教育阶段学生的学科类校外培训机构，现有学科类培训机构统一登记为非营利性机构。[3]大量的学科类培训向科技教育转型，机器人编程教育课程也随之增多。笔者从事机器人编程教育教学工作近十年，现梳理从业经验，结合观察法和访谈法所获取的资料，总结机器人编程教育机构中的常见课程体系类型、特点及教学模式对学生能力培养的利弊及建议，以期待机器人编程课程体系发展更好。

一、课程体系分类及特点

根据教具结构特点，目前国内机器人编程教育课程体系可分为成品机器人编程课程体系和组装机器人编程课程体系。

1.成品机器人编程课程体系

成品机器人编程课程体系是指使用成品机器人作为教具而开发的课程体系，根据编程方式的不同可细分为无屏编程和有屏编程。

成品机器人无屏编程课程体系是指以无屏编程机器人为教具的适合零基础和幼儿段学生课程体系。其教具是以无电脑屏幕、幼儿化、编程实体化为特征，以控制板、刷卡或体程序块为编程载体，以内置传感器的成品机器人为主要教具的课程，具有代表性的如玛塔、程小奔、宝莲灯、乐博等品牌的课程。

成品机器人有屏编程课程体系是指以电脑软件为编程工具的、使用结构已设计好并作为成品使用的教具适用于有基础或是小学低龄段零基础学生，对应使用的编程软件是图形化编程软件。也有少数品牌的教具配有Python编程。有人形的机器人，具有代表性的如优必选机器人、乐聚机器人。也有动物外形的。具有代表性的如BINGO的可旺机器人。

成品机器人编程课程几乎都配有编程任务地图，情境有趣且聚焦编程，学生可使用机器人完成各地图任务中掌握编程知识。可培养学生对机器人编程的初步兴趣。其弊端是成品教具结构单一，学生易对教具产生疲倦，且设计物理、结构知识较少。

2.组装机器人课程体系

组装机器人课程体系是指使用各类机器人零件套装作为教具而开发的课程体系。根据零件的类型可分为大颗粒积木机器人、小颗粒积木机器人和金属拼装机器人。

大颗粒积木机器人：以各类大块积木块和封装好的电子积木元器件为主要硬件的可编程套装为教具，具有代表性的如ROBOROBO-ORIGIN、中鸣-威尔、LEGO、乐博士等品牌的课程。其教具色彩丰富、类型众多、且电子积木元器件与普通积木兼容，按压式连接，适合幼儿段学生开展机器人编程教育启蒙，涵盖数学、物理、生物等简单的跨学科知识，有卡片式编程、点读笔式编程等编程方式。可满足幼儿阶段学生外观结构设计的需求，也能在无屏的条件下进行编程。学生学习兴趣较高，且家长对于无屏编程的接受度比有屏编程的更高，主要原因是护眼及电子产品使用频率减少。

小颗粒积木机器人：以各类散小块积木块和不同类型的电子积木元器件为主要硬件的可编程套装为教具，具有代表性的如ROBOROBO-KIDS、中鸣、LEGO-wedo、VEX-IQ等品牌的课程。与大颗粒积木机器人相比，其零件更丰富，结构变化性更大，难度更高，涵盖的跨学科知识更丰富。编程方式有卡片条形码式编程、电脑图形化编程等。普遍适合小学低龄段的学生学习。

金属拼装机器人：使用包含各类零散功能金属零部件为主要硬件的可编程套装作为教具的课程，具有代表性的如Makeblock、ROBOROBO、VEX-EXP等品牌的课程。此类型教具是需要使用螺丝螺母进行组装，其结构设计更稳定，可拓展性更强。适合小学中高年龄段零基础学生或者有编程基础的小学低龄段学生，编程方式有电脑图形化编程、语言代码编程等。

组装类机器人课程体系优势较多，但其主要弊端是教学中容易以搭建为主，教师容易重视成品结果，而轻视编程启蒙和问题解决的过程。

二、机器人课程体系中常见的教学模式

成品机器人无屏编程课程体系中有PASR教学法，Present发现和提出问题；Analyze分析和理解问题；Solve提出和实施解决方案；Review回顾和评估流程。PASR是以学生为中心，以解决机器人课程中设置的情境问题为导向的小组合作学习的教学方法。

小颗粒积木机器人课程体系中的PDCA教学法，与PASR相似的。教师引导学生去发现课程情境问题、分析并提出计划（Plan），再使用机器人编程相关知识去实施解决（Do），实施后进行检查（Check），检查问题是否解决，是否需要修改调整，如果有再行动（Action）。

在组装类机器人课程体系中，多数采用与4C相近的教学法。联系-Connect：引导学生将新的体验与学生大脑中现有的知识库联系起来，促进学习效果。建构-Construct：学生在现实中构建事物时，在头脑中组合知识。反思-Contemplate：让对其所看到或建构的内容进行思考，对方案进行讨、反思并调整他们的看法，是学生达到学习目标的重要阶段。延续-Continue：引导学生主动探索，把学生引入一个新的联系阶段。

