可编程教育机器人

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摘要：可编程教育机器人作为近年儿童编程教育的研究热点，理解它与儿童计算思维培养之间的关系，成为深化可编程教育机器人应用必须解决的理论性问题。从可编程教育机器人概述，可编程教育机器人分类、价值及教学应用中存在的困难和挑战等方面展开论述，以期为利用可编程教育机器人对儿童进行编程教育提供帮助。

关键词：计算思维；可编程教育机器人；编程教育

引言

近年来，快速发展的计算机和数字化技术对我们的生活产生了重大影响，我们每天都在与数字技术进行互动，并依靠它们来完成大部分的任务，我们生活和思想的方式也变得越来越工程化。工程化的生活方式下，计算思维逐渐成为个体认识世界，了解世界的基本思维方式之一，成为继3R（阅读、写作、算术）能力之后的第四种能力。在众多培养儿童计算思维的方法中，由于编程和计算思维在解决问题上的思路一致，所以被认为是提升儿童计算思维的最好方法。

1可编程教育机器人概述

机器人在教育领域的应用，最早可以追溯至20世纪50年代，机器人依靠齿轮和链条的配合，完成简单的运动，主要目的是和儿童游戏，并未在儿童思维培养上延伸太多。直至21世纪初，由于机器人相关技术突飞猛进和信息时代对未来人才培养的新需求，让众多研究者开始重新考虑机器人与儿童教育之间的关系，并尝试利用机器人培养儿童编程等多种技能。当CodeyRocky、mBlock、NeuronKits、Bee-bot、WeDo一系列机器人走进教学后，机器人能够帮助儿童理解许多复杂的认知问题，提高诸如反思、分解、分析问题等各项能力的优势也被发现。这些发现极大地增强了研究者们利用机器人培养儿童计算思维的信心，越来越多的学者开始关注机器人在儿童计算思维培养方面的积极作用，并且积极应用于实践，在教学实践中进一步验证编程教育机器人的可用性与有效性。

2可编程教育机器人分类

机器人技术在世界教育系统中运行已经超过15年，为学习者提供与具体对象交互的机会是机器人技术最重要的特点，这个特点在教育行业也展现出独特的优势，成为机器人技术在教育领域发展的良好载体。可编程教育机器人积极融合机器人现代技术，迅速发展，样式与功能越来越丰富。所以，对可编程教育机器人进行分类整理，是非常有必要的，能够帮助我们在后续研究中选择和使用可编程教育机器人。根据用户编程界面，可以将可编程教育机器人划分为按键编程机器人、实物编程机器人、混合编程机器人三类[1]。

2.1按键编程机器人

按键编程机器人也称为背部按钮式可编程教育机器人，在机器人的背部，常常会设置一些按钮，每个按钮，与机器人的单个移动动作相关联，例如向前移动、向右转弯等。儿童通过依次按动按钮，给机器人输入运动指令，让机器人完成特定操作。这类机器人中发展比较成熟的有Bee-bot、Lego等，它们通过按钮式编程的用户界面，帮助儿童实现编程体验。因其简单明了的编程界面，这类机器人在教学中使用次数最多，远超其他类的编程机器人。

2.2实物编程机器人

实物编程机器人又被称为“可编程块”，将嵌在机器人背部的按钮取下来，并将这些按钮具体化、实物化，变成机器人本体和编程“块”两部分[2]。这类可编程教育机器人的代表有Ozobot、Turtle-Bot、KIBO、KIWI等。Ozobot和TurtleBot机器人安装有微型颜色传感器，儿童用彩笔在纸上画出运动路线，或使用彩色胶带粘出运动轨迹，他们识别不同的颜色后，完成向前、向后等动作。而KIBO和KIWI使用的是一种方形的积木块，这些积木块的表面有表示动作指令的图标，图标上有与之对应的条形码。儿童根据木块上的图标摆放木块，设定机器人的运动轨迹，机器人扫描木块上的二维码后，依次完成动作。

2.3混合式可编程教育机器人

混合式可编程教育机器人包含有形编程和图形化编程两部分，既可以通过按钮或编程块控制机器人，也可以通过屏幕编程控制机器人，如Thymio、Blue-bot，直接按动机身编程按钮实现编程命令的输入，或通过iPad/PC上的图形化编程应用程序在电脑屏幕上进行编程。混合式可编程教育机器人躯体上的电子元件更多，机器人可以完成更加复杂的运动动作，如机器人Ozobot可以完成的动作有十几种，但混合式可编程教育机器人RES，却可以完成超50+的行为动作。除了动作数目的提升，部分混合式可编程教育机器人还会增加声音、手势识别等方式，进一步帮助低龄儿童完成编程。综上来看，可编程教育机器人大体都是基于运动技能反馈的机器人，这种设计与儿童的认知有极大的关系[3]。儿童运动技能是认知发展的基础，有助于儿童自主性和探索能力的发展，能够激发儿童的探究欲望，使他们长时间保持专注。虽然这个阶段的儿童无法进行严密的逻辑思考，但他们通过反复尝试，观察机器人与相关程序命令之间的关系，也可以建立起知识的联结，进行编程学习[3]。

