基于PTD理論的學(xué)前兒童機(jī)器人實(shí)訓(xùn)活動(dòng)體系設(shè)計(jì)與研究

吳玥喬 黃建國

摘要：作者通過文獻(xiàn)研讀，分析了機(jī)器人編程教育在學(xué)前兒童階段的開展現(xiàn)狀，基于PTD理論分析了學(xué)前兒童的培養(yǎng)目標(biāo)，并設(shè)計(jì)符合學(xué)前兒童身心特點(diǎn)的機(jī)器人編程教育的實(shí)踐活動(dòng)體系。構(gòu)建學(xué)前教育師范生機(jī)器人編程的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系，讓學(xué)生在項(xiàng)目學(xué)習(xí)中融合學(xué)與做，培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新能力和開發(fā)能力，同時(shí)反哺學(xué)前兒童機(jī)器人編程教育，解決目前師資緊缺且?guī)熧Y質(zhì)量不理想等實(shí)際問題。

關(guān)鍵詞：學(xué)前兒童;PTD理論;機(jī)器人;校企結(jié)合

中圖分類號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2021）12-0078-04

概述

國內(nèi)兒童編程機(jī)器人的發(fā)展相較于國外，有著起步晚、發(fā)展態(tài)勢(shì)保守的特點(diǎn)。高中技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)，把“人工智能初步”和“簡易機(jī)器人制作”設(shè)為技術(shù)領(lǐng)域的選修模塊，這意味著我國的人工智能和機(jī)器人教育在大眾化、普及化層面上進(jìn)入了一個(gè)新階段。然而，我國中小學(xué)人工智能與機(jī)器人教育仍處于初期階段，仍存在較多問題有待進(jìn)一步研究和實(shí)踐。

筆者通過對(duì)學(xué)前兒童編程教育的研究發(fā)現(xiàn)，國外對(duì)學(xué)前兒童編程的研究已比較細(xì)致，不同年齡段的理解與執(zhí)行能力在不同程度的編程內(nèi)容里的側(cè)重點(diǎn)有一定差別。但是在我國，對(duì)學(xué)前兒童編程的教學(xué)研究尚處于理論向應(yīng)用研究的轉(zhuǎn)型期，尤其在實(shí)踐環(huán)節(jié)的支撐還比較薄弱。因此，就我國存在的學(xué)前兒童可編程機(jī)器人的教學(xué)實(shí)踐有限、教學(xué)師資短缺、教學(xué)資源匱乏等問題來看，對(duì)學(xué)前兒童教師進(jìn)行編程能力和計(jì)算思維的培養(yǎng)，是當(dāng)務(wù)之急。

PTD理論概述

積極的技術(shù)發(fā)展（Positive? Technological Development）簡稱PTD理論，由美國塔弗茨大學(xué)貝斯教授提出。它是由兩組6C模型共同構(gòu)成的多維框架，其中第一組6C模型即為6個(gè)積極的品行特征，也稱6C品質(zhì)，第二組6C模型即為6種積極的行為，也稱6C行為，兩組內(nèi)容彼此對(duì)應(yīng)。6C品質(zhì)包括能力、自信、愛心、聯(lián)系、個(gè)性、貢獻(xiàn)，這組特征被認(rèn)為是個(gè)人在最初二十年中個(gè)體核心動(dòng)機(jī)的一組重要的特征;6C行為包括個(gè)人技能層面的內(nèi)容創(chuàng)作、創(chuàng)造行為、行為選擇和人際交往技能層面的溝通、合作、社區(qū)共建。

PTD理論框架核心內(nèi)容與現(xiàn)代人才培養(yǎng)中“培養(yǎng)全面發(fā)展的人，心智健全的人”等理念保持一致。同時(shí)，該理論與學(xué)前兒童培養(yǎng)方案中的加德納的多元智力發(fā)展理論相匹配，對(duì)編程活動(dòng)方案的目標(biāo)有指向性。PTD理論中的6C品質(zhì)對(duì)應(yīng)6C行為，6C行為指向活動(dòng)目標(biāo)。例如，具體6C行為中，創(chuàng)造行為對(duì)應(yīng)的培養(yǎng)目標(biāo)是創(chuàng)造力，合作行為對(duì)應(yīng)的培養(yǎng)目標(biāo)是協(xié)作能力等。

