机器人技术提升小学生创造力

利用机器人技术培养资优小学生的创造力

摘要

创造力作为一项至关重要的21世纪技能，培养创造力在过去几十年中引起了教育工作者和研究人员越来越多的关注。人们提出了许多创造性活动。本文描述了一项试点研究的结果，该研究调查了乐高机器人干预对巴林王国一所小学中一组资优女生（n = 15）培养创造力的影响。这些资优学生在课堂环境中参与了一个为期10周（共计20小时）的基于乐高机器人的项目。该研究采用了前后测设计，使用创造性评估包(CAP)来检验学生创造力的变化。结果表明，在流畅性、灵活性、精细性和抽象思维模式等创造性思维技能方面，研究前后存在显著差异。结果表明，乐高机器人干预对培养创造性思维技能具有积极影响。文章还指出了对政策制定者、学校领导、教育工作者和家长的启示。

关键词 ：创造力；资优学生；小学女生；机器人技术；乐高WeDo 2.0；创造性评估包(CAP)

引言

21世纪见证了我们生活几乎各个方面的快速变化。新世界促使教育工作者探索培养年轻学生面向未来的方法。在几乎任何学龄前儿童都能通过互联网在几秒钟内获取信息的时代，仅仅关注记忆性知识已显不足。教育工作者和管理者需要培养能够帮助学生在未来社会中富有成效、取得成功并作出贡献的技能。重点应更多地放在概念发展、批判性思维、协作以及创造力上（Zubaidah, Fuad, Mahanal, & Suarsini, 2017）。然而，课堂时间受限、对标标准化测试日益增长的要求以及国家课程等因素似乎阻碍了教师在学生中培养诸如创造力之类的技能（Evans, 2013; Strauss, 2012）。因此，研究人员呼吁将创造性活动融入课堂之中。

Coxon（2012a）提出了教师实现这一目标的几种方法，包括计算机编程、融合艺术与科学以及机器人技术。尽管机器人技术在课堂中的应用效果仍是一个开放性问题，但已有大量研究提供了相关证据。研究人员指出，机器人技术活动（即设计、构建以及编程机器人技术）在挑战学生，特别是资优儿童，并促进其创造力方面是有效的（Arch & Coxon，2016）。本文首先提供了基于CAT之摇篮模型理解创造力的框架。随后探讨了现有研究中专门调查机器人技术对创造力影响的研究成果。重点介绍了在巴林王国的一组资优小学生样本中，课堂使用机器人技术对其创造力技能提升的影响的本项研究。

创造力

创造力被定义为产生有用、新颖或改进的事物（Zubaidah 等，2017）。研究人员使用CAT之摇篮模型（’图1）来突出创造力的三个要素（Kim，2017）。根据这一观点，创造性氛围（C）、创造性态度（A）和创造性思维（T）是促进创造力发展的关键。

创造性氛围

创造性氛围指的是家庭、学校、机构、社会或文化中的物理和心理环境。它包括环境中的各种元素，例如适当的时间、资源、信任和合作。这些元素使个人能够自由表达自己的想法，而不必担心失败。因此，合适的创造性氛围为学生提供了展示、发展、支持和欣赏其创造性态度的机会。

创造性态度

创造性态度在创造性氛围中发展和表达。它源于个体内部，代表诸如好奇心、乐观、开放心态、幽默感、热情、勇气等个人特质。通过培养创造性态度，学生获得了发展创造性思维所需的前提条件和原始材料。只有在具有创造性氛围的学校中，学生才能表达创造性态度，进而促发其创造性思维。创造性氛围越强，学生的’创造性态度就越能得到发展和展现，他们成功进行创造性思维的可能性也就越大（Kim，2017）。因此，各种创造力测量工具，如托兰斯测试和创造性评估包(CAP)，均采用应答者在创造性思维上的得分作为创造力的指标。接下来将详细探讨创造性思维。

创造性思维

创造性思维包含三种思维方式：发散性、收敛性和emergent 思维。发散性思维者思维敏捷，具备流畅性（即产生大量想法）、独创性（即提出不同寻常的想法）和灵活性（从另一个角度或视角思考）三种能力。收敛性思维者评估和分析想法，而emergent 思维者则展现出多种技能，包括抽象思维模式（即超越显而易见的事物进行思考）和精细性（即关注细节）。

这三种思维方式及其相关思维技能在表1中简要列出。

尽管对创造性态度和创造性氛围进行了简要描述以帮助理解模型的背景，但本研究将仅关注创造性思维，因为它主要且直接涉及学生自身。然而，其他领域也同样重要。本研究通过考察机器人干预前后学生的创造性思维技能（包括流畅性、灵活性、独创性、elaboration和抽象思维模式）来探究创造力。

