面向竞赛的机器人教育微课设计与开发——以浙江省大学生机器人竞赛旅游—探险为例文献综述

一、文献综述

背景

近年来，随着物联网、3D打印、网络技术和人工智能等技术的快速发展。包括中国在内的国家将机器人的发展视为经济增长和科技创新的新动力。为了培养信息时代的创新型人才，机器人教育也逐渐走入中小学和高校的课堂。而机器人竞赛突破了传统教育的束缚，将理论与实践性融为一体，具有趣味性和挑战性等特点。成为了目前机器人教育中的重要表现方式，亦逐渐得到了广大师生的认可和积极参与^[1]。

1. 机器人竞赛教育对创新实践人才的培养

2019年3月，中共中央、国务院印发了《中国教育现代化2035》，重点部署了面向教育现代化的十大战略任务。其中第六条为提升一流人才培养与创新能力，加强具有创新能力和创新精神的拔尖人才培养，尤其要加大具有技术技能、应用型和复合型的人才比重^[2]。

传统的创新能力教学受到教学环境的影响无法提供良好的实践机会，而机器人竞赛这个平台给了广大学生一个发挥自己创新实践能力的机会，机器人竞赛的挑战性、对抗性、有趣性和综合性等特点激发了学生的参与热情和学习激情。学生在竞赛过程中提高了独立思考分析问题的能力，综合研究创新能力和实践动手能力等。

1. 微课能为机器人竞赛教育提供学习资源

在机器人竞赛备赛过程中，由于时间紧迫、任务繁重等特点，往往会出现“重实践，轻理论”的现象。学生知道该怎么实践操作，但是不懂其原理环节。随着信息技术的发展，“微课”的概念在2011年被首次提了出来^[3]。微课以一种新颖的教学多媒体资源形式就以其“短小精悍、主题突出、应用面广、交互性好”的特点收到师生的广泛认可^[4]。在教学领域当中，微课的蓬勃发展，正在引发教学方式和资源的不断改革。微课可以帮助理解一个知识点，解决一个问题，掌握一类技能。在机器人竞赛备赛过程中，学生可以通过微课进行理论知识的学习，从而能够将其更好地应用于实践当中，做到理论与实践相结合。学生在实践过程中若发现存在的一些问题，指导者与学生能进行分析解决并制作进入微课中，成为宝贵的经验。

论文将根据机器人竞赛过程中所需掌握的比赛规则、概念原理、制作方法和常见问题等进行微课的设计和开发。利用微课的特性，学生能在线上学习，在线下实践，将竞赛任务转化为教育任务，真正做到以赛促学。

1. 相关概念界定

1.机器人教育

从文献上看，我国机器人教育研究始于2002年彭邵东教授在电化教育研究上发表的《论机器人教育》。其给出机器人教育定义为机器人教育是指学习、利用机器人，优化教育效果及师生劳动方式的理论与实践^[5]。 根据机器人在教与学活动中起到的角色作用不同，彭将机器人教育分为五大类：

机器人学科教学(Robot-Subject Instruction,简称RSI)。

机器人辅助教学( Robot-Assisted Instruction,简称RAI)。

机器人管理教学( Robot-Managed Instruction,简称RMI)。

机器人代理(师生)事务(Robot-Represented Routine,简称RRR)。·

机器人主持教学( Robo–Directed Instruction,简称RDI)。

而郭善渡先生则认为现阶段机器人教育主要取其狭义，指的是学习机器人的各种原理知识，开设机器人课程和活动，学习人工智能和机器人的知识与技能^[6]。

当然在现阶段，个人认为科学技术还没有发达到彭邵东教授所说的后面三种机器人教育模式。本文研究的便是狭义的，以机器人学科教学和机器人辅助教学为主的机器人教育。以促进学生建构机器人所蕴含的多学科概念与知识。

2.机器人竞赛

南京工程学院的陈巍从技术角度出发认为机器人竞赛是涵盖机械设计、图像处理、通讯传感、人工智能和自动控制等学科领域的前沿技术的集成及综合运用^[7]。

浙江师范大学的张国民和张剑平教授则从课程视角下认为，在机器人教育的领域中，机器人竞赛是机器人教学的重要补充形式^[8]。

结合二者的观点可知，机器人竞赛不仅是一个具有挑战性的集合多种高科技技术的研究项目，也是一个良好的教学实践平台，学生通过这个平台能够将理论联系实际，从而提高自身的综合素质和能力。