學(xué)前兒童可編程機(jī)器人實(shí)訓(xùn)活動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)幼兒園一線教師和學(xué)前專業(yè)在校生進(jìn)行有針對(duì)性的編程課程培訓(xùn)，是緩解目前學(xué)前兒童可編程機(jī)器人教學(xué)過程中存在的問題的較便捷有效的途徑之一。筆者所在團(tuán)隊(duì)，對(duì)學(xué)校的學(xué)前專業(yè)學(xué)生和幼兒園一線教師進(jìn)行集中培訓(xùn)，以校企結(jié)合的形式建立學(xué)前兒童可編程機(jī)器人實(shí)訓(xùn)中心。區(qū)別于工業(yè)機(jī)器人建設(shè)，學(xué)前兒童可編程機(jī)器人需要充分考慮兒童認(rèn)知水平低、注意力不集中等特點(diǎn)，因此，學(xué)前兒童可編程機(jī)器人實(shí)訓(xùn)中心需根據(jù)學(xué)前兒童特點(diǎn)來規(guī)劃實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，培訓(xùn)實(shí)訓(xùn)教師。具體規(guī)劃流程如圖1所示。

1.師資系統(tǒng)構(gòu)建

考慮師資的不同專業(yè)程度，為了保障師資培養(yǎng)的質(zhì)量，筆者提出了“校企結(jié)合”和“園校結(jié)合”的多維師資培養(yǎng)方式（如圖2）。

2.課程系統(tǒng)構(gòu)建

針對(duì)學(xué)前兒童的教材編寫，首先根據(jù)PTD理論框架中對(duì)學(xué)前兒童特點(diǎn)的分析，有針對(duì)性地確定教學(xué)目標(biāo)，再根據(jù)教學(xué)目標(biāo)細(xì)化對(duì)應(yīng)的教學(xué)知識(shí)點(diǎn)?？紤]到學(xué)前兒童身心發(fā)展水平不穩(wěn)定、知識(shí)經(jīng)驗(yàn)水平低、學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)弱等特點(diǎn)，課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和難度都應(yīng)降低，并且教學(xué)形式應(yīng)以情境設(shè)計(jì)、游戲、角色扮演等學(xué)前兒童容易接受的形式為主。課程設(shè)定參考教育部《3～6歲學(xué)習(xí)與發(fā)展指南》，并根據(jù)學(xué)齡前兒童（3～6歲）的特點(diǎn)，系統(tǒng)且分層次地進(jìn)行課程范圍劃分。

①初級(jí)活動(dòng)。3歲兒童通過身體各種知覺感知世界，其邏輯和思維都還未形成，因此，活動(dòng)通過游戲和情境等形式開展，帶他們參與機(jī)器人實(shí)體教具的認(rèn)知和搭建。

②中級(jí)活動(dòng)。4歲兒童基本認(rèn)知能力已經(jīng)具備，活動(dòng)基于幼兒對(duì)客觀世界的認(rèn)知基礎(chǔ)，帶領(lǐng)幼兒領(lǐng)略自然界、常識(shí)規(guī)定等，幫助幼兒建立基本的邏輯思維和分析判斷能力。

③高級(jí)活動(dòng)。5～6歲兒童已初步形成邏輯判斷和思維能力，已具備建立幼兒編程語言和命令的能力。因此，可以為5～6歲的兒童選擇與其認(rèn)知發(fā)展規(guī)律相匹配的編程活動(dòng)難度。筆者通過文獻(xiàn)研讀發(fā)現(xiàn)，研究者們多將活動(dòng)內(nèi)容聚焦于排序、循環(huán)、調(diào)試、復(fù)雜排序、復(fù)雜循環(huán)和復(fù)雜調(diào)試等活動(dòng)板塊（如下頁圖3）。值得注意的是，要對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行情境設(shè)定，激發(fā)學(xué)生分析和解決問題的興趣，使之成為便于學(xué)生理解和參與的操作案例。

