研究4C教学模式对机器人教育中创造力与学生学习影响：一项行动研究

为何用机器人教学很重要

随着当今问题——从清洁能源到人口老龄化——变得愈发复杂，大学面临着帮助学生在多个领域同时进行创造性思考的压力。本研究考察了以教育机器人为载体的教学能否实现这一目标。作者设计了一种新的课堂方法，称为4C模型，旨在帮助大学生从仅仅按照机器人套件的说明操作，转向发明自己的智能装置。在三年间，他们在一门大学机器人课程中测试并改进该模型，以观察它是否能在不让学生不堪重负的情况下，真正提升创造力、团队协作能力和实践设计技能。

一种新的机器人学习方式

4C模型将机器人学习划分为四个循环步骤：以相似项目为群组开始、提炼关键理念、将这些理念连接起来，最后将其改造成新事物。在第一阶段，学生从三个不同版本的简单“无聊盒”装置入手，这些装置以奇特方式打开和关闭盒盖。通过类似逆向工程的方法，他们拆解、修复并对这些盒子进行小幅改进。这让他们在硬件、传感器和代码方面获得动手练习，但在安全且界定明确的范围内进行，从而限定挫败感并保持心理负荷在可控水平。

发现项目中隐藏的理念

在学生重建了多个盒子之后，他们进入更具反思性的阶段。教师引导他们发现这些项目的共性并命名其底层理念——例如反馈回路、随机性，以及杠杆和角度如何影响运动。他们讨论这些概念如何贯穿科学、技术、工程和数学领域。随后学生绘制概念图，将这些理念相互连接。此步骤旨在帮助学生超越“这根线接这里”式的思维，获得对系统行为更深的理解，以便日后将学到的知识迁移到新情境中。

从复制盒子到发明机器

在最后阶段，学生被要求设计并构建一个与原始盒子截然不同的全新机器人装置——例如可以分类垃圾的智能垃圾桶或自动化的游戏机。此时教学转向更开放式的项目风格。学生必须选择额外的传感器、规划装置对环境的响应方式，并调试结构与代码。教师仍然提供反馈与结构性支持，但决策的主要责任转移到学生身上。研究者认为，这一从相似、有指导性的任务跳跃到截然不同、自主性的任务的过程，正是创造力的核心：用早期经验来应对陌生挑战。

课堂上发生了什么

作者在2021至2023年间对教育技术专业学生组重复运行了三次4C循环。他们衡量了创造力、跨学科概念理解、工程设计质量、团队合作以及任务的心理负荷变化。早期阶段，创造力与设计技能的提升较为有限。这促使团队调整学生配对方式、角色分配与轮换机制，以及创意成果的评判标准。随着每一轮改进，结果逐渐提升。到第三次运行时，学生在创造性思维、关键概念把握、设计能力和协作上都表现出明显进步——尽管构建最终的开放式项目时任务依然感觉心理负荷较重。

对未来学习的启示

对普通读者来说，关键结论是：仅仅把机器人套件交给学生并告诉他们“要有创造力”是不够的。这项研究表明，当教学在结构与自由之间谨慎平衡时，创造力才会成长：先给学生相似的问题以建立信心和共享语言，然后帮助他们提炼并连接底层理念，之后再要求他们去发明新事物。4C模型为希望让机器人课程不仅培养技术技能，还培养应对现实问题所需的那种跨学科、团队协作的创造力的教师提供了一个可操作的路线图。然而，作者也指出，要实现如此有挑战性的学习仍会带来较高的心理负荷；如果我们希望学生在不被压垮的情况下扩展思维，就需要更多的时间和支持。

引用: Liu, X., Zhong, B. Investigating the effects of 4C teaching model on creativity and student learning in robotics education: an action research study. Humanit Soc Sci Commun 13, 564 (2026). https://doi.org/10.1057/s41599-026-06870-4

关键词: 机器人教育, 创造性思维, STEM 教学, 工程设计, 跨学科学习