3可编程教育机器人的价值与作用

在“计算思维”“可编程教育机器人”等关键词下检索的文献中，超过一半的研究中学生们使用物理按钮为机器人编程，有学者还特意强调，这种物理输出的方式可能比具有视觉输出的编程活动更适合儿童。有学者在大量实验中发现，可编程机器人为儿童提供了一种有吸引力和激励性的方式，有效降低了儿童学习编程的“上限”，让儿童无需理解复杂的语法结构，在他们现有的认知下按动按钮或者摆放编程块，就能完成编程学习[4]。在此基础上，Sullivan等人[5]通过PTD框架探索iPad上的图形化编程应用程序（ScratchJr）和编程机器人（KIBO）同时向学生教授编程，不同的用户界面是否会影响学生在编程上的积极行为和互动，经过为期三周的培训，使用图形化编程的学生和编程机器人的学生都发展了计算思维，但是从整体成绩来说，使用编程机器人组的学生，表现更好，总体成绩更高。同时，学者们意外发现，编程机器人对儿童思维的影响并不是单一的，体现在儿童认知发展上是多方面的，如Fessakis等人[6]通过计算思维的培养，儿童的思维方式、问题解决能力和社交技巧均有不同程度的提升。Bers通过编程机器人对低龄儿童进行计算思维培养后发现，低龄儿童学习技术和工程等其他领域知识的能力变强。可编程教育机器人的另一大优势，则是为幼儿提供不同类型的学习机会，有效限制幼儿观看屏幕的时间，保护儿童的视力，让儿童发展精细运动技能和手眼协调能力[7]，同时参与协作和团队合作。总之，可编程教育机器人是儿童早期计算思维培养的有效方式[8]，这一点在研究者心中似乎已经毫无争议。

4可编程教育机器人在教学应用中的困难与挑战

4.1可编程教育机器人功能上仍有不足

物理编程机器人与实物编程机器人在儿童编程期间所展示的用户界面整体上是比较低级的，整个程序的读取需要依靠机器人内部强大的内存，记住输入的命令序列。这种编程方式的优点是简单，儿童的自主探究能力和动手能力能够迅速激活，但是也为编程带来一些困难。比如，一旦有一个按钮或者积木块的顺序放错，就意味着所有命令需要重新读取。物理编程教育机器人的这种编程界面，决定了它不能编写调试和迭代类的结构化代码，能够完成的操作和展示的计算思维概念有限，经常只能完成“顺序”相关的操作，“选择”“循环”相关操作则出现的较少。

4.2可编程教育机器人价格偏贵

目前出现的所有可编程教育机器人，都可以统称为商业机器人[2]，这些机器人的售价在30～590美元。最基本的按钮式可编程教育机器人的售价都在90美元，像NXT、RES的售价则在220～590美元左右。我国本土机器人公司如美科、七星虫、DF也在生产机器人，但并没有很好地解决这个问题。开发出一款低成本、开源的可编程教育机器人，方便教师与研究者的研究和推广，是当下开展可编程教育机器人教学实践的首要问题。

4.3可编程教育机器人体系化课程缺失

要使用可编程教育机器人进行编程教学，应该拥有体系化的课程，根据不同年龄阶段学生的认知特征，设计出一套完整的体系化学习内容。但是目前尚未有成体系的课程，也没有具体规范，在实际教学中就会出现教学目标不明确、教学内容不合适等问题。

5结束语

可编程教育机器人借用机器人技术的优势，将抽象知识转化为儿童可理解的内容，从降低儿童认知负荷、培养儿童计算思维、开展编程活动的角度来说，可编程教育机器人是我们进行儿童编程教育时较好的选择。但可编程教育机器人高价位、功能不足等问题也不可小觑，如果这些问题不解决，可编程教育机器人就难以在教育领域实现更大范围的推广。不过，可以预见的是，因为机器人技术可为儿童编程提供的巨大支持，使可编程教育机器人始终拥有庞大的市场需求。研发者也从机器人智能开发、用户界面、编程反馈类型、成本过高、代码不开源等方面，相继做出改变，迎合儿童在编程教育领域的需求，共同实现低价、开源、扩大应用范围的目标。

参考文献

[1]傅骞,章梦瑶.实体编程的教育应用与启示[J].现代教育技术,2018(12):108-114.

作者：朱月姣 杨力