作者：方千姿 东南大学脑与学习科学系，儿童发展教育研究所
研究生导师：柏毅 夏小俊
【摘要】：机器人技术在现代生活中扮演着重要的角色。高科技制造业以及许多家庭开始逐渐使用复杂的可编程设备，并且需求也越来越大。因此，STEM教育应运而生，旨在培养现代学生的数字化能力。本文对小学阶段参与STEM机器人教育的学生进行了问卷调查，并对活动进行了积极的评估。我们提出了三种不同的任务，并给出适合学生的解决方案及机器人Edison的工作过程和EdBlocks的编程环境。
01
介绍
数字化能力是欧盟委员会科学与知识服务部门建议纳入现代教育的八项关键能力之一，它们从一开始就被纳入课程，主要是通过计算机建模来培养。在小学三、四年级结束时，课程预期的结果是学生获得与算法相关的知识、技能和态度。此类学习课程通常需要学生了解特定的模块编程环境、数字内容创作和分析思维发展。
机器人模块编程是目前一种比较实际的解决方案，在课外活动中使用这种方法可确保学生数字化能力的额外提升。除此之外，对机器人行为的观察有利于实现嵌入算法，分析和消除可能的算法错误。
学生们通过给教育机器人分配各种任务来学习游戏环境中编码，这有助于形成使用可编程设备的数字化能力，这些设备可手动或通过程序来控制。
保加利亚普罗夫迪夫市的“Hristo Botev”小学为学生引入了这种教育模式，他们成立了一个名为“小程序员”的俱乐部，并且通过教育部和科学部的“趣味活动”项目来实现。在2018—2019学年期间，学生们熟悉了计算机系统的组成和模块编程的应用。并从2019—2020学年开始，俱乐部在非正式的环境中用可编程机器人进行教育，从而确保了学生的舒适和放松。任务通常是由三个学生组成的小组来完成，使用的可编程机器人分别是Edison和Blue-bot，它们都有不同的特性和程序语言。从2020—2021学年开始，学校引入了Arduino UNO R3教育。在这种教育过程中，学生熟悉电子世界及其提供的各种可能性。参与者分组工作，并根据老师给的任务构造不同的设备。
每位俱乐部成员需填写一份问卷，目的是检查他们的动机水平及开展教育的质量。以下是与学生动机相关的问题及其答案。
问题：这些本意上都不是问题，但我们假设它是。
1. 我喜欢参观俱乐部，因为学习材料对我来说很有趣。
2. 对我来说，解决与机器人编程有关的任务是一种乐趣。
3. 在测试机器人行为时，我可以立即理解我所做的事情，这让我很高兴。
4. 我喜欢与我的队友一起分享与机器人编程相关的想法。
5. 当我的想法有助于团队解决与机器人编程相关的任务时，我感觉很好。
调查中的问题涵盖了学生的内部动机和外部动机，并涉及以下两组：
对于内部动机
—认知—诊断学习新事物的欲望，该欲望是对知识感兴趣而激发的（问题1）;
—成就—衡量对最高结果的追求以及解决困难任务的乐趣（问题2，问题3）;
—自我发展—衡量在学习活动中发展个人能力和潜力的动机，达到自我效能感良好（问题4）。
对于内部和外部动机
—自尊—衡量学习欲望、自我重要性和在学习成就中增加的自尊(问题5)。
关于学生动机问题的答案如图1和图2所示。
图1 问题1、问题2和问题5的答案
图2 问题3和问题4的答案
结果显示，“Hristo Botev”小学的学生积极参与可编程机器人教育俱乐部。对问卷中另一部分问题的分析表明，参与者对此次的教育活动感到满意，并对教师的工作和俱乐部现有的物质基础给予了高度评价。
02
机器人Edison的编程
机器人Edison适合教4—16岁的学生编程和机器人技术。它携带传感器，有助于执行多种特定操作。
图3 机器人Edison的传感器
我们使用特殊条形码将机器人和遥控器进行配对，Edison则对遥控器发出的红外指令进行检测并做出反应。连接独立的乐高元素，则可以获得机器人的不同配置。我们通过几个适用于不同的年龄组的免费的应用程序和带有内置程序的条形码进行编程：
—EdScratch—基于Scratch的用于可视化编程的垂直语言模块，适合10-11岁的儿童。EdScratch将“拖拽”编程的简单性与强大的功能性和灵活性相结合，其结果是易于学习，并为计算机教育提供了一个稳定的平台。
图4 EdScratch的接口
EdPy是基于Edison编程的非常灵活的文本语言模块，适合13岁的儿童。EdPy在Python的基础上使文本编程变得有趣，同时它允许学生看到编写的代码是如何通过Edison实现的。通过EdPy，学生们能够学习真正的编程语言的核心，从而帮助他们提高对编码和机器人的学习水平。EdPy的在线编程环境具有帮助学生学习基于文本编程的一系列功能：联机求助、自动完成、弹出式帮助、帮助文本和示例。
图5 Edpy编程环境的接口
EdBlocks—用于机器人Edison编程的图形语言模块。EdBlocks是基于“拖拽”的系统，对年轻用户来说是直观和有趣的，适合8—12岁的学生。
图6 使用EdBlocks及其环境的接口
EdBlocks的在线编程环境在电脑和平板上都是很容易使用，它包含150多个模块。所有模块均可通过主菜单进行访问，主菜单分为五个不同类别：
—带有运动模块的驱动菜单;
—输出—带有声音和光信号编程模块的菜单;
—等待单元—带有等待模块的菜单;
—控制—带有重复模块的菜单;
—开始事件-—带有启动模块的菜单。
每个区块都适合特定年龄层的学生，每个应用程序都有专门为教师或学生开发的材料，并且可以通过https://meetedison.com/robot-programming-software/ edblocks/进行访问，其中编程语言的材料可在“课程”一节中找到。当然，在编写给定代码的过程中，教师也会帮助学生成功地完成给定的任务。
