基于PBL的Tello无人机编程学习项目设计与实践文献综述

1. 选题背景与意义

（一）选题背景

1.人工智能发展对小学生学生编程素养需求

美国新媒体联盟的《地平线报告》，在 2016 年的《地平线报告 (基础教育版)》中，提到需要“提高编程能力”，把“编程素养”放在了头条，2017年的《报告》中，在短期趋势里提到“编程作为一项专业素养”，可见编程教育正是目前教育界的热点话题。2018年4月教育部印发《教育信息化2.0行动计划》的通知, 要求加快我国教育现代化, 推进新时代我国教育信息化发展, 加强学生信息素养培育就成为必不可少的内容，加强学生的信息技术知识、技能以及信息意识，将学生信息素养纳入学生综合素质评价。^[1]完善课程方案和课程标准，充实适应信息时代、智能时代发展需要的人工智能和编程课程内容，创新活动的内容和形式，全面提升学生信息素养。加上人工智能世代的到来，编程教育不仅只为满足未来就业和社会需求，而且更加关注“编程赋能”价值。儿童通过编程，学习到的不仅仅是编程知识，更多的是培养了儿童在逻辑思维、动手、独立思考、交流协作等等方面的能力，可以填补一些教育存在的空白。现在，编程已经不只是存在于电脑上的脚本语言，可视化编程让编程变得更加有趣，更适合低龄段的学生学习编程，由此可见，编程教育正是目前教育界的热点话题并且研究对象向低龄化发展。

2.无人机应用范畴日益广泛

无人机专业与教育一直以来仅仅存在于老牌军工背景院校中, 如西北工业大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学等航天特色高校。随着航拍技术、遥感技术的不断发展,无人机应用技术作为一门新兴的综合性技术, 在我国国防建设、地质勘测、电网巡视、高速公路巡查、气象检测、森林防火、海事巡逻等军用与民用技术领域获得广泛应用, 成为提高成为提高效率和提升产业规模水平发展的重要工具。^[2]近年来, 随着小型无人机的应用日益成熟，无人机的应用也变得越来越广泛。在教育无人机方面，现在的中小学会有一些无人机的社团活动课或者为了参加中小学无人机比赛所开设的无人机课程，由此可见无人机在中小学教育中已经开始慢慢渗透。

3.面向中小学的无人机竞赛日趋广泛

无人机的竞赛突出趣味性和情境性，把枯燥的比赛任务置身于“丛林”之中，学生需要通过编程，完成“山洞旅行”，“穿越瀑布”，“丛林冒险”等任务。

单机任务挑战赛：采取任务驱动方式，现场随机抽取参赛学生布置场地飞行任务。要求学生观察分析，测量路线，采用编程语言编写框架，调试飞行参数，最后无人机根据编写的程序自主穿过障碍物，完成特定的飞行线路并精准降落。

编队配乐挑战赛：要求3名学生使用5架飞机根据音乐完成“空中芭蕾”。在比赛现场公布具体音乐，音乐时而激荡，时而舒缓，学生通过编程，使无人机能够随音乐翩翩起舞。

无人机的任务挑战赛的举办是为了通过这个活动将编程和无人机结合一起，编程是为了解决问题不是只为了比赛，通过这样的活动提高孩子们的科学素养，比赛是无人机，但是未来可以解决更多的问题、解决生活中的问题。

小结：从无人机的比赛我们也可以看出，该竞赛需要学生理解掌相关编程知识，在此基础上去完成任务，可见无人机在教育的应用中离不开编程教育。小学编程教育可以锻炼学生的逻辑思维能力、动手能力、小组协作探究能力，培养学生对编程的兴趣，为以后的学习做铺垫。