采用机器人技术的理由源于托兰斯’（1966）的一项创造力任务，他当时要求儿童改进一个玩具。类似地，在本研究中，资优学生可以通过使用乐高来创造玩具从而实现改进。下文将详细介绍有关乐高机器人技术、资优学生及相关研究的信息。

乐高机器人WeDo 2.0

本研究使用的机器人套件为乐高WeDo 2.0，该套件已在巴林王国用于竞赛和课堂教学。该套件由乐高集团销售，目前为第二代产品（WeDo 2.0）。然而，市场上其他可用的套件通常为预先组装好的机器人，或仅为遥控设备，从技术上并不属于真正的机器人（即它们不基于外部环境的输入进行操作）。乐高WeDo 2.0套件包含280个组件。尽管乐高积木本身结构简单，但在搭建乐高机器人时可实现高度复杂性。研究人员指出，例如，六个乐高积木可以以十亿种方式进行组合（Eilers2016）。此外，该套件包含一个电机、两个传感器和一个智能中心。传感器可接收来自外部环境的输入，而智能中心则作为机器人的大脑，使传感器和电机得以运行。通过使用WeDo 2.0软件以及蓝牙低功耗（BTLE）技术，智能中心可在智能手机、平板电脑或台式计算机与机器人之间传输输入信号。

资优学生与机器人技术

研究人员呼吁将机器人技术融入课堂，以服务所有学生（Leonard 等，2016）。然而，机器人技术对儿童具有潜在的吸引力，特别是对资优学生而言（Arch & Coxon，2016）。与同龄人相比，资优学生更为复杂、强烈且早熟（VanTassel‐Baska，2005）。研究表明，为了提高数学和创造力，资优学生需要比同龄人更具挑战性的活动（Rogers，2007）。在这方面，机器人活动具有优势，因为在构建机器人时成功没有上限（Krauss & Boss，2013）。此外，与其他同龄学生相比，资优学生更欣赏复杂的问题（Davis, Rimm, & Siegle，2010）。开放式问题以及乐高积木无限的组合方式，为适合资优学生的复杂活动提供了机会。而且，资优学生倾向于从事比同学更深入的工作（Cross，2011）。基于问题式学习（PBL）的机器人项目为资优学生提供了进行高级、深入和细致创作的机会（VanTassel‐Baska, Avery, Hughes, & Little，2000）。

机器人技术研究

机器人技术在教育领域的应用在过去十年中激发了大量的研究研究（Leonard 等，2016）。尽管在2000年–2010年期间仅发表了35篇论文，但在2010年至2012年间迅速增长至89篇出版物，表明了

表1. 创造性思维方法与技能描述（Kim, 2017）。
创造性思维技能
发散性思维
流畅性（产生大量想法）
独创性（产生不寻常的想法）
灵活性（拥有另一种视角或使用另一种感官)
emergent 思维
抽象思维模式（享受复杂性且模糊的标题的抽象性 – 超越表象的思考）
坚持与详述（在⋯⋯上工作）
整合（非常规的在看似不相关的事物之间建立联系）
聚合思维
逻辑的分析性/评价性/逻辑性思维——智力的一部分

机器人技术在教育中的潜在益处（Coxon，2012b）。研究人员证明了使用机器人技术有助于理解STEM概念（Yuen等，2014）。许多机器人项目促进了学生21世纪技能的发展，包括通过自主项目培养的自主学习能力以及技术教育（Grubbs，2013）。乐高机器人通过开放式设计挑战提升了学生的创造性解决问题的能力（Grubbs，2013）。在Coxon’s（2012a）的研究中，10名学生在参与初级FIRST乐高联赛（Jr. FLL）前后完成了前测和后测。参与者在发散性思维方面表现出显著提升（p值为.046）。

考克森（2012b）进一步研究了机器人技术对创造力的影响。他进行了一项对照干预研究，在一次机器人竞赛后，对75名年龄在9至14岁之间的资优学生进行了调查。他发现空间能力领域有显著提升，尤其是男生。此外，参与者的–成绩显示流畅性、精细性和抽象思维模式方面均有提高。然而，流畅性的提升最为显著，因为双尾’ p 值小于.001。金和考克森（p 2013）得出了类似的结果。他们的研究结果进一步证实了早期研究的结论，即机器人技术有助于提升创造性思维、问题解决能力、批判性思维以及自信心水平（Greeter, Golder, & Nordin, 2002）。

另一方面，上述研究存在一些局限性，应当予以考虑。这些研究大多在受控环境或实验室中进行（例如，Coxon，2012a，2012b），而机器人技术在课堂环境中则较少被研究。此外，大多数提到的研究采用了定量方法，学生在较短周期内参与高强度的机器人课程。为了规避这些局限性，本研究调查了学生在课堂环境中进行为期10周的机器人干预前后创造力的变化情况。

