馬云霞，秦　健，白　珍（.陜西師范大學(xué)教育學(xué)院，陜西西安7006；.陜西省教育科學(xué)研究所，陜西西安7006）

基于創(chuàng)客教育的創(chuàng)客課程教學(xué)設(shè)計研究*
——以人工智能實驗“塑料（PVC）機(jī)械猴”制作為例

馬云霞1，秦健1，白珍2
（1.陜西師范大學(xué)教育學(xué)院，陜西西安710062；2.陜西省教育科學(xué)研究所，陜西西安710062）

文章基于創(chuàng)客教育理念，設(shè)計并實施了機(jī)器人興趣類課程。課程課堂教學(xué)分為集中教學(xué)和小組合作兩個部分，教師和助教作為課堂教學(xué)的引導(dǎo)者，學(xué)生作為主體通過同伴互助和教師引導(dǎo)完成小組任務(wù)。文章通過問卷調(diào)查和訪談法，對19名研究對象“PVC機(jī)械猴制作”課程學(xué)習(xí)情況展開研究，發(fā)現(xiàn)一堂良好的教學(xué)設(shè)計對機(jī)器人學(xué)習(xí)效果有一定影響；創(chuàng)客課程的設(shè)計不僅主題要選取恰當(dāng)，根據(jù)學(xué)生認(rèn)知水平來設(shè)計難易程度不同的任務(wù)，而且對教學(xué)活動的細(xì)節(jié)設(shè)計要再完善，使其更具體，同時要善于接受學(xué)生對教學(xué)活動等提出的建議和意見，最終實現(xiàn)師生的共同成長。

創(chuàng)客；創(chuàng)客教育；機(jī)器人教育；創(chuàng)客課程教學(xué)設(shè)計；教育信息化

教育部辦公廳《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進(jìn)教育信息化工作的指導(dǎo)意見》（征求意見稿）中提出：有效利用信息技術(shù)推進(jìn)“眾創(chuàng)空間”建設(shè)，探索STEAM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式，使學(xué)生有較強(qiáng)的信息認(rèn)識與創(chuàng)新意識，養(yǎng)成數(shù)字化學(xué)習(xí)習(xí)慣。［1］

“創(chuàng)客教育”以“創(chuàng)新”為代名詞正在逐步地影響著教育教學(xué)，它可以更好的使讓學(xué)生進(jìn)行意義建構(gòu)，即有意義學(xué)習(xí)。因此設(shè)計一節(jié)基于創(chuàng)客教育理念下的教學(xué)設(shè)計是創(chuàng)客課程教與學(xué)過程中非常最重要的一個環(huán)節(jié)，同時這也是基于教育一線對人才培養(yǎng)的需求，我們設(shè)計并實施了改革實踐課程的內(nèi)容。

一、創(chuàng)客和創(chuàng)客教育

創(chuàng)客運(yùn)動可以理解為“互聯(lián)網(wǎng)+DIY”：人人都可以像科學(xué)家、發(fā)明家一樣，利用身邊的一切資源（如軟硬件、材料等），將自己的創(chuàng)意變成現(xiàn)實，并通過互聯(lián)網(wǎng)平臺快速分享給全世界。［2］創(chuàng)客起源于美國，它源自英語單詞“Maker”，原意是指“制造者”［3］。現(xiàn)在，創(chuàng)客指代用網(wǎng)絡(luò)、3D打印以及其他新興科技，把創(chuàng)意轉(zhuǎn)換成現(xiàn)實，勇于創(chuàng)新的一群人［4］。他們喜歡并且享受創(chuàng)新，他們不分年齡、性別，只要個體具有創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神、動手能力，加以不斷的嘗試、協(xié)作將創(chuàng)意變現(xiàn)實并通過創(chuàng)客社區(qū)分享，每個人都可以是信息化時代的創(chuàng)客。

創(chuàng)客教育以信息技術(shù)的融合為基礎(chǔ)，傳承了體驗教育、項目學(xué)習(xí)法、創(chuàng)新教育、DIY理念的思想 （祝智庭等，2015）；［5］提倡“基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)”，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者融入創(chuàng)造情境、投入創(chuàng)造過程（鄭燕林等，2014）。［6］“創(chuàng)客教育”雖然是新生事物，但創(chuàng)客活動與教育領(lǐng)域的交叉、相互影響、相互融合，對推動教育信息化的進(jìn)程有著重要的作用。

