金书辉 郑燕林 张晓

摘要：创客教育的盛行给基础教育领域带来了革新，机器人教育作为创客教育的承接载体，为其在中小学的“落地”提供了一个适切的平台，一些开源软硬件的出现为两者的融合提供了可能。Arduino作为一个代表性的开源平台已成为中学实施创客教育的标准配置之一，同时也催生了一门新型的“创客课程”——Arduino机器人课程。为了解高中生在Arduino机器人课程中的学习现状，旨在发现教学过程中存在的问题，以便对其做进一步改进，探索更有效的教学方式，该文从学生的兴趣度、参与度、课程相关联系度等维度出发，采用问卷的方式进行了此次调查。调查显示：学生对Arduino机器人课程整体有较高的兴趣度；能将课程与其他学科知识密切联系，但与日常生活的联系相对较弱；Arduino机器人课程能有效促进学生间的交流協作；学生在课程中的学习持续度有所欠缺。文章根据此次调查结果提出了相应的课程优化建议：注重课程内容的各方面联系整合；在知识讲解和项目探究间保持动态的平衡；设置多维评价指标，及时给予学生反馈。

关键词：创客教育；Arduino机器人课程；现状调查

一、引言

“创客”一词的出现引发了创客运动的浪潮，它与教育的结合与碰撞也催生了一种新型的教育模式一一创客教育。创客教育强调基于真实情境中的手脑并重，借助技术工具将创造过程融入学习过程中，进行基于创造的学习，通过创意性的“造物”，鼓励学生将头脑中的想法变成现实。机器人作为信息技术教育的前沿领域，集创意性、跨学科性和实践性于一身，涉及电子、自动控制、程度设计等多个学科领域，对于学生的创新思维能力、多学科知识综合运用能力、合作探究意识和动手实践能力的养成具有重要的作用。它主张学生通过机器人的制作和开发这一创造性的探究，将想法付诸于实践，在实践中运用跨学科的知识，掌握相关技能，其本身就是一个手脑并重的过程。机器人教育为中小学实施创客教育提供了有力的载体，赋予了其更广阔的发展空间，将创客教育相关理念融入机器人教学中，也给其带来了更高的自由度和创新度，二者的融合起到相辅相成的作用。

在中小学以课程而非竞赛的形式开展机器人教育对于促进其推广普及有重要的作用。但一直以来教育机器人的产品价格居高不下，过高的教育成本造成许多学校没有条件开展机器人教育，成为限制其发展的一个重要因素。随着创客教育在中小学的风靡，一些开源软硬件的引进和实施平台的搭建都对机器人教育的推进提供了一个很好的契机。Arduino作为一款开源平台，由于代码开源和低成本受到了广泛的欢迎，其软硬件的低成本为在中小学进一步普及机器人教育提供了可能，Ardubloek和Mixly等图形化编程软件改变了师生的聚焦点，技术和理念的“开源”进一步扩充了机器人教学内容。因此，许多中小学以创客教育为机遇，开设了一系列的Arduino机器人课程，在此基础上寻找适切的教学理论或模式，进行Arduino机器人教学的相关探索。

作为一门新型的机器人课程，以必修的方式来进行开设后的课程推进情况、学生对课程的适应情况以及对相关知识的理解程度、当前教学中存在哪些不足、传统的教学方法是否与新型课程相适应这一系列问题目前仍缺乏相关研究数据的支持。因此，本研究试图通过问卷调查的方式来了解学生在Arduino机器人课程开设之后的学习情况，以便更好地对课程进行优化改进。

二、调查内容与实施

为得到较为全面的课程学习现状数据，问卷内容主要涉及学生对Arduino机器人课程的兴趣度、在课程中的参与度、跨学科知识整合和课程与日常生活的联系度等方面，初稿设计完成后经多位一线教师进行审阅修改，以保证问卷具有良好的信度和效度，最终形成的问卷终稿的主要内容如表1所示。

问卷调查对象为某开展Arduino机器人教学的高中的高一学生，调查之前他们已经进行了为期一学期的Arduin0机器人课程学习。问卷采用网上调查的方式，通过问卷星这一平台进行问卷的发放，共发放问卷180份，回收问卷173份，其中有效问卷16l份，问卷有效率为93.06%。调查结果利用spss软件和问卷星平台进行统计分析。