方法

本研究作为一项试点研究，旨在评估学生创造力的提升情况。在开展大规模研究项目之前，还考虑了其他一般因素，如持续时间、成本、可行性以及研究设计的改进。为实现研究目的，采用了前后测设计，考察资优学生参与机器人干预对其创造力发展的促进作用。

背景

哈贾尔女子小学位于巴林王国北部省巴尼贾马拉内区的一所公立学校。学生主要来自中等社会经济背景。该校于2017年被教育培训质量局（BQA, “杰出” 2018）评为）。此外，该校自2014年以来一直为资优学生提供特殊项目。该项目为期三年，每年级（四年级、五年级和六年级）各招收20名学生，共60名学生。学生凭借其学业成果以及创造力、推理能力、领导力和动机等方面的测评成绩进入资优项目。1学生每周参加一次拓展项目课程（两小时），机器人项目就在该每周课程中实施。

样本量和程序

该研究的便利样本包括五年级学生，这些学生是根据学校资优项目标准（基于前文提到的标准）选出的。十五名11岁的资优女生参与了本研究（n = 15）。她们来自中等社会经济背景，除玩过简单的乐高积木游戏外，在研究开始前均无乐高机器人经验。此外，已获得巴林教育部（MOE）的批准，并取得了

选择这些标准是为了体现瑞兹利的资优定义，该定义在巴林政府学校中被用作资优的操作性定义。

利用机器人技术培养资优小学生的创造力

方法（续）

参与的学生及其家长。学生被分为四个子组，每组3–4名学生。她们在参与干预前进行了前测评估。在连续10周的时间内，各小组每周会面两小时（即总计20小时干预）。研究表明，为期一周的干预将为资优学生带来显著的学习成果（Swiatek，2007）。作为一名经过培训的机器人教练和资优教育专家，我设计并实施了一个使用乐高机器人WeDo 2.0套件的拓展项目。

每个3–4名参与者的小组配备一套由巴林教育部（MOE）提供的乐高机器人WeDo 2.0套件。干预阶段结束后，所有参与者均参加了后测评估。

数据来源和数据分析

定量数据来源包括学生前后测完成的弗兰克·埃德温·威廉姆斯创造性评估包(CAP)。该CAP测试已由巴林教育部(MOE)特殊教育局审核并批准。CAP思维测试用于测量流畅性、灵活性、独创性、精细性和抽象思维模式等认知方面（Williams，1993）。在CAP测试中，要求受试者以页面上提供的简单线条作为刺激，完成图画。前测和后测均由哈贾尔女子小学的资优教育专家实施。采用Cronbach’s α系数评估测试的信度；α系数为0.78，处于可接受范围（表2）。

此外，使用Windows版SPSS Statistics 26.0对前测和后测CAP结果进行了分析。采用重复测量t检验来检验学生在完成乐高机器人技术WeDo 2.0项目前后CAP分数的均值差异。

结果

创造性五个子维度的t检验结果如表3所示。与研究前相比，参与者在乐高机器人干预后几乎所有创造性思维技能上的得分均有所提高。

结果显示，创造力评估的前测（M = 48.40, SD = 15.40）与后测（M = 66.47, SD = 9.00）均值之间存在显著差异；t(14) = 4.09，p = .001（p < .05），这与研究假设——乐高机器人项目对学生创造性思维技能具有积极影响——一致。

在流畅性方面，学生的后测结果（M = 11.93，SD = .25）高于前测结果（M = 9.13，SD = 2.80）；t(14) = 3.76，p = .002（p < .05）。这些结果表明，学生在完成乐高机器人项目后，其创造性思维技能中的流畅性存在显著差异。

此外，创造性思维的灵活性技能在前测（M = 6.27，SD = 1.87）和后测（M = 8.20，SD = .77）中的t检验结果表明，t(14) = 3.59，p = .003（p < .05），显示出前测和后测学生分数之间存在显著差异。这表明乐高机器人技术与学生的灵活性技能之间存在正相关关系。

另一方面，尽管学生在创造性思维的独特性技能后测成绩上略有提高，但前测（均值 = 3.20，标准差 = 2.36）与后测（均值 = 4.73，标准差 = 2.25）结果之间的差异达到 t(14) = 2.06 的水平，且 p = .058（p > .05），显示无显著性差异。这些结果表明，乐高机器人对创造性思维的独特性技能没有影响。

此外，学生在创造性思维技能的精细性方面，后测（M = 25.73，SD = 4.26）与前测（M = 18.13，SD = 6.64）的创造性评估结果相比有显著提升；t(14) = 4.09，p = .001（p < .05），显示出显著性差异。这进一步表明乐高机器人技术对精细性具有积极影响。

此外，对学生在抽象思维模式这一创造性技能上的前测（M = 11.67，SD = 4.68）与后测（M = 16.53，SD = 4.78）结果进行比较，t值为 t(14) = 2.70，p = .017（p < .05），表明存在显著差异，说明乐高机器人项目对学生抽象思维模式技能具有积极影响。