二、創(chuàng)客課程

1.課程介紹

《人工智能實驗課》是基于樂高、Arduino、PVC等開源軟硬件，通過編寫代碼以及連接配件的方式來完成小組任務(wù)，從而創(chuàng)造出電子產(chǎn)品。該課程面向?qū)C(jī)器人設(shè)計與制作感興趣的大學(xué)生提供學(xué)習(xí)、交流、動手實踐的機(jī)會和平臺。

2.教育目標(biāo)與活動

課程旨在讓學(xué)生運(yùn)用教師及助教給出的教學(xué)案例，來實現(xiàn)程序功能，重點在于通過動手實踐來學(xué)習(xí)如何設(shè)計富有創(chuàng)意的機(jī)器人。具體目標(biāo)首先是讓學(xué)生了解PVC機(jī)器人相關(guān)知識；其次是讓學(xué)生通過自己動手制作各類機(jī)器人，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力與操作能力。

三、研究對象與研究方法

1.研究對象

《人工智能實驗課》是針對陜西師范大學(xué)教育學(xué)院2012級教育技術(shù)學(xué)專業(yè)本科生開設(shè)的選修課，在2014-2015學(xué)年的第二學(xué)期中選修本課程實驗課的學(xué)生共有19人，授課教師為陜西師范大學(xué)教育學(xué)院秦健副教授。

2.研究方法與步驟

根據(jù)研究的需要，本研究采用問卷調(diào)查法和訪談法。問卷有兩個部分：即為前測問卷（記為Q）和后測問卷（記為H），問卷采用李克特五點計分法，選用克倫巴赫系數(shù)來檢驗量表的內(nèi)部一致性信度。前測整體與后測整體的Alpha值依次為0.741、0.796，可見研究所采用的調(diào)查問卷具有較高的可信度。訪談是每節(jié)課之后以及課程結(jié)束后對學(xué)生進(jìn)行半結(jié)構(gòu)訪談。

第一步，前測問卷調(diào)查，是在課程開始之前對19名研究對象做了一個關(guān)于《人工智能實驗課》學(xué)科基礎(chǔ)知識的調(diào)查，前測問卷包括了學(xué)生對于機(jī)器人的興趣（Q1）和已具備的基本水平（Q3）、對創(chuàng)客課程的態(tài)度（Q2）等。

第二步，分組。其遵循多元化的原則，讓學(xué)生根據(jù)自愿、性別、學(xué)科背景、興趣愛好等不同因素自由組合學(xué)習(xí)小組。最終形成每2至3人的8個小組。

第三步，實施教學(xué)活動。首先向?qū)W生介紹課程概述，然后進(jìn)入正式的課程學(xué)習(xí)階段，課堂上采用小組合作的方式，進(jìn)行小組間成果互評，相互質(zhì)疑，促進(jìn)新知遷移。

第四步，后測問卷（H）調(diào)查，課程結(jié)束之后同樣采用問卷調(diào)查法對研究對象對機(jī)器人的興趣（H1）、對創(chuàng)客課程的態(tài)度（H2）、對機(jī)器人的學(xué)習(xí)情況（H3）這三個維度來調(diào)查學(xué)生課程結(jié)束后對課程的態(tài)度和學(xué)習(xí)效果的情況。

第五步，對學(xué)生進(jìn)行半結(jié)構(gòu)訪談，了解各個小組本人學(xué)習(xí)與合作學(xué)習(xí)的情況以及各個實驗課機(jī)器人功能實現(xiàn)之后的感悟與心得體會。

3.教學(xué)過程

本實驗課程基于創(chuàng)客教育的理念，著重開發(fā)及培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力，通過一系列實際動手操作活動，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識及提高學(xué)生的動手能力。本文將選取該實驗課中的“塑料（PVC）機(jī)械猴制作”［7］這一實驗展開討論創(chuàng)客課程教學(xué)設(shè)計。

在本節(jié)實驗課中教師和助教的主要工作首先是講解PVC機(jī)械猴實現(xiàn)運(yùn)動的原理，其次是為每組提供原材料和案例代碼，在小組制作機(jī)器人的過程中，教師和助教為學(xué)生提供引導(dǎo)與輔助講解，學(xué)生之間進(jìn)行互助式學(xué)習(xí)，實現(xiàn)知識和想法的交換。

