牛瀟　秦健

摘要：隨著國家基礎教育新課標改革的不斷深入研究，我國中小學機器人教育迅速發(fā)展，在與機器人教育息息相關的程序設計領域，配對學習編程（即配對編程、結對編程，Pair Programming）在國際上有比較廣泛和成熟的應用[1]。將配對編程模式融入中小學機器人教育教學，不僅改變了傳統(tǒng)的機器人課堂，而且能夠顯著提高學生的編程技能與計算思維。文章通過在小學機器人課程教學實踐中運用配對編程模式，設計小學機器人教學課程，在M小學進行教學實踐，并結合親身教學實踐為機器人教學提供建議，并為一線教師提供教學參考。

關鍵詞：機器人教學;配對編程;配對學習;教學實踐;太空挑戰(zhàn)賽

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）01-0159-03

Abstract：With the continuous and in-depth study of the reform of the new curriculum standards for basic education in the country， robot education in primary and secondary schools in China has developed rapidly. In the field of programming that is closely related to robot education， paired learning programming （that is， paired programming， pair programming， Pair Programming） has internationally More extensive and mature application[1]. Incorporating paired programming models into robot education and teaching in primary and middle schools not only changes the traditional robot classroom， but also significantly improves students' programming skills and computational thinking. The article uses paired programming mode in the teaching practice of elementary school robot courses， designs the elementary school robot teaching course， carries out the teaching practice in the M elementary school， and provides suggestions for robot teaching in combination with the personal teaching practice， and provides teaching reference for the first-line teachers.

Keywords： robot teaching; paired programming; paired learning; teaching practice; space challenge

1引言

在人工智能背景下，中小學機器人教育愈發(fā)受到重視，越來越多的中小學開展機器人教育。機器人教育成為21世紀人工智能方面的核心部分， 隨著社會的不斷發(fā)展， 人工智能進入課堂已成為趨勢潮流，教育者應繼續(xù)對此進行深入探索和研究。機器人教育進入課堂有利于激發(fā)學生對于人工智能的興趣，培養(yǎng)其綜合能力[2]。

2003年，教育部頒布《普通高中技術課程標準（實驗）》，首次在高中“信息技術”“通用技術”課程中設立了“人工智能初步”“簡易機器人制作”選修模塊[3]。2018年1月，國家標準化管理委員會發(fā)布了《人工智能標準化白皮書（2018版）》，指出中國即將進入智能社會。2018年4月，教育部發(fā)布了《教育信息化2.0行動計劃》，提出實施“智慧教育創(chuàng)新發(fā)展行動”，強調要加強智能教學助手、教育機器人、智能學伴等關鍵技術的研究、應用[4]。

國家政策的大力支持，讓機器人教育領域再次爆發(fā)熱潮。目前，越來越多的研究者關注在機器人教育中開展合作學習、協(xié)作學習，但是如何高效開展合作成為一大難題，將學生分組進行教學，組內容易出現(xiàn)“搭便車”現(xiàn)象，不利于學生知識的獲取，使得課堂發(fā)生“變質”效應。鐘柏昌教授于2018年發(fā)文探索配對學習模式在機器人教育中的有效性，研究發(fā)現(xiàn)軟-硬件配對模式在中小學機器人教育教學中發(fā)揮著較為重要的價值，值得在今后的中小學機器人教學中進行更深一步的探索與研究。

2相關概念

2.1配對編程

配對編程（Pair programming）又稱作結對編程，最早用于程序開發(fā)工作，兩個程序員共同在計算機上完成工作。其中一人負責輸入程序，而另一個人負責檢查輸入的程序并及時指出錯誤。輸入程序的人稱作駕駛員，檢查程序的人稱作導航員。在配對編程中，駕駛員和導航員有較為明顯的角色分工，也可進行角色交換。這樣，不僅能夠設計出高效率程序代碼，還能避免出現(xiàn)傳統(tǒng)合作學習模式的角色固化問題。

2.2西覓亞太空挑戰(zhàn)場地賽

西覓亞“太空挑戰(zhàn)”場地賽要求參賽者搭建屬于自己小組的機器人，自己編寫程序并運行，完成賽事任務。比賽以小組形式開展，每只參賽隊伍人數(shù)為2人（不包含指導教師）。賽事規(guī)定小組搭建的機器人主控制器必須為“EV3主控制器”，其他器材必須是LEGO MINDSTORMS（NXT或EV3）系列套件。場地賽共有七項任務，分別為：激活通信、集合隊員、解救MSL機器人、將衛(wèi)星發(fā)射到軌道中、取回巖石樣本、保證能源供應、啟動發(fā)射。在比賽過程中，參賽者嚴格遵守賽事要求并操控自己小組的機器人從基地出發(fā)，完成七項任務后使機器人安全返回初始基地，則視為比賽結束。