3.微课

苏小兵，管钰琪等罗列并且综合分析国内部分学者对微课定义的不同阐述后（如表1），认为微课本质是一种辅助学生学和教师教的一种新型教学资源^[9]。从课程论范畴，微课与其对应的“微讲义、微目标、微练习、微教案”等课程元素一起构成微“课程”。从教学论的范畴，当学习者通过微课进行学习时，学习者就将微课当作介质与指导者之间产生交互，通过线上讨论、课堂辅导等线上线下形式进行直接交互，进而产生有意义的教学活动。本文设计和开发的微课则是从课程论范畴出发。

表1 国内部分学者对微课定义的比较

1. 相关理论依据

依据机器人竞赛的规则要求，对机器人进行设计、制作和编程的学习是一种项目式的学习方式。而项目式学习依据的理论是建构主义学习理论。微课的设计与开发则需要多媒体学习理论、教学设计理论和电视教材编导理论。

1. 建构主义学习理论

建构主义学习观认为学习具有主动建构性、社会互动性和情境性三方面的特性^[10]。建构主义学习理论认为，学习者会根据自身的特点来对获取的信息和情境进行解释，经过自己的观察、分析和总结等将这些信息进行内化完成学习。并且学习者能将所学的知识运用于实践当中，进一步巩固和拓展所学知识，取得学习效果。微课的特性是能够准确清晰的呈现知识点和学习内容，学习者可以依据自己的掌握程度和学习进度来进行自主学习，将学习的主动权交给了学生。机器人竞赛参与者通过微课获取理论知识，然后自己实践操作制作机器人，便将知识构建为整体的一部分。

1. 多媒体学习理论

多媒体学习理论是一种研究学习者是怎样通过词语和语句以及图形图像进行学习的一种理论。它的观念基础为：学习者存在着两个独立的学习通道，能对获取的学习材料进行加工和处理，每一个通道在一定时间内处理材料的容量是有限度的，有意义的学习就是要给予合适的认知加工^[11]。梅耶，多媒体学习领域的领军者，提出了多媒体设计三大原则：多媒体原则、邻近呈现原则和双向通道原则。即在多媒体设计与开发过程中要尽量使用图片 文字、动画 解说、动画 字幕和时间与空间邻近。微课是一种典型的多媒体学习资源，在微课设计与与开发过程中应依据梅耶的多媒体设计三大原则，把握其关键因素，从而能促使学习者能实现有意义的学习。

1. 教学系统设计理论

本文借鉴的是何克抗教授对教学系统设计的定义，为“教学设计是运用系统方法，将学习理论与教学理论的原理转换成对教学目标（或教学目的）、教学条件、教学方法、教学评价等环节进行具体计划的系统化过程^[12]。”教学系统设计是用来计划在给定的教学条件下，让学习者达到一定的学习目标，而采取的教学策略和方法的知识体系。教学系统的关键是要确定如何采取教学策略能达到良好地教学目标。本论文将以伯格曼和穆尔的以产品为中心的教学设计过程模型作为主要支持模型来进行设计和开发。

1. 电视教材编导理论

电视教材是依据教学大纲的培养目标和要求，使用图形图像以及声音来呈现学习内容，并且使用电视摄像技术来进行记录、存储和回放的一种视听教材^[13]。电视教材编导融合了较多的理论基础，有传播学、教育学、心理学、艺术与美学等。依据电视教材的表达形式，可以具体分为四大类：讲授类、图解类、戏剧类以及综合型。电视教材编所需要进行的工作过程具体分为：编导阐述编写、分镜头稿本编写、拍摄和后期制作过程。在这些环节中，稿本的编写是电视教材最关键的组成部分，也是编写电视教材的核心。微课中的视频教学内容属于电视教材的一种，本次开发的微课是综合型的微课，是讲授型、图解型和戏剧型三种形式的综合使用。

1. 研究意义

1.理论意义

基于机器人竞赛的现状与教学理念，依据微课的特点，进行关于机器人竞赛的微课设计与开发。在理论层面上为机器人教育实施线上学习，线下实践的教学设计提供了参考思路。为机器人教育更大力度的推广提供参考。丰富机器人教育的学习资源。

微课是一种新型的教学形式，对于微课的研究还处于初步探索阶段，所以对微课的具体设计、开发、应用等仍需进行必要的研究和总结。本研究将探索微课的设计和开发，有助于丰富和完善微课的相关理论。