PVC機(jī)械猴實驗課主要是模仿靈長類動物在吊繩攀爬時的運(yùn)動方式。本案例的機(jī)器人造型類似一只猴子，故又稱為“機(jī)械猴”，案例采用模塊化的開發(fā)方式，可以快速有效的完成整體機(jī)器人的搭建。下面將從機(jī)械猴實現(xiàn)運(yùn)動的基本原理、材料準(zhǔn)備、制作過程、調(diào)試完善幾個方面做一些簡單介紹。（教學(xué)流程見圖1）

圖1　教學(xué)流程圖

圖2　教學(xué)各要素關(guān)系圖

圖3　教學(xué)場景

（1）基本原理

圖4　連桿結(jié)構(gòu)圖

本案例中吊繩攀爬機(jī)器人運(yùn)動的方式是以減速電機(jī)為動力，通過連桿機(jī)構(gòu)（見圖4）來實現(xiàn)在繩索上的攀爬運(yùn)動。即由抓握住繩索的一只手臂把身體往前送；接著由另一手臂再往前抓握新的一段繩索；然后原來的手臂放棄抓握繩索，身體往前擺；再由抓住繩索的手臂把身體往前送……如此循環(huán)往復(fù)，實現(xiàn)在繩索上攀爬前進(jìn)。

本案例中我們采用電機(jī)作為動力，為了實現(xiàn)繩索上的攀爬，需要把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)椴粩嗲昂髷[動的抓伸運(yùn)動，為了使本項目機(jī)器人能夠吊掛在繩索上，機(jī)器人與繩索接合的部分設(shè)計成了一個吊鉤（見圖4）的形狀。

本案例機(jī)器人的電路原理是一組電池連接一個電機(jī)，中間通過一個撥動開關(guān)來控制電路的通斷。

圖5　成品展示

（2）材料準(zhǔn)備

實驗材料包括減速箱部件、主體結(jié)構(gòu)部件以及電源部件的材料。

（3）制作過程

制作過程主要包括主體結(jié)構(gòu)、電源、總裝三個方面。其中主體結(jié)構(gòu)分為動力、腿部、背部、傳動、手臂、接口、頭部、腳掌、軀干九部分；電源分為支架、開關(guān)、導(dǎo)線、接口四部分；總裝就是把整個電源模塊固定到結(jié)構(gòu)平臺的背部，然后再將把DC-7A電源模塊的PH插頭插入結(jié)構(gòu)平臺的PH插座上，這樣就完成整個吊繩攀爬機(jī)器人的制作。

（4）調(diào)試完善

這個環(huán)節(jié)主要是通電檢查電路連接，進(jìn)行測試與調(diào)試，以及對其他細(xì)節(jié)進(jìn)行修正。

四、研究結(jié)果

1.對機(jī)器人的興趣和對創(chuàng)客課程的態(tài)度

對參與調(diào)查的學(xué)生進(jìn)行描述性統(tǒng)計，結(jié)果如表1所示，可以得出：選修人工智能實驗課程的學(xué)生對機(jī)器人有很高的興趣，對科學(xué)的學(xué)習(xí)態(tài)度也較積極；在對機(jī)器人的興趣和對創(chuàng)客課程態(tài)度上均具有更高的得分，即對機(jī)器人的興趣和對創(chuàng)客課程的態(tài)度較積極的學(xué)生更易堅持學(xué)習(xí)完整的課程內(nèi)容；可見創(chuàng)客課程在一定程度上提高了學(xué)生機(jī)器人的興趣和對創(chuàng)客課程的態(tài)度。

表1　對機(jī)器人的興趣和對創(chuàng)客課程的態(tài)度前后測描述性統(tǒng)計量

2．創(chuàng)客課程學(xué)習(xí)情況

對后測的學(xué)生進(jìn)行描述性統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對創(chuàng)客課程的態(tài)度具有較高的評分（4.232），對機(jī)器人的學(xué)習(xí)情況即學(xué)習(xí)效果得分也較高 （3.889）。為進(jìn)一步探究學(xué)生對創(chuàng)客課程的態(tài)度和學(xué)習(xí)情況，對學(xué)生進(jìn)行針對這兩個維度的半結(jié)構(gòu)性訪談，可以得出參與課程后的學(xué)生對創(chuàng)客課程的評價普遍較高。例如“課程設(shè)計挺好的，（完成整個作品之后）比較有成就感”、“實驗主題很好，自己參與全部過程并完成作品很有成就感，除了切割比較困難（之外）”等。但是對于“PVC材料的裁剪”環(huán)節(jié)評價較低，例如 “材料特別難裁剪，（應(yīng)該）提供裁剪好的材料”、“（PVC材料）難打孔”，這可能是由于選課學(xué)生中大部分為女生，所以在材料裁剪過程中裁剪材料和使用工具時較為困難。