三、现有机器人编程教育课程体系对学生能力培养的利弊

1.现有课程体系对学生能力培养的积极作用

机器人编程教育是以物理硬件和软件相结合的科技教育，教师引导学生发现、分析问题，通过机器人的设计、组装、编程与运行解决问题，能激发孩子们去思考、实践和探究学习等，涉及数学、物理、工程结构等跨学科的知识，可培养学生跨学科解决问题的能力、综合思维能力，如自主学习能力、自我管理能力、自我决策能力、沟通协作能力，可提高学生思维水平，如工程思维、计算思维、设计思维，增加学生素养，如审辩创新、文化理解等，以适应人工智能时代的发展。

2.现有课程体系对学生能力培养的不利影响及对策

（1）机器人编程教育课程体系不完善，存在拼凑课程的现象，不利于学生能力的系统培养。

市面上课程体系繁多，但仅少数是3-18岁全龄段覆盖且软硬件结合的。如某品牌只有3-12岁课程体系，某品牌只有软件编程没有硬件结构课程。全龄段覆盖课程中还存在各教具品牌课程拼凑现象。如某品牌课程中3-6岁学生的课程使用其他品牌的无屏编程机器人课程体系，而6-18岁学生课程使用LEGO-EV3课程体系。两个年段课程都是软硬件结合，但不同品牌课程设计逻辑不一样，存在断层现象。

建议完善机器人编程教育课程体系。先进行课程设计内部优化，调整课程设计逻辑，优化课程衔接。比如在无屏实物编程课程和电脑图形化编程课程中可以加入两者编程方式都兼容的过渡课程。随后在优化好课程逻辑的基础上再扩大年龄涵盖面，尽可能做到体系化、全年龄段的课程覆盖。

（2）机器人编程教育课程设置不科学，不利于学生学习兴趣的培养。

在组装类课程中，实地观察的两家机构都有出现其中几节课的机器人结构过于复杂、搭建难度过大的问题。成品机器人无屏编程类型课程的操作过程中因无设计结构和搭建环节，入门简单，学生初期学习成就感较强，但在趣味性上，学生初学时兴趣浓厚，但第二学期还是同款机器人教具，较多学生的学习兴趣因为器材结构单一而降低。

同系列教具全覆盖课程体系中逻辑性较强，且多为全国连锁品牌，课程已进行全国性标准化，具有可复制的优势，但其覆盖面广、地域性差异大、学生的学情基础不一，全国各校区一刀切地采用全国统一的教案和进度，生搬硬套，就容易出现各地区学情不匹配的现象，易打击学情基础不好的地区学生学习积极性。

建议课程设置科学化。在全覆盖课程体系中，可以根据地域性不同进行地域本土化，其中课程体系中搭建难度大的内容可调整为一个主题两次课或转为小组团队共创一个主题；除此之外，成品机器人无屏编程课程可在一个小阶段课程，如8次课后开一次主题匹配的组装性机器人课程，或者进行一次无屏编程的趣味装饰，以提升学生对无屏编程学习的兴趣。

（3）教师课程实施存在问题，不利于学生自主学习能力的培养。

在多个机构实地调查中发现，实际教学中存在结构分析设置缺失的现象，学生被老师带着如动盲人摸象般一步一步搭建，缺少空间规划和结构设计，也容易消耗学生的学习兴趣。

教学实施中会出现学生调皮吵闹、学生进度快慢不一等课控不佳情况，因此影响整体上课进度，时间紧张，且某些机构教师追求作品最后组装和编程效果，忽视教学过程，有出现较多告诉学生结果甚至直接上手帮助孩子设计和搭建机器人的现象，不利学生自主学习能力的培养。

机器人编程教育与传统教学模式不同，需要教师有较好的专业技术、课程管理和教学能力。首先建议组织教师进行针对性培训、增加教师专业性、完善教学实施流程，如在教学实施中要重视教学中的结构设计环节，加入结构分析，引领学生进行结构分析和自主设计。其次机器人编程课程应重视教学过程中学生的收获，注重引导学生进行问题的分析和解决。可以和家长做好预先的课程理念沟通，若遇到问题，学生能在解决问题上有收获比最后结果呈现更重要，且有与家长的预先沟通，也更容易获得家长的教育支持。

四、结束语

人工智能时代，各国科技都在较量，科教兴国，科学完善的机器人编程教育体系是科教中重要组成部分，本文通过观察法、访谈法等浅析了机器人编程教育机构中的主要课程体系及教学模式，并分析其对学生能力培养利弊和发展建议。科教兴国是每一位科技教育工作者的奋斗目标，希望在我们的点滴努力下，我国科技教育的发展更上一层楼。

参考文献：

[1]  国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知[OL].

[2]《教育信息化2.0行动计划》的通知[OL].

[3] 《关于进一步减轻义务教育阶段学生作业负担和校外培训负担的意见》[OL].