2.实践意义

（1）从学习者角度

参与竞赛的学习者当中，存在新手和老手之分，新手是指第一次参加比赛的学生，而老手则是参加过多次的学生。学习者对机器人原理和组成的认识程度差异。微课资源的存在，不同水平的学习者能根据自身情况学习机器人竞赛规则、组装要点和程序编写等，能够快速学习知识点并且在实践操作中更加准确少犯错误。

（2）从指导者角度

机器人教育是理论与实践相结合的教育，机器人竞赛是学生发挥创新能力和实践动手能力的平台。指导者通过微课，将机器人的理论知识要点进行整理归纳，收集竞赛过程中常见问题。指导者可以利用微课将理论学习的主动权交给学生，自己则可以将更多的精力投入到实践指导过程当中。

1. 国内外研究现状分析

1.国外机器人教育研究

（1）样本来源

选取Web of Science 核心合集作为检索数据库。主题为机器人（robot），检索时间为“所有年限”(截至2018年12月31日) ，学科范围限定为“教育与教育研究”（EDUCATION EDUCATIONAL RESEARCH）、“教育科学学科”（EDUCATION SCIENTIFIC DISCIPLINES )，搜索到266条文献。

（2）总体趋势

如图1，图2所示，虽然国外机器人教育的文献在2010年和2013年有爆发性增长，但整体属于平稳状态。但文献的被引频次总体成上升趋势，可见机器人教育在国外的关注度也是在逐年上升。

图1 按年份的被引频次

图2 出版物总数

（3）研究热点

①乐高机器人

在十篇最高被引的文献中，有四篇是基于LEGO的研究（如表2）。而这四篇论文竟然都写的是在学校课程中应用LEGO套件，以LEGO为平台来开发课程，并进行了教学效果调查。

表2 基于LEGO的研究文献

Lindh, Joergen^[14]的调查目的是探究为期一年的LEGO机器人教育是否对学生产生影响。进行前后对照以及将进行机器人教育的实验组学生与没有进行机器人教育的对照组进行对照后，Lindh, Joergen发现乐高训练对部分学生是有益的，并且发现学生学习乐高，有不同的学习风格。

说到LOGO，就不得不提LOGO语言之父，西蒙·派帕特，他亦是构造主义学习理论的提出者。他的两部著作《乐高机器人：儿童、计算机及充满活力的创意》和《儿童机器：计算机时代的学校反思》也是机器人教育领域重要的知识基础。由此可见乐高机器人在国外机器人教育领域有十分重要的地位。

②机器人教学工具

美国的Touretzky^[15]教授开发了一种开源的机器人应用框架，让学生基于框架能更快速掌握机器人的原理和知识，掌握机器人编程。

Sugimoto^[16]利用手持式投影仪和增强现实技术，开发了一种机器人学习系统，研究表明该系统使得儿童更加投入的进行机器人创意设计和作品表达。

Garciacute;a-Saura^[17]利用开源的3D打印机和开源的套件相结合，来定制教育机器人。这种方式能适应各个阶段的机器人教育目标，教学成本也不高。

由此可见，国外机器人教学工具紧跟时代的技术更迭潮流，应用3D打印、增强现实等潮流技术，可供国内参考。但是国外在对这些工具使用之后的评价，继续的研究比较缺乏。未来应该继续深入研究教学工具和环境的设计、应用和评价。

③机器人教学设计

Altin^[18]对发表的文献分析后发现了机器人教育中常使用的教育教学方法：基于问题的学习、基于项目的学习、基于竞赛的学习、协作学习、发现学习和探索学习等。

Jara^[19]以杜威的做中学( learning by doing) 与Driscoll的混合学习理论为指导进行机器人教学的设计与实践。

由于机器人学科本身是实践型、应用型的学科，因此在教学设计上与其他的学科教学有较大的差别。在教学设计上不仅要重操作实践，也要注重和其他学科如物理、数学和工程学等科目的融合。

1. 国内机器人教育研究
2. 样本来源

选取中国知网作为检索数据库，以“机器人教育”为检索词，期刊限定为核心期刊和CSSCI进行检索，对检索结果进行筛选、鉴别后，得到期刊论文54篇（“机器人竞赛”为检索词则为32篇）、筛选出被引大于5的硕博士论文45篇共99篇有效文献。统计时间为2019年6月20日。