1. 研究意义

1.理论意义

通过开展适合小学生认知特点的编程教学，让学生学习编程的相关知识，也让学生了解到计算机工作和解决问题的方式。小学低年段的学生主要从具体事物形象来认识事物的属性，因此可视化编程软件是小学生编程教学的主要工具，让学生在Scratch可视化编程平台上学习编程，可以大大提高教学效率与学生学习效率。因此，本研究通过基于 PBL 的教学模式结合Scratch，面向小学编程教育，研究Scratch编程课程在小学阶段应如何设计，来丰富基于 PBL 的小学编程教学项目设计的研究内容。有利于培养小学生对编程的学习兴趣，培养他们的逻辑思维能力、动手能力等综合能力；推动无人机在教育领域的发展。

2.实践意义

中小学阶段信息技术学科的核心素养包括:信息意识、计算思维、数字化学习与创新和信息责任四个方面。本研究实践旨在通过基于项目的学习(PBL)模式在无人机Scratch编程教学中实现更好的教学效果，使学生获得信息素养的提升，对信息技术学科核心素养的提升提供实践指导。^[3]通过将基于 PBL 的学习与小学编程课程相结合，提出相关项目设计方案，并将其应用于实践，通过开展两轮行动研究，对项目设计进行优化与反思，对小学低年段开展基于 PBL 的编程教学提供参考。

（三）相关概念界定

1.PBL

基于项目的学习（Project-Based Learning，简称 PBL），就是学习过程围绕某个具体的学习项目，选择和利用学习资源，在实践体验、内化吸收等环节中获得知识，形成专门的技能和得到充分发展的学习。^[4]PBL是一种典型的以学生为中心的学习方法。这种“做中学”“玩中学”的学习方式不仅提高了学生的兴趣, 更容易激发学习的积极性;更能在接近实际的学习环境中锻炼学生, 更有利于提升学生信息技术素养。

2.编程语言

计算机编程语言、计算机语言指的是用于人与计算机进行通讯的语言。计算机语言的种类非常的多，总的来说可以分成机器语言，汇编语言，高级语言三大类，其中最具代表性的有 Java、C、C 、Pathon 等。

3.Scratch

本次研究使用的Scratch是美国麻省理工学院(MIT)媒体实验室推出的适合小学生学习的计算机编程和交流的入门级软件平台，它具有图形化、易操作等特点。 Scratch可以让学生在Scratch编程学习的过程中，培养学生的创新能力和创造性思维，享受编程学习带来的成就和乐趣。Scratch的几个显著优点有: (1)软件是开源的、免费的:(2)软件界面很有亲和力，能够吸引小学生的注意 (3)脚本模块化，上手快，易操作 (4)对操作系统的兼容性很强。^[5]

（四）国内外研究现状综述

1.关于编程教育的研究现状

（1）小学编程教育国外研究现状

美国前总统奥巴马投入 40 亿美金推动编程教育，并发起“编程一小时”的运动，为了让全美小学生开始学习编程，更早的接触计算机，从小培育信息素养。美国社会各界对编程教育的发展起到了极大地促进作用。美国学界一直关注 Scratch 培养目标方面的研究，娜塔莉·鲁斯克教授认为，Scratch 具有学习编程和开发思维能力的功能，她提出了 Scratch 能培养学生问题思考与解决、信息交流、沟通和自我管理能力这一观点。美国麻省理工学院媒体实验室的 Mitch Resnick 在 TED 演讲中强调编程适合所有人而非计算机天才，他更希望看到的是透过编程去学习更多的事物 。^[6]

据英国《每日电讯报》2014年7月6日报道, 英国5岁儿童将开始学习编写电脑程序。学校将编程知识引入课本的目的是为新课程做准备, 也是对信息通信技术 (ICT) 教学方式的一种革新。为培养儿童对计算机科学的兴趣, 英国政府将2014年定为“编程年”。^[7]

2015 年 5 月，澳洲教育与培训部门发表题为《立即采取行动，振兴学校的 STEM 研究》的报告，并拨款 1200 万美元大力支持教育部门实施 STEM 教育活动，来提升澳大利亚的创新和竞争力。相关举措包括：开发创新的课程资源、支持不同年级引入编程等^[8]。2016 年，澳大利亚正式将编程列入全国必修课程，学生从五年级开始学习“21 世纪计算机编码”，七年级开始学习编程。

