可編程教育機(jī)器人

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摘要：可編程教育機(jī)器人作為近年兒童編程教育的研究熱點(diǎn)，理解它與兒童計(jì)算思維培養(yǎng)之間的關(guān)系，成為深化可編程教育機(jī)器人應(yīng)用必須解決的理論性問題。從可編程教育機(jī)器人概述，可編程教育機(jī)器人分類、價(jià)值及教學(xué)應(yīng)用中存在的困難和挑戰(zhàn)等方面展開論述，以期為利用可編程教育機(jī)器人對(duì)兒童進(jìn)行編程教育提供幫助。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；可編程教育機(jī)器人；編程教育

引言

近年來，快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)和數(shù)字化技術(shù)對(duì)我們的生活產(chǎn)生了重大影響，我們每天都在與數(shù)字技術(shù)進(jìn)行互動(dòng)，并依靠它們來完成大部分的任務(wù)，我們生活和思想的方式也變得越來越工程化。工程化的生活方式下，計(jì)算思維逐漸成為個(gè)體認(rèn)識(shí)世界，了解世界的基本思維方式之一，成為繼3R（閱讀、寫作、算術(shù)）能力之后的第四種能力。在眾多培養(yǎng)兒童計(jì)算思維的方法中，由于編程和計(jì)算思維在解決問題上的思路一致，所以被認(rèn)為是提升兒童計(jì)算思維的最好方法。

1可編程教育機(jī)器人概述

機(jī)器人在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，最早可以追溯至20世紀(jì)50年代，機(jī)器人依靠齒輪和鏈條的配合，完成簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)，主要目的是和兒童游戲，并未在兒童思維培養(yǎng)上延伸太多。直至21世紀(jì)初，由于機(jī)器人相關(guān)技術(shù)突飛猛進(jìn)和信息時(shí)代對(duì)未來人才培養(yǎng)的新需求，讓眾多研究者開始重新考慮機(jī)器人與兒童教育之間的關(guān)系，并嘗試?yán)脵C(jī)器人培養(yǎng)兒童編程等多種技能。當(dāng)CodeyRocky、mBlock、NeuronKits、Bee-bot、WeDo一系列機(jī)器人走進(jìn)教學(xué)后，機(jī)器人能夠幫助兒童理解許多復(fù)雜的認(rèn)知問題，提高諸如反思、分解、分析問題等各項(xiàng)能力的優(yōu)勢(shì)也被發(fā)現(xiàn)。這些發(fā)現(xiàn)極大地增強(qiáng)了研究者們利用機(jī)器人培養(yǎng)兒童計(jì)算思維的信心，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注機(jī)器人在兒童計(jì)算思維培養(yǎng)方面的積極作用，并且積極應(yīng)用于實(shí)踐，在教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)一步驗(yàn)證編程教育機(jī)器人的可用性與有效性。

2可編程教育機(jī)器人分類

機(jī)器人技術(shù)在世界教育系統(tǒng)中運(yùn)行已經(jīng)超過15年，為學(xué)習(xí)者提供與具體對(duì)象交互的機(jī)會(huì)是機(jī)器人技術(shù)最重要的特點(diǎn)，這個(gè)特點(diǎn)在教育行業(yè)也展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，成為機(jī)器人技術(shù)在教育領(lǐng)域發(fā)展的良好載體?？删幊探逃龣C(jī)器人積極融合機(jī)器人現(xiàn)代技術(shù)，迅速發(fā)展，樣式與功能越來越豐富。所以，對(duì)可編程教育機(jī)器人進(jìn)行分類整理，是非常有必要的，能夠幫助我們?cè)诤罄m(xù)研究中選擇和使用可編程教育機(jī)器人。根據(jù)用戶編程界面，可以將可編程教育機(jī)器人劃分為按鍵編程機(jī)器人、實(shí)物編程機(jī)器人、混合編程機(jī)器人三類[1]。

2.1按鍵編程機(jī)器人

按鍵編程機(jī)器人也稱為背部按鈕式可編程教育機(jī)器人，在機(jī)器人的背部，常常會(huì)設(shè)置一些按鈕，每個(gè)按鈕，與機(jī)器人的單個(gè)移動(dòng)動(dòng)作相關(guān)聯(lián)，例如向前移動(dòng)、向右轉(zhuǎn)彎等。兒童通過依次按動(dòng)按鈕，給機(jī)器人輸入運(yùn)動(dòng)指令，讓機(jī)器人完成特定操作。這類機(jī)器人中發(fā)展比較成熟的有Bee-bot、Lego等，它們通過按鈕式編程的用戶界面，幫助兒童實(shí)現(xiàn)編程體驗(yàn)。因其簡(jiǎn)單明了的編程界面，這類機(jī)器人在教學(xué)中使用次數(shù)最多，遠(yuǎn)超其他類的編程機(jī)器人。