1. 总体趋势

对年度发文数量、学术关注度指数和学术传播度进行比较能直观地反映出该领域的研究现状。 “机器人教育”文献发布数量概况总体呈稳定上升趋势（如图3）。学术关注度指数和传播度指数也逐年上升，尤其是最近几年发展尤其迅速（如图4，图5）。相信此后关于中小学机器人教育会成为社会各界的关注焦点，成为学者的重点研究领域。

图3 关于机器人教育主题论文的年度发文量统计图

图4 关于机器人教育主题的学术关注度指数统计图

图5 关于机器人竞赛主题的学术关注度指数统计图

（3）研究发展阶段

共引文献表示在一定时期内受到特别关注的文献，形成了该领域重要的知识基础。根据文献共引网络分析，按时间排序，列出共引文献（如表3）。分析文献内容发现，我国机器人教育逐渐由初期的理论探索阶段——机器人教育现状与对策的研究——教学研究与课程整合过渡。

表3 共引量较高的文献

①萌芽阶段——理论探讨

针对机器人教育的理论探讨主要集中在机器人教育的概念及分类、理论指导下机器人教育模式、教学方法和策略以及机器人教育对学生的能力培养方面的促进作用等。

彭绍东^[20]教授给出了机器人教育的定义，并提出了机器人教育的五种类型以及各自教学的特点。

理论指导下的机器人教育研究则集中在多元智能理论、STS教育理念、合作学习和模块化思想在机器人教育中的应用。

王益^[21]分析机器人教育各个要素，把对机器人教育问题的研究放置于STS教育视野下，并且将 STS教育理念融入于机器人教学过程，以中小学机器人教育为例，从教学目标、教学内容、教学策略、教学评价上对如何在机器人教学中融入STS教育理念进行了探索与设计(如图6)。

图6 融入了STS教育理念的机器人教学活动结构图

胡卫俊就加德纳的多元智能理论并结合自己几年的教学过程和经验谈论机器人教育活动到底改变了学生的什么能力。

王海芳^[22]等根据机器人教学特点， 从教学目标、教学实施、教学评价三个方面进行了具体分析，指出模块化思想在小学机器人教学中的应用方式。

机器人教育与学生创新意识、技术能力、科学素养之间关系的研究主要探讨开展机器人教育在学生创新意识、创新能力的培养中的意义和作用。

孙世杰^[23]总结了学校通过选修课、活动课、课程整合、项目教学以及校园文化活动等多种渠道开展机器人教育的经验, 强调了通过机器人教育培养学生创新精神的重要性和可行性。

王荣良^[24]通过阐述工程思维的含义、本质特性，指出机器人教育培养中小学生开展工程

思维培养的重要作用。

各种心理学和教育理念的提出，为将来机器人教育的发展逐步打好理论基础和实践指导。近年来，STEAM和创客教育的兴起，也可以为机器人教育带来教育思想和理念上的更新。在对学生的意义研究方面，个人认为应该更加注重对学生情感和能力的评价量化。便于更好地制定教学目标和实施教学评价。

②初期发展——现状调查与决策提出

只有了解了一个领域的现状和问题，才能以存在的问题为线索继续往下发展。

张建平^[25]教授在调查研究了各地情况, 较多的学校只是以课外活动、各种兴趣班、培训班的形式开展机器人教学。通常的做法是由学校购买若干套机器人器材, 由信息技术课程教师或综合实践课程教师进行指导, 组织学生进行机器人组装、编程的实践活动, 然后参加一些相关的机器人竞赛。只有极少数的地区和学校将机器人教学纳入了正规课堂教学。

张国明^[26]教授从中小学机器人竞赛、机器人教学、机器人教育研究三方面阐述了我国基础教育中机器人教育的发展现状。提出了四个方面的问题，机器人教育开展中存在着认识上的偏差；竞赛活动的教育目的不够突出、普及面不够广泛；机器人产品缺失规范；基于教育视角的研究很不够。

钟柏昌^[27]教授开展了一次较大规模的调查后，针对调查结果提出做好顶层设计，建立课程体系；开展课程研究，探索有效教学；加强源头培养，强化教师培训；规范器材配置，建立机器人标准的建议。

可见，我国机器人教育仍旧处于初期的探索阶段，在机器人竞赛、机器人产品和机器人教育（包括学校组织和课外培训班）理论性、规范性等都缺失。机器人教育的普及程度不高，在一线城市发展较快，但是在二线及以下城市就不太受重视。今后尤其是政府教育部门、学校和社会需共同努力，探索机器人教育的理论与实践问题，提高机器人教育的普及性。