三、调查结果分析

（一）学生对Arduino机器人课程整体存在较高的兴趣度

Arduino最初更多的是被国内的电子发烧友所熟知，随后引起了教育研究者的关注，并尝试将其引入中学机器人教育领域，开展了相应的教学实践。作为一个新兴的开源平台，学生表示在进行课程学习前对Arduino机器人并不了解（如图1所示）。Arduino机器人教学包括结构搭建和程序编写测试两方面，在兴趣度调查维度主要从学生对课程整体兴趣度、对硬件搭建和程序编写的兴趣度比较和对相关工作原理的兴趣度入手。调查显示，绝大多数学生对Arduino机器人课程存在较高的兴趣度（如图2所示），在影响学生进行课程学习的因素调查层面，占比最大的也是兴趣度（如图3所示），许多学生均表示正是因为兴趣会促使他们进行更深一步的探究。就学生对硬件搭建和程序编写两方面的兴趣度比较来看，有46.63%的学生选择对硬件的搭建最感兴趣，37.42%的学生对程序的编写测试最感兴趣，15.95%的学生则表示对这两方面均不感兴趣（如图4所示）。在调查学生对Arduino中相关元器件的工作原理是否感兴趣方面，有63.19%的学生表示兴趣程度一般，但不排斥教师讲解相关原理，仅有26.38%的学生表示对相关工作原理非常感兴趣。

（二）学生能将Arduino机器人课程与其他学科知识密切联系，与日常生活的联系相对较弱

Arduino机器人作为一门综合性课程，需要探究的问题也是涉及到多个学科的综合性知识，课程内容与信息技术、通用技术、物理、数学等多个学科紧密联系；它主张真实情境中的问题解决，在探究所生活的世界相互联系的不同侧面的过程中学习和掌握面向真实需求的问题解决的过程和方法。因此，在联系维度主要调查学生在学习Arduino机器人课程时与其他学科知识（物理、程序设计和数学）和学生日常生活之间的联系程度。如表2所示，Arduino机器人课程有助于学生对程序设计和物理学科知识的学习。涉及到与其他学科具体联系程度，有66.87%的学生表示Arduino机器人课程与程序设计知识联系最为密切，其次则是物理学科的知识，仅有2.45%的学生表示与数学学科的知识有一定联系。就学科联系度而言，Arduino机器人课程与程序设计知识联系最为密切。对于Arduino机器人课程能否帮助解决日常生活问题这方面，学生表示联系程度“一般”。有研究者指出当前机器人教学侧重学科本位，重技术轻整合，课堂上所解决的大都是技术问题，而非指向实际生活问题。调查也显示这种现象在Arduino机器人课堂中仍然存在，课程内容与学生日常生活中的真实问题联系度不足，教师需要将课程与真实情境建立更密切的连接，以解决实际问题来对学生做进一步引导。

（三）学生在Arduino机器人课程中的参与度

1.学生能积极地参与到Arduino机器人课程活动中，任务完成度一般

调查显示，过半数的学生在课堂中都积极参与了硬件的搭建和程序的编写测试，能很好地与其他同学进行交流（如图5所示）。在知识讲解阶段，教师主要以任务驱动的方式进行相关基础知识的传授，如在智能LED灯模块，基础任务是通过点亮一个LED灯使学生将Arduino中的数字端口输出值与LED灯的亮灭相对应起来，进阶任务则是让学生在基础任务之上通过实现LED灯渐亮渐灭效果掌握循环语句结构。通过对任务完成度的调查，有66.26%的学生表示能基本完成教师布置的任务，23.31%的学生表示很少完成，只有4.29%的学生能全部完成教师布置的任务（如图6所示）。由此可见，课程中学生的任务完成情况并不理想，在任务难易度和区分度方面需要教师进行更为精心的设计。

有36.81%的学生表示在学习过程中遇到的首要困难是硬件的搭建，其次则是程序的编写。究其原因，Mixly和AIduBlock这类图形化编程软件的出现大大降低了学生在编程方面的难度，学生无需掌握一些复杂的编程知识。在结构搭建方面，Arduino中涉及到的电路知识并不复杂，学生在初中就已经学习过电路的串并联知识，但在学习过程中学生出现问题最多的环节则是电路的连接，这也从侧面表明了当前高中生的动手操作能力不足，教师应加强对学生动手能力的培养，将课堂重点适当地由编程语法的讲解向一些元器件等硬件的搭建指导方面进行转移。

2.Arduino机器人课程能有效地促进学生间的交流协作

Arduino机器人课程目标具有多维性，学生不仅仅是在进行跨学科的学习，更是在完成创意性作品的过程中，能与他人共享知识与资源、多样化观点与经验，达成共同的目标，并形成积极、互相信赖的协同创新关系。通过调查学生在Arduino机器人课程的收获（如下页图7所示），学生对Ardllino机器人课程的价值给予了认同，除去对Arduino机器人知识有一个基本的了解外，学生表示通过这门课程可以更好地与其他人进行交流协作。如下页图8所示，在学习过程中遇到困难时，46.63%的学生会首先与同伴进行交流探讨，22.09%的学生会首先选择向教师求助，学生更倾向于通过同伴间的交流协作来解决问题。因此，Arduino机器人课程能显著提升学生的合作探究能力。