（2）小学编程教育国内研究现状

小学编程自2015年《关于“十三五”期间 全面深入推进教育信息化工作的指导意见》颁布起在国内教育行业零星出现，并在2016年呈现快速发展的趋势发展。截止资料查询日期2020年7月1日，以“小学编程”为关键词在知网进行主题搜索，文献数量为91篇，其中期刊72篇，硕博论文17篇。

从上图我们能发现，从2016年开始有小学编程呈现很快的上升状态，在2016-2020年快速增长，并在2020年达到顶峰，由此可见，国内小学编程的关注度在近几年逐渐火热，小学编程教育发展势头正猛。

从具体的文献分析中可以了解到，研究内容可分为：编程教育教学设计及实践研究、编程教育教学模式构建等方面。

在关于编程教育教学设计及实践研究的相关文献中，以 Scratch 语言的编程教学为主。陈秀在教学实践中，遵循“以学生为中心”的教学原则,尝试为小学阶段的Scratch程序设计课程进行教学设计并依此开展教学实践以学生自主探究为主线，教师扮演“领路人”和“引导者”的角色，学生在教师指引下带着创作兴趣进行“自主探索、自主发现”，从最基本的简单模仿开始，循序渐进，从易到难，由浅入深，最终学会如何运用Scratch 软件表达创意、创作作品。^[9]奚宁针对我国中小学生的Scratch编程课程体系，以培养学生的编程素养为目标,设计了基于Scratch的编程课程体系,并通过教学实践检验该课程体系的实用性。^[10]

在编程教育教学模式构建的相关文献中，孙立会，周丹华基于设计的研究为设计原则,并以4P学习法为理论基础,构建了以小学科学内容为案例的儿童编程与学科融合的教学模式,以期丰富与优化小学科学教学方式并探索推广多样化的儿童编程教学形式。^[11]

总的来说，国内外学者都对小学编程教育的关注度较高，小学编程教育在不断地深入发展，在这方面的研究也不断深入。

2.项目式学习（PBL）国内外研究现状

（1）国外研究现状

上世纪三十年代，克伯屈首先提出了项目设计教学法这一概念，他认为项目设计教学应该把学生兴趣和需求作为有效学习的基础。^[12]国外基于项目的学习研究比较完善，比较出名的是美国的特贝尔特认知与技术小组设计的lsquo;贾斯珀系列rsquo;项目, 学生在该项目中观看大量冒险故事录像带来获取多方面、多学科的知识，在美国颇有影响力。”许多国家的学校也纷纷采用这种模式进行教学。国外针对PBL模式开展的研究很多，有对PBL模式教学适用性的研究，对PBL模式的构成要素实施的研究，也有针对PBL教学效果的影响因素的研究。相比较而言，国外对于PBL的理论和实践研究都比较深入，比如美国Sally Berman设计的PBL模式、Bruce Campbell的Leamning Centre等。^[13]

（2）国内研究现状

在知网上以项目式学习为关键字进行检索，查阅相关文献2436篇，期刊2337篇，硕博论文335篇。

从上图中我们可以看出，项目式学习在2001年开始出现相关论文，从2007年开始呈现出快速增长的趋势，并逐年增多。可见，国内学者对项目式学习的认可度较高，项目式学习的研究也还在持续深入发展。

从具体的文献分析中可以了解到，项目式学习的研究主要集中在教学模式理论的研究，表明大多数学者关注项目式学习模式的建构，其次是评价体系研究，相比之下，实施应用研究、教学设计研究的成果较少。项目式研究在许多领域都有所开展。例如王勃然将项目学习模式整合到了英语学科的学习课程中^[14]，杨敏将包含确立项目、形成项目框架、完成项目并交流、展示、评价等环节的探究项目式学习法应用于大学公共英语教学中。^[15]梁桂瑶与高峰在初中生物学习中引入了项目式学习，并对学习效果进行了分析。^[16]

