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摘要：可編程教育機器人作為近年兒童編程教育的研究熱點，理解它與兒童計算思維培養(yǎng)之間的關(guān)系，成為深化可編程教育機器人應用必須解決的理論性問題。從可編程教育機器人概述，可編程教育機器人分類、價值及教學應用中存在的困難和挑戰(zhàn)等方面展開論述，以期為利用可編程教育機器人對兒童進行編程教育提供幫助。

關(guān)鍵詞：計算思維；可編程教育機器人；編程教育

引言

近年來，快速發(fā)展的計算機和數(shù)字化技術(shù)對我們的生活產(chǎn)生了重大影響，我們每天都在與數(shù)字技術(shù)進行互動，并依靠它們來完成大部分的任務，我們生活和思想的方式也變得越來越工程化。工程化的生活方式下，計算思維逐漸成為個體認識世界，了解世界的基本思維方式之一，成為繼3R（閱讀、寫作、算術(shù)）能力之后的第四種能力。在眾多培養(yǎng)兒童計算思維的方法中，由于編程和計算思維在解決問題上的思路一致，所以被認為是提升兒童計算思維的最好方法。

1可編程教育機器人概述

機器人在教育領域的應用，最早可以追溯至20世紀50年代，機器人依靠齒輪和鏈條的配合，完成簡單的運動，主要目的是和兒童游戲，并未在兒童思維培養(yǎng)上延伸太多。直至21世紀初，由于機器人相關(guān)技術(shù)突飛猛進和信息時代對未來人才培養(yǎng)的新需求，讓眾多研究者開始重新考慮機器人與兒童教育之間的關(guān)系，并嘗試利用機器人培養(yǎng)兒童編程等多種技能。當CodeyRocky、mBlock、NeuronKits、Bee-bot、WeDo一系列機器人走進教學后，機器人能夠幫助兒童理解許多復雜的認知問題，提高諸如反思、分解、分析問題等各項能力的優(yōu)勢也被發(fā)現(xiàn)。這些發(fā)現(xiàn)極大地增強了研究者們利用機器人培養(yǎng)兒童計算思維的信心，越來越多的學者開始關(guān)注機器人在兒童計算思維培養(yǎng)方面的積極作用，并且積極應用于實踐，在教學實踐中進一步驗證編程教育機器人的可用性與有效性。

2可編程教育機器人分類

機器人技術(shù)在世界教育系統(tǒng)中運行已經(jīng)超過15年，為學習者提供與具體對象交互的機會是機器人技術(shù)最重要的特點，這個特點在教育行業(yè)也展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，成為機器人技術(shù)在教育領域發(fā)展的良好載體。可編程教育機器人積極融合機器人現(xiàn)代技術(shù)，迅速發(fā)展，樣式與功能越來越豐富。所以，對可編程教育機器人進行分類整理，是非常有必要的，能夠幫助我們在后續(xù)研究中選擇和使用可編程教育機器人。根據(jù)用戶編程界面，可以將可編程教育機器人劃分為按鍵編程機器人、實物編程機器人、混合編程機器人三類[1]。

2.1按鍵編程機器人

按鍵編程機器人也稱為背部按鈕式可編程教育機器人，在機器人的背部，常常會設置一些按鈕，每個按鈕，與機器人的單個移動動作相關(guān)聯(lián)，例如向前移動、向右轉(zhuǎn)彎等。兒童通過依次按動按鈕，給機器人輸入運動指令，讓機器人完成特定操作。這類機器人中發(fā)展比較成熟的有Bee-bot、Lego等，它們通過按鈕式編程的用戶界面，幫助兒童實現(xiàn)編程體驗。因其簡單明了的編程界面，這類機器人在教學中使用次數(shù)最多，遠超其他類的編程機器人。

2.2實物編程機器人

實物編程機器人又被稱為“可編程塊”，將嵌在機器人背部的按鈕取下來，并將這些按鈕具體化、實物化，變成機器人本體和編程“塊”兩部分[2]。這類可編程教育機器人的代表有Ozobot、Turtle-Bot、KIBO、KIWI等。Ozobot和TurtleBot機器人安裝有微型顏色傳感器，兒童用彩筆在紙上畫出運動路線，或使用彩色膠帶粘出運動軌跡，他們識別不同的顏色后，完成向前、向后等動作。而KIBO和KIWI使用的是一種方形的積木塊，這些積木塊的表面有表示動作指令的圖標，圖標上有與之對應的條形碼。兒童根據(jù)木塊上的圖標擺放木塊，設定機器人的運動軌跡，機器人掃描木塊上的二維碼后，依次完成動作。

2.3混合式可編程教育機器人

混合式可編程教育機器人包含有形編程和圖形化編程兩部分，既可以通過按鈕或編程塊控制機器人，也可以通過屏幕編程控制機器人，如Thymio、Blue-bot，直接按動機身編程按鈕實現(xiàn)編程命令的輸入，或通過iPad/PC上的圖形化編程應用程序在電腦屏幕上進行編程。混合式可編程教育機器人軀體上的電子元件更多，機器人可以完成更加復雜的運動動作，如機器人Ozobot可以完成的動作有十幾種，但混合式可編程教育機器人RES，卻可以完成超50+的行為動作。除了動作數(shù)目的提升，部分混合式可編程教育機器人還會增加聲音、手勢識別等方式，進一步幫助低齡兒童完成編程。綜上來看，可編程教育機器人大體都是基于運動技能反饋的機器人，這種設計與兒童的認知有極大的關(guān)系[3]。兒童運動技能是認知發(fā)展的基礎，有助于兒童自主性和探索能力的發(fā)展，能夠激發(fā)兒童的探究欲望，使他們長時間保持專注。雖然這個階段的兒童無法進行嚴密的邏輯思考，但他們通過反復嘗試，觀察機器人與相關(guān)程序命令之間的關(guān)系，也可以建立起知識的聯(lián)結(jié)，進行編程學習[3]。