（四）学生在Arduino机器人课程中的学习持续度有所欠缺

对学生的学习持续度主要从作品改进频率和课后学习相关知识的主动性两方面来调查。如表3所示，学生能在学习过程中对作品进行改进，但改进频率较低，不能持续地对作品做进一步的修改。在课后阶段，学生缺乏学习自主性，有30.67%的学生表示从未在课后主动学习相关知识。总体来看，学生在Arduino机器人课程中的学习持续度不足，需要教师做进一步的引导。

（五）Arduin机器人教学课时需进行更合理的规划

问卷中的最后一题为开放性题目，主要是征求学生对Arduino机器人课程的建议。通过对结果的整理发现，学生普遍反映课程周期间隔过长，容易遗忘之前的学习内容，不利于接下来的学习；合作进行项目探究的时长过短，小组中的每个人不能得到充分的锻炼。在课时安排上，笔者按照每周连续两课时来开展Arduino机器人教学，一学期的有效课时总量为24课时，就调查结果来看，当前的课时安排仍需要进行一定的调整。尽管一直以来项目教学法被认为是开展机器人教育的有效教学方法，但是对于项目教学在Arduino机器人教学中的具体实施路径尚未明确。有研究者也指出当前机器人教育缺乏顶层设计，课程体系不完整，如何将基本知识讲解与和让学生进行项目探究的时间进行合理的分配，如何合理安排课时历经一个较为完整的项目设计过程等都需要教师进行进一步的规划。

四、讨论与建议

机器人教育的普及不但是指中小学能够承担其教育成本，更多的是使它能够“适得其所”，达到“物尽其用”的效果。虽然Arduino在一些性能方面不如价格昂贵、一体化的机器人，就教育价值来说，它足够满足当前中小学的机器人教学需要，将其引入机器人教育领域具有很高的可行性。调查结果表明，学生对Arduino机器人课程给予了认同，对课程有着较高的兴趣度；他们能积极地参与到课堂活动中，在操作过程中更倾向于进行硬件的搭建，如物理电路的连接等；在跨学科整合方面，课程与程序设计和物理等学科知识整合度较高；课程对于学生的协作探究能力有明显的提升作用。作为一门新型的机器人课程，相关研究仍处于起步阶段，缺少一定的教学积淀，在开设过程中也显示出了若干问题：学生对相关元器件的工作原理则表现出较低的兴趣度；他们在机器人硬件搭建中的动手操作能力较差，导致课堂任务完成情况并不理想，不能对机器人作品做持续的改进，课程学习持续度有待加强；在课程联系维度，课程与学生日常生活联系较弱；当前课时安排需进行更为合理的规划，基础知识讲解和项目探究的课时分配尚需调整。因此，笔者结合此次问卷调查和教学过程中的实际体会从以下几方面提出了相应的建议。

（一）注重课程内容设计的各方面联系

与学生日常生活中的真实问题相联系。Arduino机器人课程主张学生设计制作作品来解決生活中的真实问题，但经调查发现目前课程与学生的日常生活联系并不紧密。教师应从真实生活情境入手，选取可以提高学生的好奇心和探索意识、贴近实际生活的问题供他们进行探究。如在按钮模块，教师可与家中的LED照明台灯相联系，让学生通过编写程序用按钮控制灯的亮灭，进而可在通用技术课中动手制作一个简易的智能小台灯。通过与真实情境联系可以使学生更好地理解作品的适用场合和最终完成的作品所带来的实用价值，激起他们的探究欲望。

与多个学科知识相联系。机器人本身就涵盖多个学科的知识，打破了学科界限，不再仅局限于传统的数学、物理等单一的课程模式，而是整合艺术、电子、控制、网络等不同学科知识。创意Arduino机器人作品背后也离不开跨学科知识的支持。因此，教师需要在多个学科联结的基础上进行知识的重构，将各学科的知识按照一定的逻辑来进行合理的重组，保证课程可以均匀涵盖各个学科的基础知识。此外还可以安排一些需要学生运用交叉学科的知识来解决问题的任务，促进学生跨学科的知识整合。

与学生的已有知识基础相联系。在硬件方面，Arduino中相关元器件的工作原理较为复杂和深奥，学生对此兴趣度不足。为此，教师可以与学生已有的知识基础相结合，找到这些新旧知识的连接点，在此基础上进行进一步的拓展和延伸。就软件而言，课程虽然采用图形化的编程方式，学生拖动程序块就可以实现程序的编写，但是这些操作之间也是具有关联性和层次性的，如一些循环语句的程序块的拖动就需要学生在已经掌握了简单的条件语句的基础上进行，教师应确保新知识的讲授是建立在学生已有知识的基础之上。