在知网上检索项目式学习结合Scratch的相关文献，发现相关的文献不多。山东师范大学的硕士孙骋在其论文《基于PBL模式的小学Scratch编程教学实践研究》中研究PBL模式适用于小学Scratch的编程教学；^[17]谭立娟的论文《基于项目学习的初中Scratch教学实践探索》项目式学习结合scratch2.0来制作星空保卫战的游戏，在项目式的学习中潜移默化地矫正学生的不良学习习惯，培养小学生的逻辑思考和对待知识谨慎的态度。^[18]陈泽强的论文《PBL在小学Scratch编程教学中的应用》，制定了一些基于PBL的Scratch课堂教学策略，Scratch课程教育融合PBL教育理念, 使学生学习方式和解决问题的方法产生新的变化, 让学生在思考和探索中创造新事物, 提高生解决实际问题的能力。^[19]由此可以看出，PBL结合Scratch的教学研究在萌芽阶段，关于这方面的研究开始零星出现，对于这方面的研究有待加强。

3.无人机与编程平台的选择

无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作。无人机的品牌有：大疆、亿航、美嘉欣、华科尔等。TELLO无人机是大疆子公司的产品，拥有大疆的飞控技术，搭载了英特尔的处理器。TELLO亮点之一：小巧轻盈的体形。TELLO的体形非常的小，即使是加上桨叶保护罩才刚刚和一本普通的书大小相近，整个机身加上电池刚刚80克的重量足以说明她的小巧，如果可以折叠，相信可以轻松放入口袋。Tello亮点之二：高清拍照摄像头。TELLO虽然是一款消费级无人机，但没有省去摄像头，Tello搭载了真实500万像素的摄像头，可以拍摄500万像素的照片和720P的视频。Tello亮点之三：稳定安全的飞控。

Scratch 是一种训练学生创造的可视化编程软件，学生能够用Scratch 进行编程，创造自己的作品，这样学生学习编程的兴趣与热情都大大提高。Tello无人机可以结合Scratch2.0，进行可视化的编程学习，所以本研究结合基于项目式学习PBL的理念，使用Scratch来开展小学编程教学，锻炼学生的逻辑思维能力、动手能力、小组协作探究能力，培养学生对编程的兴趣，为以后的学习做铺垫。

二、研究的基本内容和拟解决的主要问题

（一）主要研究内容

1.相关文献研读与基于PBL的Scratch编程教学需求分析。

通过对相关文献的研读以及对国内外小学编程教育现状的调研，从小学低段学生的学情、Scratch编程的特征等视角分析在小学低段Scratch编程教学中，采用项目式学习的可行性。

2.基于 PBL 的 Scratch编程教学项目的设计。

以《中小学综合实践课程指导纲要》，选择适合小学低段学生的Scratch编程教学内容。采用基于项目的学习模式，来设计符合小学段学生认知规律的教学活动。

3.基于PBL的Scratch编程教学项目的实施。

该部分是对设计好的Scratch编程教学项目进行教学实践，采用行动研究法，共分为两轮行动研究，在每一轮研究中设置项目活动，通过课堂观察以及对学生的访谈，获得来自学生的真实反馈，归纳总结出项目实施过程中出现的问题，并在开展下一轮基于项目的学习活动中对出现的问题进行改进。