③现阶段研究——课程开发整合

赵加兴^[28]则以社会结构主义理论，学习者需要在社会环境下学习和学习是知识的社会协商过程提出了机器人教育中合作学习的重要性。并基于Moodle平台设计了“轮换——互教”教学模式（如图7）。

图7 Moodle网络平台支持下的“轮换-互教”机器人教学模式教学流程图

张丽芳^[29]以STEM理念为指导、以Arduino为平台、以项目学习为载体开展了机器人教学实证研究（如图8）。

图8 基于STEM机器人教学项目设计框架模型图

刘淑云^[30]认为在以机器人技术为载体，培养具有创新实践能力的学生的培养获活动已经获得了广泛的认可。更多的师范类院校已经开始了机器人教育以及课程建设。据统计，调查结束时期为2016年4月，国内有63.6%的师范院校开展机器人教育活动，其中80.21%是以竞赛为主要开展活动。机器人比赛对师范院校机器人教育的发展起了推动作用。其针对师范院校的“轻教学重竞赛”的现象，建构了创客理念下师范类院校的机器人教学模式（如图9）。

图9 创客理念下师范院校的机器人教学模式

综合以上分析，我国机器人教育的研究逐步从理论研究向实证研究转向。从对机器人教育的定义，实行的意义等理论探讨向教学模式构建与实践应用和课程资源设计开发进行。机器人教育的理论与实践探索正在向深水区进行。然而，从整体上看，我国机器人教育研究仍旧处于初步发展阶段，与我国机器人教育未在全国推广有极大的关系。相信随着机器人教育逐步的在各大高校以及基础教育领域落实，机器人教育的研究实践必向更深的层次发展。

（4）国内机器人教育热点

利用知网的可视化分析工具，将出现频次lt;=5的节点过滤，得到如图10的关键词共现网络。

图10 关键词共现网络

（1）从“机器人竞赛”、“机器人大赛”和“RoboCup”等关键词可以看出，我国机器人教育中，机器人竞赛占了很重要的一部分内容。为了推动机器人技术和机器人教育的发展，培养学生的创新实践能力，全世界范围内相继出现了一系列的机器人竞赛：机器人足球竞赛Robo Cup和FIRA , 机器人综合竞赛,包括国际机器人奥林匹克竞赛和FLL世锦赛 (FIRST LEGO LEAGUE)和机器人灭火竞赛。

国内关于机器人的比赛，一般是在上世纪末兴起的。在短短七、八年的时间里，机器人大赛的发展是一个从无到有、从单一到综合、从简单到复杂的过程。学生通过参与机器人的比赛，将自己所学的各类知识综合应用，在参与比赛过程中发现问题、分析问题、解决问题，不断提高自身的实践和创新能力。

目前，国内比较有影响力的机器人竞赛包括中国机器人大赛暨RoBoCup公开赛、中国旅游暨安防机器人大赛、中国智能机器人大赛、中国青少年电脑机器人竞赛以及各省主办的机器人赛事。但我国机器人竞赛体系并不完善。将来应该构建机器人竞赛的理论体系，设计基于标准的机器人竞赛的课程开发框架。引入开源的设备，能让学生有更多的创作空间。杜绝不规范的竞赛规则和情况，也可以对机器人竞赛规范性进行研究。在竞赛过程中，“轻教学重竞赛”的现象也十分普遍，指导者在指导竞赛过程中，应做到以赛促教，将竞赛任务转换为教学任务。

（2）从“学习过程”“教学方法”“教学活动”和“学习态度”等可以看出，机器人教学模式构建和课程建设是当务之急。由于国内机器人教育仍处于初步发展阶段，课程设计方面，教学目标和教学评价等方面都还不是很明确。因此未来应该更加注重机器人教育中教学目标和教学评价体系的研究。尤其是对教学效果评价体系的量化，便于更好地推广机器人教育。

（3）从“创新实践能力”、“创客教育”和“创新能力”等可以看出，机器人教育不应该局限于“编程”，应该更多的与其它学科相融合。创客教育是一种属于素质教育的教育方式，源于国外，强调把创意变成实物，主要是指创新能力的培养。机器人教育以及机器人竞赛都涉及了多个学科，学生需根据不同的任务要求，设计和制作符合要求机器人。在这过程中，学生的创新实践能力得到了不断地提升。