（二）在知识讲解和项目探究间保持动态的平衡

Arduino机器人课程强调创意性作品的产出，主张让学生通过项目来进行合作探究，因而课程项目的复杂程度、任务难易度、项目之间的内在联系等都需要教师进行精心的设计。Arduino理念的“开源”使得教师可以在社区或者论坛上获取丰富的技术资源和课程资源，许多Arduino爱好者也秉承“创客”的共享理念，将自己设计出的创意作品和源代码发布在相关论坛上，与其他创客进行思想碰撞，借此推广Arduino开源文化，这在很大程度上扩展了教师的思路，有助于更多创意机器人课程项目的开发，进而探索更有效的机器人教学方法。但同时也造成了教师往往将精力过多放于对项目的规划设计上，从而忽视了一些基本知识的讲授，而Arduino中一些相关元器件的工作原理和基本的操作却是保证学生进行创意性设计的基础，调查结果也表明当前课程中基础知识讲解和项目探究的课时分配并不合理。因此，教师需要在基本知识的讲解和让学生进行项目合作探究之间保持适度的张力和平衡。

在基本知识讲解阶段，注重电路搭建等硬件知识的讲解。Arduino中采用图形化的编程方式，它提供了集成化的程序编译环境，将各种变量、语句和运算符以不同颜色的图形块的方式呈现，学生只需拖动相应的图形块就可以进行程序的编写，无需手动输入代码，很大程度地降低了学生在程序编写方面的难度。相对而言，虽然在Arduino机器人课程中涉及到的硬件（如物理电路）知识比较简单，学生可以准确地画出相对应的电路图，但由于学生动手实践能力较弱，在实际搭建电路过程中可能会出现一系列的问题，如将电源正负极接反、电路连接短路等。因此，教师在进行基础知识讲解时也需要做一个系统的规划，教学重点可以适当地向硬件搭建方面偏移，加强对学生动手操作能力的培养。在任务设置方面，应对任务目标做进一步的明确，对任务的难易度有一个区分，确保学生通过完成相应的任务能基本掌握课程的基础知识。

在项目探究阶段注重学生间的作品分享和交流。一个优秀的项目应能够生成可分享的成果，即结果应该是可与他人共享的，基于共享的动机会促使学生更愿意共享、参与互惠学习、提出并分享自己的创见。调查结果也显示，学生非常希望看到其他同学设计完成的Arduino机器人作品，也非常想将自己的作品与其他同學进行分享。因此，教师可在课堂中给予学生充分展示作品的机会，通过小组间的作品分享和同伴间的交流，有助于其兴趣的培养与持续，学生也可以对自己的作品进行反思，从而做出进一步的改进。

（三）设置多样化的Arduino机器人课程评价指标，及时给予学生反馈

根据此次调查中学生在课程学习中的持续度不足的问题，笔者也进行了思考，很大一方面的原因是由于当前课程中的评价指标尚不完善，教师仅从物化作品的完成情况来对学生进行考察，过程性评价较为欠缺，不能及时将评价结果反馈给学生，由此造成学生不愿对作品进行持续的改进。因此，建立科学合理的评价指标对学生各方面的表现进行考量显得尤为必要，使得教师能全面了解学生在课程中的学习情况。另一方面，评价指标的建立可因项目而异，不可一概而论。由于Arduino不但可以与多种外接设备进行连接，如LED灯、各种传感器等电子元器件，还能在软件上与Flash、Scratch等进行配合，连接设备的不同决定了项目的多样化，也带来了教学内容的进一步扩充。教师在进行项目设计时的侧重点可能会有所不同，如一些简单入门的创意项目强调学生动手连接电子元器件和编译程序的技能，而一些综合性项目则是在此基础上更关注培养学生在发现问题、设计方案、实施验证这一系列流程中的逻辑思维能力和创新能力。

评价指标的建立大体可从以下方面进行考虑：在Arduino基本知识层面，可考察学生对于一些工作原理的掌握情况、对与Arduino机器人相关的其他学科的联系程度等；在动手操作层面，关注学生电路搭建的有序合理性和对程序的编写、调试及优化程度；在最后作品的考察层面，可从作品的完成度、创新度和实用价值等方面来综合考虑；学生在小组中的参与和协作程度也可以纳入到评价指标中。教师应及时将评价结果反馈给每一个学生，促使学生对作品进行进一步的改进和完善，如硬件上对电路进行扩展、对程序进行简化、增加新的功能模块等。通过对作品的持续修改，在螺旋式上升的良性循环中，进一步激发学生的创意，提升其创新能力。