03
作为系统工具一部分的任务
被选择的机器人所建议的可能性允许任务的发展，最初我们按照以下的几个方向进行分类：
—运动——自由运动；有限的运动——线、边界、光、拍手；避障；信号设备的使用。
—传感器设备的使用—声音传感器；跟踪传感器，红外传感器，反射光传感器。这种类型的设备可以与运动、信号设备各自相结合，也可以同时结合。
—信号设备的使用——声音、灯光。
—机器人之间的交流。
不同难度的任务可以在每个小组中各自展开。下面介绍的任务难度较低，主要是让学生熟悉编程环境的主要模块以及机器人的简单行为，减少错误的发生。如果从一开始就应用较复杂的机器人结构可能会导致学生产生误解和消极情绪。
学生的编程任务包括运动、控制和与环境的交互，这些任务有利于学生分析和算法思维的发展。通过分析一个给定的问题，建立逻辑链，并在链中组织逻辑序列，提出问题的最终解决方案。此外，学生还可以通过数据处理和从不同信息中提取相关知识来发展数字化能力。
示例如下所示。
任务1是自由运动的简单任务，与数字设备控制能力的发展有关。对所选方向的顺序进行准确而清晰的移动，按照线性算法步骤实现速度控制，从而保证对某些模块的知识获取和使用。为了有效区分速度等级（慢速、正常、快速)，可以在任务之前加上两个更简单的模块变量——一个用于速度，一个用于运动。
任务1是找到正确的方块。通过它，你可以将机器人Edison向前移动约30秒，移动速度每10秒改变一次。
图7 使用其他变量的解决方案
任务2是对任务1的修改，它确保了30秒的恒定直线运动。作为一种改进，可以用一个持续时间为30秒的方块来替换这三个方块，或者可以删除他们，之后再对机器人的运动进行分析和评论——它是否改变了速度，它是否错过了停止线以及在哪些情况下改变或错过。该任务提高了学生的逻辑思维和算法思维以及他们正确的维度定位和对机器人定位的技能。
任务2创建了一个包含传感器跟踪模块的程序，使得Edison停在教室地板上的黑线。
图8 使用其他变量的解决方案
任务3是一组简单任务的代表，用于处理从传感器设备获取的输入数据及信号设备。在这种情况下，信号设备检测光。此项任务不包括机器人运动，它简化了算法和机器人行为。其目的是形成积极态度，并提高对事件组合的兴趣——使用左/右灯、音乐播放及其组合。
任务3创建了一个代码来打开/关闭机器人的灯，以响应拍手。
图9 任务的解决方案
04
学习成果
任务类型包括机器人的可视反应，适合小学三年级的学生。机器人对书面代码执行的即时反馈可以促使学生分析机器人的行为，并在必要情况下做出纠正，从而增强学生在真实环境中的多维度思考方式和算法思维方式。学生们喜欢这样的实践环节，它提高了学生的兴趣和积极性，并使参与者顺利地完成实践任务。最后通过连接计算机声卡的特殊电缆，将开发的程序上传到机器人。
05
和Blue-bot一起工作
这款机器人是由TTS集团公司开发的，它看起来像一只蜜蜂，让学生有机会在实际环境中通过使用应用程序来获得空间定位和编程的技能。我们可以通过按钮或计算机上的应用程序或具有蓝牙连接功能的启动设备对其控制。教育材料、机器人使用指南、OC Windows和Mac开发的应用程序均可在网站(https://www.tts-international.com/blue-bot-bluetooth-programmable-floor-robot/1015269.html)上找到。
学生们成功完成了所有的任务，如果有需要，他们会得到老师的帮助。在代码的开发过程中，我们必须考虑机器人的步长(15厘米)和机器人记住40步的能力，完成每一步后，机器人会停下来并发出信号灯。
06
预期结果
我们的重点是开发一种合适的系统工具，该工具与仪器手段（机器人）的选择、编程环境以及通过算法来开发的一系列数字内容创作任务息息相关，这些算法包括并肯定了小学三、四年级计算机建模所显示的能力。此外，其目标之一是通过获取所选机器人的特定知识和使用技能(开/关、数据访问和处理)来升级已开发的算法，这表明需要借助特定的数字化能力进行升级。之后我们将进行一项教学研究来探讨俱乐部教育对电脑模拟课堂教学的益处。
07
结论
对小学阶段的学生来说，使用可编程机器人是一项非常有趣的娱乐活动，旨在获取技术和机器人领域的知识和技能。
机器人Edison是根据学生的年龄来选择的，通过条形码和一些免费的应用程序（如EdBlocks、EdScratch和EdPy）进行对其编程。与机器人Blue-bot不同的是，机器人Edison拥有传感器和信号设备，这有助于发展学生额外的数字化能力，与数字数据处理和使用数字技术解决问题有关。数字化能力可以被视为小学三、四年级计算机建模课程学习成果的延伸。EdBlocks是一个类似Scratch的编程环境，适合8—12岁的学生，里面呈现的例子难度低，算法简单，使得学生对机器人有了初步认识。学生在掌握对机器人的控制和行为识别的能力之后，可以将重点转向更复杂的算法。
综上，问卷调查结果显示，学生对新技术的兴趣和学习动机有所增强。
查阅原文：《MATHEMATICS AND INFORMATICS》 Tsanko Mihov, Gencho Stoitsov, Ivan Dimitrov
DOI: 10.53656/math2022-2-4-ste
转自：“百研工坊”微信公众号
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