此外，后测中成绩提高的学生比例见表4。在完成乐高机器人项目后，参与者在大多数创造性思维技能上的得分有所提高。几乎所有学生（93.3%）在精细性方面的成绩有所提升，大多数学生（80%）在灵活性方面得分更高。此外，许多学生（66.6%）在流畅性和抽象思维模式方面取得了更大的进步，而60%的参与者在创造性思维的独特性技能后测中获得了更高的分数。

表2. 用于评估CAP测试信度的方差分析检验。
ANOVA
变异来源
Rows
列
错误
总计
信度统计

表3. 重复测量t检验的t值‐检验结果。
重复测量t检验的统计量
Mean
配对1
CAP前测总分
CAP后测总分
第2组
前学生流利度测试
后学生流利度测试
第3组
前学生灵活性测试结果
后学生灵活性测试结果
第4组
前学生原创性测试结果
后学生原创性测试结果
第5组
前学生细化测试结果
后学生细化测试结果
第6组
前学生抽象思维测试结果
后学生抽象思维模式测试结果

表4。学生’后测相较于前测的进步百分比。
创造性 思维技能
No. 学生
% 增长

讨论

本文提出了关于乐高机器人干预对创造性思维技能影响的显著发现。当前试点研究表明，创造性思维技能在流畅性、灵活性、elaboration和抽象思维模式方面的前测与后测得分差异显著。结果表明，乐高机器人干预对培养创造性思维技能具有积极影响。这些发现与早期的研究研究（Coxon，2012b；Kim & Coxon，2016；Greeter et al.，2002；Grubbs，2013）一致，这些研究揭示了机器人技术在发展创造力方面的积极效果。此外，Coxon（2012b）证明了在流畅性、elaboration和抽象思维模式方面有所提升。相应地，本研究的结果表明在流畅性、灵活性、elaboration和抽象思维模式方面有显著提升。然而，在独创性方面未显示出显著差异。

相较于类似研究（如Coxon’s），本研究结果在更多创造性技能和领域中显示出改进的一个可能解释是，本次乐高机器人干预持续了10周，而Coxon’s（2012b）的研究中干预仅持续五天。此外，本研究是在正常课堂环境中由熟悉的学生教师进行的，而其他研究（例如Leonard等，2016）则是在课后俱乐部或校外工作坊中由不熟悉的教练实施的。熟悉的教师和熟悉的课堂环境可能在培养创造力方面起到了积极作用，尤其是考虑到学生的年龄较小（11岁）。

另一方面，本研究存在一些局限性，在考虑将其推广到其他情境之前应予以注意。首先，本研究采用的设计较为有限（即仅对实验组进行前测和后测），这对其内部效度提出了担忧。尽管由于可获得的资优学生数量有限而选择了该设计，但未来若能通过样本随机化并设置对照组来进行实验研究，可能会得到更有效的结果。因此，应注意选择偏差、回归均值、测试成熟度以及可推广性等方面的问题。然而，本研究样本的平均增益分数和p值均非常高，表明如果未来有更大样本量和对照组参与干预，可能会显示出有意义且显著的增益分数。

此外，机器人学研究主要采用定量方法，本研究也不例外。采用定量与定性方法相结合的混合方法，例如访谈，可能有助于解释机器人技术如何促进学生的创造力。

此外，本研究的样本由来自中等社会经济背景的女生组成。若采用包含不同社会经济背景和性别的随机样本进行研究，可能会进一步揭示乐高机器人技术对培养创造力的影响。此外，先前的研究（如Coxon’s(2012b)）是在实验室环境的受控环境中，通过FIRST乐高联赛（FLL）期间的强化干预进行的。而本研究的课堂情境并未提供受控环境。然而，我认为这可能更有利于鼓励教师在课堂中考虑实施可能的机器人干预。

结论

总之，本研究作为在巴林王国首次探索机器人干预的尝试，证明了机器人技术对流畅性、灵活性、精细性和抽象思维模式等多种创造性思维技能具有积极影响。研究结果可能对政策制定者、学校领导者、教育工作者和家长具有一些启示意义。政策制定者可考虑进一步支持此类研究以及在学校中实施机器人干预，特别是在资优教育 provision 方面。学校领导者应考虑为其教职员工提供机器人技术和创造力领域的培训机会。同样，教师和教育工作者可考虑在课堂和跨课程中应用机器人技术。此外，家长也可考虑为孩子提供机器人活动以提升其创造力。本研究是一次促进创造力的创新尝试。

事实上，仍需进一步研究乐高机器人对创造力的影响，以验证本研究结果，并实现巴林 2030愿景所倡导的创造力、创新与繁荣。