（二）拟解决的主要问题

在本次研究中，是重点问题同样也是难点问题的是：

1.Tello无人机在小学低段Scratch课程中如何应用？

2.设计的项目怎么贴切当段学生，项目有什么实用价值

3.如何去实施行动研究？

针对该研究问题，解决方案为：首先通过文献研究的方法检索、筛选、归纳、整理出有关编程语言和无人机应该的部分文献。然后在为期四个月的实习实践中进行实地考察应用。

（三）论文框架结构

1. 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究意义

1.2.1 理论意义

1.2.2 实践意义

1.3 相关概念界定

1.3.1 PBL

1.3.2 编程语言

1.3.3 Scratch

2. 相关研究综述

2.1 小学编程教育研究现状

2.1.1 小学编程教育国外研究现状

2.2.2 小学编程教育国内研究现状

2.2 项目式学习（PBL）国内外研究现状

2.2.1项目式学习（PBL）国外研究现状

2.2.2项目式学习（PBL）国内外研究现状

2.3 无人机与编程平台的选择

3. 基于 PBL 的小学Scratch编程课程项目设计

3.1 基于 PBL 的编程教学项目设计流程

3.2 项目设计前期分析

3.2.1 学生学情分析

3.2.2 教学内容分析

3.3 项目设计目标

3.3.1 知识与技能

3.3.2 过程与方法

3.3.3 情感态度与价值观

3.4 项目主题及内容设计

4. 基于 PBL 的小学Scratch编程课程行动实践

4.1基于 PBL 的小学Scratch编程课程行动研究设计

4.1.1 行动研究背景

4.1.2 行动研究对象

4.1.3 行动研究背景

4.1.3 行动研究步骤

4.2 第一轮行动研究

4.2.1 行动研究目标

4.2.2 行动研究计划

4.2.3 行动研究实施与观察

4.2.4 行动研究反思

4.3 第一轮行动研究

4.3.1 行动研究目标

4.3.2 行动研究计划

4.3.3 行动研究实施与观察

4.3.4 行动研究反思

4.4 小结

4.4.1 学生项目完成度分析

4.4.2 学生问题解决能力分析

4.4.3 项目实践反思

5. 总结与展望

5.1 研究总结

5.2 研究不足与展望

三．研究方法及技术路线（拟采取的研究手段及技术路线、实验方案等）

（一）研究方法

1. 文献研究法

文献研究法主要指搜集、鉴别、整理文献，并通过对文献的研究形成对事实的科学认识的方法。本次研究以“PBL”、“Scratch”、“编程教育”为关键词进行搜索，为后续进行基于 PBL 的小学Scratch编程课程打下基础。

2.访谈法

通过对学生的访谈，了解学生对基于项目的学习Scratch编程课程学习过程的感受。通过与学习者面对面的接触、谈话，直接从学习者身上获得学习反馈。

3. 行动研究法

本文将在开展基于项目的学习实践中，按照行动研究的实施流程将两个项目有步骤地开展实施，在每一阶段行动中设置不同的目标，在每阶段行动研究结束后，获取学生学习的真实反馈，归纳总结出实施过程中出现的问题，为下一个项目的实施改进提供经验教训。

（二）技术路线（实验方案、撰写提纲）

（三）可行性分析

技术可行性

目前PBL和Scratch的发展都有了很大的进展，可以利用Scratch图形化编程，来开展基于PBL的小学无人机编程教育。

2.需求可行性

小学编程教育、Scratch、PBL这三个方面的研究一年比一年火热，可见我国对这一块方面是具有极大的需求的，伴随小型无人机的发展，无人机编程教育这一块也潜藏着大量需求，总的来说在需求这一块，具备着大量需求。

四、研究工作的步骤与进度

准备阶段：

2020 年 5 月——2020年6 月 确定论文题目，查阅文献了解选题的含义

2020 年 6 月——2020年7 月 收集资料，确定研究对象，拟定论文框架

2020 年 6 月——2020年7 月 撰写文献综述和开题报告

实践阶段：

2020年9月——2020年12月 在实习点或是别的地方进行基于PBL的Scratch编程教育实践

2020年9月——2020年12月 收集学生的学习反馈

2020年9月——2020年12月 分析收集到的学习反馈信息

论文撰写阶段：

2021年1月——2月 毕业论文初稿完成根据指导老师意见进行修改

2021年3月 进一步修改毕业论文

2021年4月 完成论文终稿，准备论文答辩

五、主要参考文献（作者、书名、论文题目、出版社或出版号、出版年月或出版期号。文科不得少于15篇，理科不得少于10篇，其中外文文献应不少于2篇）

[1]人民共和国教育部.教育部关于印发《教育信息化 2.0 行动计划》的通知[EB/OL].

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