3基于配對編程的小學LEGO機器人教學設計方案

3.1教學實施背景

筆者有幸于2019年秋季進入M小學擔任機器人社團專業(yè)老師，并開展了一學期的機器人教學，使用器材主要是樂高EV3-9898套件。在設計課程之前，了解學習對象的基本情況，因為是基礎班，大家都沒有基礎，所以一開始不會直接進入機器人的編程軟件，先從簡單的結構搭建入手，利用主控自帶的一些編程進行簡單的操作，如添加一個電機讓機器人向前運動，添加一個觸碰傳感器，讓小車按照指令前進或者停止。在后期會慢慢接觸EV3編程軟件，將前面在主控里所學的編程移到主控里面，讓小車完成同樣的動作，如拖一個電機模塊，將程序編好，下載到主控上，實現(xiàn)小車運動。當然在講這些操作前，會先講解EV3的操作界面，如何打開，如何保存，如何命名，如何下載，下載后在哪里去找到下載好后的程序。在這一學期的教學過程中，筆者嘗試使用配對編程教學模式，經(jīng)過一學期的教學實踐，形成了對基于配對編程的小學LEGO機器人教學的深刻認識。在此分享給中小學一線教師，以期為他們提供幫助[5]。

3.2教學對象分析

M小學機器人教學以社團課形式展開，教學對象是機器人社團基礎班3-5年級學生，基礎班中新老學生都有，且學生接觸機器人情況參差不齊。經(jīng)過與基礎班學生深度交流，了解到班上的學生是因為個人興趣自愿加入機器人社團，且也有部分學生之前學習過相關樂高課程。經(jīng)過一學期的教學實踐發(fā)現(xiàn)，選擇適合學生們的教學模式至關重要。在教學過程中，每節(jié)課前對學生進行分組，遵循組內異質、組間同質，保證學生盡可能地和班內每位同學都合作過，逐漸加強學生的合作意識。社團中，難免會存在學生年齡、年級、性別、性格等多方面的差異，應多鼓勵學生之間協(xié)作互助，注重培養(yǎng)學生合作意識、協(xié)作能力。

3.3教學環(huán)境

M小學針對機器人社團課有專門設立的校園科技館，校園科技館位于學校教學樓五層，使用面積約600平方米，具體包括：3D打印區(qū)、電磁奧秘展廳、樂高機器人創(chuàng)客空間、天地探索區(qū)、航天模型區(qū)[6]。其中本文的教學實踐在樂高機器人創(chuàng)客空間開展，該創(chuàng)客空間擁有EV3-9898套件共計十二套、筆記本電腦10余臺、西覓亞太空挑戰(zhàn)場地賽賽臺，可供社團學生進行樂高機器人搭建、編程、測試。

3.4教學內容

“激活通信”這個任務主要是讓學生學會LEGO機器人基礎結構搭建與編程知識，掌握大型電機的操作。2-3人一組分工完成搭建、編程、測試?！凹せ钔ㄐ拧比蝿帐菍W生通過機器人推送衛(wèi)星天線下方的紅色橫桿，使衛(wèi)星天線保持豎直。

3.5學習工具

LEGO EV3-9898套件、筆記本電腦。

3.6教學方法

在太空挑戰(zhàn)賽教學實踐過程中，采用講授式、協(xié)作式、配對學習教學方法并交叉進行，激發(fā)學生學習機器人的濃厚興趣、提高課堂教學效率。

3.7教學過程

通過前一個月的教學，主要為學生講解LEGO主控制器的使用方法、LEGO機器人的通信框架、傳感器的工作原理、電機以及機器人渦輪結構、抬升結構、行走結構、煽動結構等知識點。在前期掌握了LEGO基礎知識點后，開始引入“太空挑戰(zhàn)賽”七項任務，這更能激發(fā)學生學習興趣?！凹せ钔ㄐ拧笔翘仗魬?zhàn)賽的一個子任務，采用配對編程模式，學生通過動手搭建機器人，使得機器人從基地出發(fā)到達衛(wèi)星站，推送衛(wèi)星天線下方的紅色橫桿，使衛(wèi)星天線保持豎直，最終機器人返回基地。學生在此過程中需要不斷進行測試、修改，保證機器人剛好到達通信站，并推送衛(wèi)星。教學過程中，教師扮演引導者，將時間、場地還給學生，教師主要進行答疑解惑。

