面向計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)師范生的創(chuàng)客機(jī)器人教學(xué)設(shè)計(jì)

朱廣賀，李娟

（新疆師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054）

0 引言

在過去的幾年里，大眾對(duì)機(jī)器人的興趣急劇增加。國(guó)外學(xué)者Halverson等研究了向?qū)W生介紹機(jī)器人技術(shù)和概念的策略，并主張為機(jī)器人提供多種途徑的重要性，以確保有切入點(diǎn)讓具有不同興趣和學(xué)習(xí)風(fēng)格的年輕人參與進(jìn)來[1]。Martin 等認(rèn)為不同的學(xué)生被不同類型的機(jī)器人活動(dòng)所吸引，對(duì)汽車感興趣的學(xué)生可能更有動(dòng)力創(chuàng)作機(jī)動(dòng)車輛，而對(duì)藝術(shù)或音樂感興趣的學(xué)生可能更有動(dòng)力創(chuàng)作互動(dòng)雕塑[2]。部分學(xué)者認(rèn)為在課堂教學(xué)方面使用機(jī)器人來改善教學(xué)技術(shù)是有十分大的潛力的；但也有另一部分學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)確認(rèn)證明機(jī)器人對(duì)課程教學(xué)的影響是有限的[3-4]。目前大多數(shù)關(guān)于機(jī)器人在教育中使用的研究都還在理論研究階段。

國(guó)內(nèi)的一些學(xué)者認(rèn)為在機(jī)器人教育方面[5-6]，專業(yè)性人才匱乏，其原因是因?yàn)樗筇撸枰莆斩鄠€(gè)學(xué)科知識(shí)，而目前我國(guó)中小學(xué)?，F(xiàn)有的大部分教師并未系統(tǒng)學(xué)習(xí)過有關(guān)機(jī)器人教學(xué)相關(guān)知識(shí)，因此無法勝任。另外，我國(guó)的人口因素也是一個(gè)需要考慮的方面，中小學(xué)班級(jí)人數(shù)過多很大程度上會(huì)影響教學(xué)效率。教育機(jī)器人似乎是提高學(xué)習(xí)的相關(guān)工具。然而，這一論斷需要通過應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，尤其是通過經(jīng)驗(yàn)證據(jù)得到進(jìn)一步的支持。這項(xiàng)研究試圖回答的中心問題是，創(chuàng)客機(jī)器人教學(xué)作為一種教學(xué)工具，在與機(jī)器人學(xué)本身領(lǐng)域密切相關(guān)的學(xué)科教學(xué)之外的領(lǐng)域中使用，是否能提高學(xué)生在小學(xué)、中學(xué)和高中的成績(jī)。因此，培養(yǎng)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的師范生為中小學(xué)提供創(chuàng)客教師師資成為迫切需要解決的現(xiàn)實(shí)問題。

1 創(chuàng)客機(jī)器人教學(xué)理論基礎(chǔ)

1.1 泰勒經(jīng)典開發(fā)課程理論

泰勒的課程所相關(guān)的一些模式在現(xiàn)代的課程開發(fā)中十分重要，有著別的課程無法替代的地位[7]。他的一本書奠定了現(xiàn)代課程理論基礎(chǔ)，其中主要步驟分為四個(gè)部分：①課程目標(biāo)②課程內(nèi)容的選擇③課程內(nèi)容組織④課程評(píng)價(jià)。

1.2 課程設(shè)計(jì)

教學(xué)設(shè)計(jì)中有一個(gè)不可或缺的部分就是課程設(shè)計(jì)，下面我們把它劃分為三個(gè)部分：①宏觀的課程設(shè)計(jì)②中觀的課程設(shè)計(jì)③微觀的課程設(shè)計(jì)。

2 機(jī)器人教育相關(guān)概念

2.1 機(jī)器人的定義

目前技術(shù)機(jī)器人相關(guān)的技術(shù)在不同領(lǐng)域不斷發(fā)展中，比如機(jī)器學(xué)習(xí)、自然語言處理、圖像識(shí)別等方面，但是各個(gè)國(guó)家對(duì)機(jī)器人的認(rèn)識(shí)各有千秋。國(guó)外認(rèn)為機(jī)器人是一種可以通過借助其來完成某項(xiàng)任務(wù)的多功能機(jī)械手，具體的操作過程是通過已經(jīng)編寫好的程序來實(shí)現(xiàn)的[8]。我國(guó)科學(xué)家認(rèn)為機(jī)器人是一種和人類相似的自動(dòng)化機(jī)器，是一種高度智能化的機(jī)器。