2.2實(shí)物編程機(jī)器人

實(shí)物編程機(jī)器人又被稱為“可編程塊”，將嵌在機(jī)器人背部的按鈕取下來，并將這些按鈕具體化、實(shí)物化，變成機(jī)器人本體和編程“塊”兩部分[2]。這類可編程教育機(jī)器人的代表有Ozobot、Turtle-Bot、KIBO、KIWI等。Ozobot和TurtleBot機(jī)器人安裝有微型顏色傳感器，兒童用彩筆在紙上畫出運(yùn)動(dòng)路線，或使用彩色膠帶粘出運(yùn)動(dòng)軌跡，他們識(shí)別不同的顏色后，完成向前、向后等動(dòng)作。而KIBO和KIWI使用的是一種方形的積木塊，這些積木塊的表面有表示動(dòng)作指令的圖標(biāo)，圖標(biāo)上有與之對(duì)應(yīng)的條形碼。兒童根據(jù)木塊上的圖標(biāo)擺放木塊，設(shè)定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，機(jī)器人掃描木塊上的二維碼后，依次完成動(dòng)作。

2.3混合式可編程教育機(jī)器人

混合式可編程教育機(jī)器人包含有形編程和圖形化編程兩部分，既可以通過按鈕或編程塊控制機(jī)器人，也可以通過屏幕編程控制機(jī)器人，如Thymio、Blue-bot，直接按動(dòng)機(jī)身編程按鈕實(shí)現(xiàn)編程命令的輸入，或通過iPad/PC上的圖形化編程應(yīng)用程序在電腦屏幕上進(jìn)行編程。混合式可編程教育機(jī)器人軀體上的電子元件更多，機(jī)器人可以完成更加復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，如機(jī)器人Ozobot可以完成的動(dòng)作有十幾種，但混合式可編程教育機(jī)器人RES，卻可以完成超50+的行為動(dòng)作。除了動(dòng)作數(shù)目的提升，部分混合式可編程教育機(jī)器人還會(huì)增加聲音、手勢(shì)識(shí)別等方式，進(jìn)一步幫助低齡兒童完成編程。綜上來看，可編程教育機(jī)器人大體都是基于運(yùn)動(dòng)技能反饋的機(jī)器人，這種設(shè)計(jì)與兒童的認(rèn)知有極大的關(guān)系[3]。兒童運(yùn)動(dòng)技能是認(rèn)知發(fā)展的基礎(chǔ)，有助于兒童自主性和探索能力的發(fā)展，能夠激發(fā)兒童的探究欲望，使他們長時(shí)間保持專注。雖然這個(gè)階段的兒童無法進(jìn)行嚴(yán)密的邏輯思考，但他們通過反復(fù)嘗試，觀察機(jī)器人與相關(guān)程序命令之間的關(guān)系，也可以建立起知識(shí)的聯(lián)結(jié)，進(jìn)行編程學(xué)習(xí)[3]。

3可編程教育機(jī)器人的價(jià)值與作用

在“計(jì)算思維”“可編程教育機(jī)器人”等關(guān)鍵詞下檢索的文獻(xiàn)中，超過一半的研究中學(xué)生們使用物理按鈕為機(jī)器人編程，有學(xué)者還特意強(qiáng)調(diào)，這種物理輸出的方式可能比具有視覺輸出的編程活動(dòng)更適合兒童。有學(xué)者在大量實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，可編程機(jī)器人為兒童提供了一種有吸引力和激勵(lì)性的方式，有效降低了兒童學(xué)習(xí)編程的“上限”，讓兒童無需理解復(fù)雜的語法結(jié)構(gòu)，在他們現(xiàn)有的認(rèn)知下按動(dòng)按鈕或者擺放編程塊，就能完成編程學(xué)習(xí)[4]。在此基礎(chǔ)上，Sullivan等人[5]通過PTD框架探索iPad上的圖形化編程應(yīng)用程序（ScratchJr）和編程機(jī)器人（KIBO）同時(shí)向?qū)W生教授編程，不同的用戶界面是否會(huì)影響學(xué)生在編程上的積極行為和互動(dòng)，經(jīng)過為期三周的培訓(xùn)，使用圖形化編程的學(xué)生和編程機(jī)器人的學(xué)生都發(fā)展了計(jì)算思維，但是從整體成績(jī)來說，使用編程機(jī)器人組的學(xué)生，表現(xiàn)更好，總體成績(jī)更高。同時(shí)，學(xué)者們意外發(fā)現(xiàn)，編程機(jī)器人對(duì)兒童思維的影響并不是單一的，體現(xiàn)在兒童認(rèn)知發(fā)展上是多方面的，如Fessakis等人[6]通過計(jì)算思維的培養(yǎng)，兒童的思維方式、問題解決能力和社交技巧均有不同程度的提升。Bers通過編程機(jī)器人對(duì)低齡兒童進(jìn)行計(jì)算思維培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)，低齡兒童學(xué)習(xí)技術(shù)和工程等其他領(lǐng)域知識(shí)的能力變強(qiáng)?？删幊探逃龣C(jī)器人的另一大優(yōu)勢(shì)，則是為幼兒提供不同類型的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，有效限制幼兒觀看屏幕的時(shí)間，保護(hù)兒童的視力，讓兒童發(fā)展精細(xì)運(yùn)動(dòng)技能和手眼協(xié)調(diào)能力[7]，同時(shí)參與協(xié)作和團(tuán)隊(duì)合作?？傊?，可編程教育機(jī)器人是兒童早期計(jì)算思維培養(yǎng)的有效方式[8]，這一點(diǎn)在研究者心中似乎已經(jīng)毫無爭(zhēng)議。