3．機(jī)器人知識掌握程度明顯提高，基本達(dá)到了該課程的教學(xué)目標(biāo)

從前測的數(shù)據(jù)可以看出絕大多數(shù)學(xué)生對于機(jī)器人基本知識只是處于聽說過甚至未聽說過。后測數(shù)據(jù)顯示絕大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為自己已經(jīng)掌握或者基本掌握了機(jī)器人基本知識。在訪談的過程中，絕大多數(shù)被訪談?wù)弑硎疽呀?jīng)掌握或者基本掌握了簡易機(jī)器人設(shè)計、制作等一系列的方法。例如“在學(xué)習(xí)機(jī)器人之前，覺得機(jī)器人是特別‘高大上的'，很容易掌握一些基本的（機(jī)器人）知識”，“覺得還蠻有趣的，比起單一的學(xué)習(xí)理論，自己動手進(jìn)行實際的操作……鍛煉了我們的動手能力，很充實”。同時表示在課后也積極應(yīng)用設(shè)計、制作機(jī)器人的方法。

五、結(jié)論和建議

通過前后測問卷的調(diào)查分析和訪談，可為開展創(chuàng)新實踐類的課堂教學(xué)模式提供以下建議：第一，在課堂中需要不斷激發(fā)學(xué)生的興趣，并鼓勵學(xué)生從生活中發(fā)現(xiàn)創(chuàng)意；第二，教師要敢于設(shè)計實踐課程、敢于要求學(xué)生，并提供針對性的輔助講解和擴(kuò)展性知識；第三，學(xué)生雖然對課程活動較為滿意，但仍有學(xué)生認(rèn)為活動設(shè)計不合理，所以教師及助教要明確實踐課程目標(biāo)提前給予課程資源；第四，評價方式可多樣化，讓不同水平的學(xué)生靈活地選擇可以實現(xiàn)的任務(wù)，允許制作結(jié)果的多樣化，同時善于接受學(xué)生針對教學(xué)提出的意見與建議，使得師生在教與學(xué)的過程中實現(xiàn)共同成長。

［1］教育部辦公廳關(guān)于征求對《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進(jìn)教育信息化工作的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》意 見 的 通 知 ［Z］.http：//www.moe.edu.cn/srcsite/A16/ s3342/201509/t20150907_206045.html.

［2］楊現(xiàn)民，李冀紅.創(chuàng)客教育的價值潛能及其爭議［J］.現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究，2015，（02）：23.

［3］（美）克里斯·安德森，譯者：蕭瀟.創(chuàng)客新工業(yè)革命［M］.北京：中信出版社，2012：9-23.

［4］李凌，王頡.“創(chuàng)客”：柔軟地改變教育［N］.中國教育報，2014-09-23（005）.

［5］祝智庭，孫妍妍.創(chuàng)客教育：信息技術(shù)使能的創(chuàng)新教育實踐場［J］.中國電化教育，2015，（1）：14-16.

［6］鄭燕林，李盧一.技術(shù)支持的基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)——美國中小學(xué)創(chuàng)客教育的內(nèi)涵、特征與實施路徑［J］.開放教育研究，2014，（6）：42-44.

［7］pvcbot，吊繩攀爬機(jī)器人［J］.中學(xué)科技，2013，11.http：//www.diy-bot.net/_book/boo_article_show.aspx？artSN= 147.

［8］Chu H，Hwang G，Tsai C，et al.A two-tier test approach to developing location-aware mobile learning systems for natural science courses［J］.Computers&Education，2010，（4）：1618-1627.

［9］王辭曉，傅騫，楊思思.創(chuàng)客視野下的創(chuàng)意電子課程設(shè)計研究［J］.現(xiàn)代教育術(shù)，2015，（10）：106-112.

（編輯：郭桂真）

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1673-8454（2016）12-0012-04

本文為陜西師范大學(xué)第三批信息化師范課程項目“人工智能”項目的階段性研究成果。本文受“機(jī)器人在中小學(xué)創(chuàng)客教育中的應(yīng)用研究”項目（項目級別：教育部“十二五”教育科學(xué)規(guī)劃重點項目DHA150287）、陜西師范大學(xué)高等教育教學(xué)改革研究項目“師范院校工程技術(shù)專業(yè)學(xué)生工程思維能力培養(yǎng)的研究與實踐”（編號：15JG13）資助。