2.2 機(jī)器人教育的類型

機(jī)器人教育的應(yīng)用大致上可劃分為如下五類：①機(jī)器人學(xué)科教學(xué)，是指把機(jī)器人學(xué)看成是一門科學(xué)。②機(jī)器人輔助教學(xué)。③機(jī)器人管理教學(xué)。④機(jī)器人代理事務(wù)機(jī)器人。⑤機(jī)器人主持教學(xué)。五種類型相輔相成，不能把它們單獨(dú)割裂開來理解。

3 創(chuàng)客機(jī)器人課程教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 創(chuàng)客機(jī)器人課程實(shí)施

我們利用暑假的時(shí)間對(duì)一期學(xué)生開設(shè)了一些課程來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，其情況如表1所示。

表1 課程內(nèi)容

3.2 傳統(tǒng)教學(xué)法案例--超聲波避障小車

傳統(tǒng)的教學(xué)我們以超聲波避障小車為例，老師與學(xué)生的互動(dòng)活動(dòng)流程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)教學(xué)流程圖

其中講述環(huán)節(jié)是指講授基礎(chǔ)知識(shí)，而實(shí)踐操作環(huán)節(jié)是學(xué)生觀察學(xué)習(xí)老師搭建時(shí)然后自己掌握的過程。在遇到一些學(xué)生自己無法解決的問題時(shí)，學(xué)生可以向老師求助或者小組之間互相幫助；展示環(huán)節(jié)是以小組為單位進(jìn)行介紹并演示作品的過程。重點(diǎn)是選出一個(gè)小組代表來介紹自己做的東西并且說明出在實(shí)踐過程中所遇到的問題；評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)是自評(píng)、學(xué)生間的互評(píng)和教師的最終評(píng)價(jià)。根據(jù)學(xué)生自己互相的觀察進(jìn)行的自評(píng)與學(xué)生之間的互評(píng)，然后老師對(duì)其進(jìn)行分析，對(duì)其創(chuàng)新點(diǎn)和不足點(diǎn)分別進(jìn)行評(píng)價(jià)和總結(jié)，這樣能夠更好的激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣[9-10]。

3.3 項(xiàng)目學(xué)習(xí)教學(xué)法案例--超聲波避障小車

項(xiàng)目學(xué)習(xí)方法分為四個(gè)環(huán)節(jié)。我們以圖2為例子設(shè)計(jì)的教學(xué)過程流程圖具體如圖2所示。

圖2 項(xiàng)目學(xué)習(xí)法流程圖

其中分析項(xiàng)目環(huán)節(jié)包含兩個(gè)部分，一是老師提問并告知學(xué)生需要完成的項(xiàng)目；二是小組之間進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)以及合理分工。我們以表2為例。

表2 項(xiàng)目分工

完成項(xiàng)目環(huán)節(jié)是學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，通過反復(fù)地測(cè)試加以改造、調(diào)試來完善項(xiàng)目；展示項(xiàng)目的環(huán)節(jié)是介紹項(xiàng)目并進(jìn)行機(jī)器人比賽?？偨Y(jié)項(xiàng)目包含公布比賽結(jié)果和對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)價(jià)。最后，得出了如表3所示的結(jié)果。

表3 兩種方法對(duì)比結(jié)果

4 結(jié)論

通過分析對(duì)比傳統(tǒng)教學(xué)方法和項(xiàng)目學(xué)習(xí)教學(xué)方法，我們可以看出計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)專業(yè)的師范生創(chuàng)客素養(yǎng)的各維度都有顯著地提高，然而創(chuàng)新意識(shí)維度還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。本文所提出的方法有助于培養(yǎng)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)專業(yè)的師范生的創(chuàng)客素養(yǎng)，雖然還在某一方面還存在一定缺陷，但是對(duì)比目前已有的方法還是有可取之處。