關(guān)于可編程機(jī)器人課程中的編譯語言，國外最早的是LOGO語言，之后的兒童編程語言都在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修整和改進(jìn)。目前使用最廣泛的是Scratch語言，但是由于其語句的成熟程度高于學(xué)前兒童，MIT之后開發(fā)的版本做了相應(yīng)的調(diào)整，生成了Scratch JR版本，幫助幼兒通過角色扮演，完成運(yùn)動(dòng)指令。CHERP編譯語言和Micro python也比較簡單，適合學(xué)前兒童通過拖拽打包程序來完成基于圖像的指令操作。博斯教授曾在實(shí)驗(yàn)中證明，通過將有形編程機(jī)器人和CHERP編程語言結(jié)合，研究結(jié)果顯示幼兒在教育干預(yù)后，各項(xiàng)能力都有不同程度的提高。

3.實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)構(gòu)建

可編程機(jī)器人實(shí)訓(xùn)中心的培訓(xùn)形式不再只是單一的課堂教學(xué)，更具有沉浸式體驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀摩等適用師資培訓(xùn)和幼兒教學(xué)的情境模式。目前在學(xué)前兒童編程中，較主流的編程形式包括基于屏幕的編輯與操作、制作數(shù)字有形作品、可以解決問題的方法等。因此，設(shè)計(jì)的實(shí)訓(xùn)中心要提升公開的可視化教學(xué)能力，要有展示、操作、調(diào)試等多功能區(qū)域，具體設(shè)計(jì)如圖4所示。在教學(xué)綜合區(qū)配備可交互的多媒體白板，方便教師和學(xué)生更直觀地進(jìn)行線上和線下的演示和交流。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)分為線上AI的虛擬仿真平臺(tái)和線下的實(shí)體機(jī)器人操作匹配兩個(gè)層次，其中包含演示體驗(yàn)、實(shí)操訓(xùn)練、調(diào)試維修等分階段的操作區(qū)域。演示體驗(yàn)區(qū)域適用初級(jí)活動(dòng)中的機(jī)械體驗(yàn)和組裝;實(shí)操模擬區(qū)域適合中級(jí)和高級(jí)活動(dòng)的命令編譯;調(diào)試區(qū)域適合高級(jí)活動(dòng)中的問題解決等項(xiàng)目。最后，單獨(dú)把典型操作案例和編碼過程成立一個(gè)區(qū)域，供學(xué)生翻閱材料或請(qǐng)求協(xié)作等。其中，基礎(chǔ)設(shè)備包括多媒體教學(xué)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、加工操作區(qū)、編程教學(xué)區(qū)、體驗(yàn)實(shí)踐區(qū)。專業(yè)教學(xué)設(shè)備包括人工智能相關(guān)設(shè)備，語音、視覺識(shí)別系統(tǒng)、電子傳感器等硬件設(shè)備，支持uKit、CHERP等簡單編譯語言軟件平臺(tái)。

4.教學(xué)案例示范

以下是基于PTD框架的學(xué)前兒童編程教學(xué)示例《會(huì)聽話的臺(tái)燈》。

（1）材料準(zhǔn)備

視頻、交互式白板、積木、硬件結(jié)構(gòu)件、硬件連接件、編譯語言主控盒、執(zhí)行器等。

（2）實(shí)踐過程

選擇教學(xué)對(duì)象：某學(xué)校附屬幼兒園大班學(xué)生。

確定教學(xué)內(nèi)容：Python條件語句的編譯命令、循環(huán)語句編譯命令，考慮到教學(xué)對(duì)象年齡小、認(rèn)知程度低，難以理解條件語句“if...then”和循環(huán)語句while，因此，將其轉(zhuǎn)換為普通話命令，建立與積木感應(yīng)效果的聯(lián)系。

構(gòu)建教學(xué)項(xiàng)目：

①啟動(dòng)項(xiàng)目。通過積木搭建臺(tái)燈，創(chuàng)設(shè)問題情境。（臺(tái)燈的開關(guān)、燈光的強(qiáng)弱，能不能通過我們的聲音來控制呢？）