4可編程教育機(jī)器人在教學(xué)應(yīng)用中的困難與挑戰(zhàn)

4.1可編程教育機(jī)器人功能上仍有不足

物理編程機(jī)器人與實(shí)物編程機(jī)器人在兒童編程期間所展示的用戶界面整體上是比較低級(jí)的，整個(gè)程序的讀取需要依靠機(jī)器人內(nèi)部強(qiáng)大的內(nèi)存，記住輸入的命令序列。這種編程方式的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，兒童的自主探究能力和動(dòng)手能力能夠迅速激活，但是也為編程帶來一些困難。比如，一旦有一個(gè)按鈕或者積木塊的順序放錯(cuò)，就意味著所有命令需要重新讀取。物理編程教育機(jī)器人的這種編程界面，決定了它不能編寫調(diào)試和迭代類的結(jié)構(gòu)化代碼，能夠完成的操作和展示的計(jì)算思維概念有限，經(jīng)常只能完成“順序”相關(guān)的操作，“選擇”“循環(huán)”相關(guān)操作則出現(xiàn)的較少。

4.2可編程教育機(jī)器人價(jià)格偏貴

目前出現(xiàn)的所有可編程教育機(jī)器人，都可以統(tǒng)稱為商業(yè)機(jī)器人[2]，這些機(jī)器人的售價(jià)在30～590美元。最基本的按鈕式可編程教育機(jī)器人的售價(jià)都在90美元，像NXT、RES的售價(jià)則在220～590美元左右。我國本土機(jī)器人公司如美科、七星蟲、DF也在生產(chǎn)機(jī)器人，但并沒有很好地解決這個(gè)問題。開發(fā)出一款低成本、開源的可編程教育機(jī)器人，方便教師與研究者的研究和推廣，是當(dāng)下開展可編程教育機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐的首要問題。

4.3可編程教育機(jī)器人體系化課程缺失

要使用可編程教育機(jī)器人進(jìn)行編程教學(xué)，應(yīng)該擁有體系化的課程，根據(jù)不同年齡階段學(xué)生的認(rèn)知特征，設(shè)計(jì)出一套完整的體系化學(xué)習(xí)內(nèi)容。但是目前尚未有成體系的課程，也沒有具體規(guī)范，在實(shí)際教學(xué)中就會(huì)出現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)不明確、教學(xué)內(nèi)容不合適等問題。

5結(jié)束語

可編程教育機(jī)器人借用機(jī)器人技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，將抽象知識(shí)轉(zhuǎn)化為兒童可理解的內(nèi)容，從降低兒童認(rèn)知負(fù)荷、培養(yǎng)兒童計(jì)算思維、開展編程活動(dòng)的角度來說，可編程教育機(jī)器人是我們進(jìn)行兒童編程教育時(shí)較好的選擇。但可編程教育機(jī)器人高價(jià)位、功能不足等問題也不可小覷，如果這些問題不解決，可編程教育機(jī)器人就難以在教育領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更大范圍的推廣。不過，可以預(yù)見的是，因?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)可為兒童編程提供的巨大支持，使可編程教育機(jī)器人始終擁有龐大的市場(chǎng)需求。研發(fā)者也從機(jī)器人智能開發(fā)、用戶界面、編程反饋類型、成本過高、代碼不開源等方面，相繼做出改變，迎合兒童在編程教育領(lǐng)域的需求，共同實(shí)現(xiàn)低價(jià)、開源、擴(kuò)大應(yīng)用范圍的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]傅騫,章夢(mèng)瑤.實(shí)體編程的教育應(yīng)用與啟示[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2018(12):108-114.

作者：朱月姣 楊力