3可編程教育機器人的價值與作用

在“計算思維”“可編程教育機器人”等關(guān)鍵詞下檢索的文獻中，超過一半的研究中學生們使用物理按鈕為機器人編程，有學者還特意強調(diào)，這種物理輸出的方式可能比具有視覺輸出的編程活動更適合兒童。有學者在大量實驗中發(fā)現(xiàn)，可編程機器人為兒童提供了一種有吸引力和激勵性的方式，有效降低了兒童學習編程的“上限”，讓兒童無需理解復雜的語法結(jié)構(gòu)，在他們現(xiàn)有的認知下按動按鈕或者擺放編程塊，就能完成編程學習[4]。在此基礎上，Sullivan等人[5]通過PTD框架探索iPad上的圖形化編程應用程序（ScratchJr）和編程機器人（KIBO）同時向?qū)W生教授編程，不同的用戶界面是否會影響學生在編程上的積極行為和互動，經(jīng)過為期三周的培訓，使用圖形化編程的學生和編程機器人的學生都發(fā)展了計算思維，但是從整體成績來說，使用編程機器人組的學生，表現(xiàn)更好，總體成績更高。同時，學者們意外發(fā)現(xiàn)，編程機器人對兒童思維的影響并不是單一的，體現(xiàn)在兒童認知發(fā)展上是多方面的，如Fessakis等人[6]通過計算思維的培養(yǎng)，兒童的思維方式、問題解決能力和社交技巧均有不同程度的提升。Bers通過編程機器人對低齡兒童進行計算思維培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)，低齡兒童學習技術(shù)和工程等其他領域知識的能力變強。可編程教育機器人的另一大優(yōu)勢，則是為幼兒提供不同類型的學習機會，有效限制幼兒觀看屏幕的時間，保護兒童的視力，讓兒童發(fā)展精細運動技能和手眼協(xié)調(diào)能力[7]，同時參與協(xié)作和團隊合作。總之，可編程教育機器人是兒童早期計算思維培養(yǎng)的有效方式[8]，這一點在研究者心中似乎已經(jīng)毫無爭議。

4可編程教育機器人在教學應用中的困難與挑戰(zhàn)

4.1可編程教育機器人功能上仍有不足

物理編程機器人與實物編程機器人在兒童編程期間所展示的用戶界面整體上是比較低級的，整個程序的讀取需要依靠機器人內(nèi)部強大的內(nèi)存，記住輸入的命令序列。這種編程方式的優(yōu)點是簡單，兒童的自主探究能力和動手能力能夠迅速激活，但是也為編程帶來一些困難。比如，一旦有一個按鈕或者積木塊的順序放錯，就意味著所有命令需要重新讀取。物理編程教育機器人的這種編程界面，決定了它不能編寫調(diào)試和迭代類的結(jié)構(gòu)化代碼，能夠完成的操作和展示的計算思維概念有限，經(jīng)常只能完成“順序”相關(guān)的操作，“選擇”“循環(huán)”相關(guān)操作則出現(xiàn)的較少。

4.2可編程教育機器人價格偏貴

目前出現(xiàn)的所有可編程教育機器人，都可以統(tǒng)稱為商業(yè)機器人[2]，這些機器人的售價在30～590美元。最基本的按鈕式可編程教育機器人的售價都在90美元，像NXT、RES的售價則在220～590美元左右。我國本土機器人公司如美科、七星蟲、DF也在生產(chǎn)機器人，但并沒有很好地解決這個問題。開發(fā)出一款低成本、開源的可編程教育機器人，方便教師與研究者的研究和推廣，是當下開展可編程教育機器人教學實踐的首要問題。

4.3可編程教育機器人體系化課程缺失

要使用可編程教育機器人進行編程教學，應該擁有體系化的課程，根據(jù)不同年齡階段學生的認知特征，設計出一套完整的體系化學習內(nèi)容。但是目前尚未有成體系的課程，也沒有具體規(guī)范，在實際教學中就會出現(xiàn)教學目標不明確、教學內(nèi)容不合適等問題。

5結(jié)束語

可編程教育機器人借用機器人技術(shù)的優(yōu)勢，將抽象知識轉(zhuǎn)化為兒童可理解的內(nèi)容，從降低兒童認知負荷、培養(yǎng)兒童計算思維、開展編程活動的角度來說，可編程教育機器人是我們進行兒童編程教育時較好的選擇。但可編程教育機器人高價位、功能不足等問題也不可小覷，如果這些問題不解決，可編程教育機器人就難以在教育領域?qū)崿F(xiàn)更大范圍的推廣。不過，可以預見的是，因為機器人技術(shù)可為兒童編程提供的巨大支持，使可編程教育機器人始終擁有龐大的市場需求。研發(fā)者也從機器人智能開發(fā)、用戶界面、編程反饋類型、成本過高、代碼不開源等方面，相繼做出改變，迎合兒童在編程教育領域的需求，共同實現(xiàn)低價、開源、擴大應用范圍的目標。

參考文獻

[1]傅騫,章夢瑤.實體編程的教育應用與啟示[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2018(12):108-114.

作者：朱月姣 楊力