②項(xiàng)目實(shí)施過程。

認(rèn)識(shí)條件語句：教師引導(dǎo)學(xué)生了解普通的語音指令，如“開燈”“強(qiáng)光”“暖光”;介紹關(guān)聯(lián)詞，建立語音命令和臺(tái)燈之間的聯(lián)系，如“如果主控聽到‘開燈，那么臺(tái)燈燈瓣張開”。

認(rèn)識(shí)循環(huán)語句：啟發(fā)學(xué)生思考語音命令“強(qiáng)光”“暖光”和臺(tái)燈燈瓣之間的關(guān)系，并且讓學(xué)生發(fā)出語音命令。在程序運(yùn)行版面上出現(xiàn)完整命令后，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)：滿足某條件，可多次執(zhí)行同樣操作，即可形成循環(huán)（如圖5）。讓學(xué)生獨(dú)立思考，合作完成聲控臺(tái)燈的編譯命令。

（3）實(shí)訓(xùn)評(píng)價(jià)

課程評(píng)價(jià)的多元化是目前課程發(fā)展的主要趨勢(shì)，科學(xué)的評(píng)價(jià)應(yīng)該貫穿整個(gè)教學(xué)過程。學(xué)前兒童的認(rèn)知能力和專注能力都比較弱，單純從項(xiàng)目結(jié)果來評(píng)價(jià)學(xué)前兒童認(rèn)知的變化是比較片面的，因此，編程項(xiàng)目課程的評(píng)價(jià)可以將終結(jié)性評(píng)價(jià)和形成性評(píng)價(jià)相結(jié)合。

終結(jié)性評(píng)價(jià)：項(xiàng)目教學(xué)中的作品分析是終結(jié)性評(píng)價(jià)中認(rèn)可度較高的形式之一。在兒童完成臺(tái)燈的積木搭建、聲控程序的編譯等操作時(shí)，可以用項(xiàng)目作品的完成程度和制作效果作為兒童動(dòng)手能力和認(rèn)知能力變化的測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)。

形成性評(píng)價(jià)：形成性評(píng)價(jià)多以訪談和問卷的形式開展，但是學(xué)前兒童又不具備準(zhǔn)確表達(dá)自己內(nèi)心感受和填寫相關(guān)測(cè)評(píng)問卷的能力，因此，在教學(xué)過程中建議園方教室設(shè)立視頻觀測(cè)裝置。在課堂教學(xué)結(jié)束后，由教師觀察學(xué)前兒童課堂表現(xiàn)來填寫調(diào)查問卷，并整理分析，由學(xué)前兒童行為變化來分析其學(xué)習(xí)發(fā)展和能力水平變化。

結(jié)語

學(xué)前兒童可編程機(jī)器人教學(xué)旨在通過簡易的編程活動(dòng)盡早且合理地培養(yǎng)學(xué)前兒童的認(rèn)知能力和計(jì)算思維。目前，國內(nèi)仍處于起步態(tài)勢(shì)，缺少有針對(duì)性的教學(xué)體系和課程開發(fā)團(tuán)隊(duì)，但從另一個(gè)角度看，學(xué)前兒童可編程機(jī)器人的教學(xué)在內(nèi)容和方法上仍存在較大的研究空間。期望本文能為該方向的研討提供一點(diǎn)參考，打破編程從高中甚至大學(xué)才開始的思維定勢(shì)，為真正滲透STEAM教育培養(yǎng)高素質(zhì)的優(yōu)秀人才奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：吳玥喬，助講，碩士，研究方向?yàn)橹腔蹖W(xué)習(xí)環(huán)境;黃建國：教授，在讀博士，研究方向?yàn)橹腔蹖W(xué)習(xí)。

本文為安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目“合肥幼兒師范高等專科學(xué)?！不侦鲃匐娮涌萍加邢薰緦?shí)踐教育基地”（項(xiàng)目編號(hào)：2019xqsxzx11）階段性成果。