Step1：通過與學生一個月的教學相處，對學生有了大致了解。將班上12名同學分為四組，其中11名男生，1名女生。再通過與每一組同學進行進一步的溝通，其中選擇較有責任心且年級高者學生為組長。采取軟-硬件配對學習模式，由于前期搭建機器人較為復雜，則選擇兩位同學合作搭建機器人，另一人負責編程，構成軟-硬件配對編程。

Step2：因為本講主要內容為“太空挑戰(zhàn)賽”第一個任務：激活通信，所以在講課之前要向學生詳細介紹“太空挑戰(zhàn)賽”賽事規(guī)則。每次出發(fā)時，機器人須完全在基地內，機器人完全出基地后才能進行任務動作，再完成任務后機器人須返回初始營地。語言不足以生動地讓學生體會到競賽場景，也難以提高學生編程興趣，在此為學生播放嗶哩嗶哩平臺某位up主錄制的“太空挑戰(zhàn)賽”七項任務視頻，更加生動形象地為學生展示每一項任務的完成視頻。

Step3：在觀看了具體的賽事視頻后，學生對本節(jié)課任務有了大致的了解。四個小組開始了機器人的搭建與編程，每個小組中，兩位同學負責搭建，開始尋找LEGO零件并組裝;另一位負責編程的同學則仔細觀察賽臺，測量基地到衛(wèi)星站大致距離，開始進行編程。教師則在教室走動，照顧到每一組的學生，及時發(fā)現(xiàn)每一組的問題并告知糾正，在這個過程中，不斷鼓勵學生，激發(fā)學生學習興趣，盡管過程復雜，也要告訴學生不要放棄。

Step4：調試環(huán)節(jié)。在組間實施軟-硬件配對編程后，將組內三位同學勞動成果合成，程序下載至機器人主控制器中，并在賽臺進行操作。小組成員進行不斷地測試、調整程序參數(shù)，成功實現(xiàn)機器人從基地出發(fā)，前往通信站激活通信。在操作過程中，組內三位成員要協(xié)作，共同思考如何調整程序，才能順利實現(xiàn)“激活通信”任務。實現(xiàn)該任務后，教師提醒學生要保存程序，并檢查是否成功保存、命名是否正確。

在完成“激活通信”任務中，小組成員需要共同商討如何完成此任務，保證組內分工明確，一人負責編程，兩人負責搭建，構成軟-硬件配對編程模式。整個過程中，教師要不斷地鼓勵學生，激發(fā)學生學習興趣，調試的時候，要給學生足夠的耐心，要讓學生真正體會編程的過程，只有通過組內的合作順利完成此任務，學生收獲才是最大的。圖1為學生搭建、編程照片。

3.8教學評價

最后檢驗學生成果時，采用教師評價、小組評價和學生自評[7]。教師在確保四個小組均完成“激活通信”任務后，再次向學生講解賽事規(guī)則，機器人從基地出發(fā)，完成任務后，返回基地。每組派一名操控手，負責演示激活通信任務、并講解制作大致流程，教師負責計時并評價，學生還需對其他小組進行評分，從搭建、演示、講解三方面給予分數(shù)。組內還需進行自評，分析組間存在哪些問題、任務完成情況、還有哪些提升空間。教師將來自教師評價、小組評價、學生自評三方面分數(shù)進行統(tǒng)計分析，并對每位學生給予相應的獎勵，最終評選出這節(jié)課的最佳配對編程組，頒發(fā)獎狀予以表揚。

3.9教學反思

在學生完成該項目的過程中，比起前期的基礎知識講解，發(fā)現(xiàn)學生對太空挑戰(zhàn)賽學習興趣很濃厚，更愿意參與活動中，通過和同學的合作完成任務。在軟-硬件配對編程中，分工足夠明確，但部分學生不好好完成自己的任務，在課堂中擾亂秩序，使得配對編程未能取得良好的成效。但也出現(xiàn)了一些問題，如電機轉速過慢、機器人行走時間短、主控制器中找不到源程序、搭建過程中電機安裝錯誤等問題，通過一步步地調試，教師引導學生將上述問題解決。在整個教學過程中，教師的引導是必不可少的，但應從啟發(fā)學習的層面去引導，才能讓學生真正的受益匪淺。

4 基于配對編程的小學LEGO機器人教學建議

4.1轉變“以賽敦教”觀念

目前，國內外比較有影響力的機器人比賽包括RoboCup Junior、機器人奧林匹克競賽、中國青少年機器人競賽、中小學信息技術創(chuàng)新與實踐活動等，除此之外，還包括各地級市教育主管部門、電教館和科協(xié)組織的各種比賽，以及各大企業(yè)組織的比賽， 這些種類繁多的機器人競賽受到了廣大家長以及教育工作者的高度重視[8]。然而，很多校方乃至學生家長，都認為學生學習機器人就為了參加機器人比賽，這給機器人教學帶來了極大的功利化色彩。教師應關注從學生生活實際和興趣出發(fā)，選擇合適的教學內容，注重培養(yǎng)學生邏輯思維、編程思維、合作能力。

4.2制定區(qū)域化機器人教育標準

當前，不同地區(qū)、不同學校使用機器人品種繁多，也沒有統(tǒng)一的機器人教育標準，使得機器人教育教學的開展雜亂無章。每個學校應結合當?shù)氐木唧w要求以及學生特點，選擇合適的品牌機器人，如LEGO機器人、WeDo機器人、VEX IQ機器人、鐘鳴機器人等。也應制定完善的課程體系，可將已有的校本課程進行規(guī)范化和科學化的論證，將資源整合并應用。

4.3加強機器人教師專業(yè)化培訓

隨著機器人教育的不斷興起，很多學校嘗試開展機器人教學，但學校真正懂機器人的教師少之又少，也有部分學校通過聘請校外專業(yè)老師給學生進行授課。應加強機器人教師專業(yè)化培訓，鼓勵中小學一線教師參與高校教師機器人教育培訓會、企業(yè)機器人培訓會中，多與機器人教育行業(yè)內專家溝通交流，不斷增加中小學一線教師專業(yè)化發(fā)展。

4.4正確融入“配對編程”模式

在開展機器人教學中，融入“配對編程”模式，將組內學生進行軟件、硬件合理分工，應避免學生出現(xiàn)“搭便車”現(xiàn)象。在進行小組劃分、任務分工中都會出現(xiàn)各種問題，如：想和自己關系好的同學分到一組、組內軟-硬件分工都想編程或搭建等，教師要進行溝通并引導學生做出正確的選擇，培養(yǎng)學生與他人協(xié)作，遇到分歧及時解決。

5 結束語

教育部部長陳寶生曾說：“新一代信息技術的發(fā)展為中國教育帶來了新的發(fā)展契機[9]。機器人教育的引入不僅能夠滿足中小學信息技術基礎教育建設和發(fā)展，還能夠提升學生的創(chuàng)新意識和能力?；谂鋵幊痰男WLEGO機器人教學實踐一定要講究受教育者群體的實際情況，要根據(jù)實際情況科學化的安排教學實踐，更要注重引導者和主導者的基本定位，通過將配對編程融入機器人教學，培養(yǎng)出更具創(chuàng)新能力，更具探究能力的優(yōu)秀人才。 （下轉第164頁）

（上接第161頁）

參考文獻：

[1] 鐘柏昌，王艷霞.配對學習模式在機器人教育中的有效性[J].現(xiàn)代遠程教育研究，2018（3）：66-74.

[2] 楊明曄.中小學機器人教學模式的探索與實踐[J].名師在線，2019（22）：26-27.

[3] 王同聚.中小學機器人教學中“微課”的制作與應用研究[J].中國電化教育，2014（6）：107-110+126.

[4] 黃永強.智能社會視域下中小學機器人教育研究[J].實驗教學與儀器，2020，37（1）：69-70.

[5] 盧曉琦，秦健.基于STEAM理念的小學機器人項目教學實踐——以LEGO機器人“駕考寶典”項目為例[J].中小學電教，2018（Z2）：76-79.

[6] 愛課程.如何做創(chuàng)客教育[EB/OL].（2020-02-10）.http：//www.icourse163. org/course/icourse-1002420003.

[7] 田木蘭，秦健.基于項目式學習的小學? ?機器人教學實踐研究[J].中國教育信息化，2019（22）：40-43.

[8] 朱樂.“以賽促教”模式下的機器人教學探索與思考[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2018（8）：59-60.

[9] 黃永強.智能社會視域下中小學機器人教育研究[J].實驗教學與儀器，2020，37（1）：69-70.

【通聯(lián)編輯：王力】