基于机器人课程基地平台的 STEM教育实施策略*

    汪小庆 周明龙

    

    

    

    摘 要：STEM教育注重培养学生创新精神和实践能力，注重培养学生解决现实世界真实问题的能力。STEM教育起源于美国，之后逐步在其他国家盛行。随着改革开放的深入、国民经济的发展、综合国力的增长，我国也逐步重视STEM教育在各学段的发展。但由于教育发展不均衡，教育体制、评价制度的不完善，STEM教育理念很难真正全面推行落实。文章以课程基地为平台，在建立STEM教育课程体系、开发STEM教育的课程、开展项目式教学、个性化的教学策略、融合策略和教学评价等方面做了一些探索，期待能为我国STEM教育推广有一定的借鉴意义。

    关键词：STEM教育;课程基地;PBL;课程体系

    中图分类号： G632.0? ? ? ? 文献标志码：A? ? ? ? ? 文章编号：1673-8454（2020）18-0040-05

    2018年9月26—27日，江苏省第二届STEM教育大会召开，会上发布了江苏省STEM教育协同创新研究中心历时两年多所研制的全国首个省级基础教育STEM课程指导纲要《江苏省基础教育STEM课程指导纲要（试行）》。这是首个中国基础教育阶段STEM课程指导纲要，同时与十三个试验区集中签约，成立了STEM研究联盟。这标志着STEM教育在江苏省乃至全国将全面推广。

    为贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》精神，继续深化基础教育教学改革，努力建设有地区、学校特色的名校，开发学校特色课程，江苏省教育厅从2011年开始在普通高中推行课程基地建设。课程基地建设的宗旨是发掘先进的教育教学理念，要体现课程的有效性，目的是提高教学效率，改变学生的学习方式和教师的教学方式。坚持知行合一、因材施教，重在破解教学过程中的重难点，同时注重载体创新。课堂上以学生为中心，因材施教，以学生为主体，教师为辅助，践行先进的教育教学理念，提高教学效率，及时总结教学经验，分享教学成果和教学经验，形成区域教研中心，分区辐射，共同进步。

    一、STEM教育理念

    STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的简称[1]。STEM并不是四门学科简单相加，而是有机组合，整合形成有机整体，旨在培养学生的科学创新精神与解决真实世界问题的实践能力。STEM教育是基础教育课程改革的重要主题与方向。

    STEM教育是一个多重整体性教育理念：①要有连贯性。从幼儿园、小学、初中、高中到大学要有连贯的课程、完整的课程体系。各学段STEM课程要有联系，难易程度要有统一的梯度，有先导课程和后续课程。②要有规范性。要有统一的课程标准、指导纲要等政府官方文件指导，以及规范的教材教参。③评价标准要有多维性。对STEM教育的评价要从多维度开展，注重过程性评价，淡化结果性评价。④要有高水平、完备的师资队伍。STEM教育在中国才刚刚起步，它是多学科知识的融合，而不是简单相加，这要求教师有很高的STEM素养，才能指导学生联系多学科知识融合。STEM教育教学多采用项目式学习、设计型学习等组织开展，这也要求教师要有很高的综合运用多学科知识的能力。⑤学生也要有完备的STEM素养。不管是项目式学习还是多学科融合，最终都是学生自主学习，学生要有很高的信息技术素养，才能完成学习任务所要求的技术素养。⑥学生需具备多方面的兴趣爱好。STEM教育是多学科融合的教育，学生要掌握多学科知识的应用，就需要有多方面的爱好，否则将无法长时间对多学科学习保持长久的兴趣。⑦要有本土化和原创性。注重中国文化和地方特色元素融入，倡导STEM课程的本土原创性和校本适切性。

    二、基于课程基地的STEM课程体系

    STEM教育是一个系统工程，要融合多学科知识，需要全校统筹，统一行动。因此我们成立了STEM教育发展中心，邀请本校多学科教师参与备课、上课，同时邀请了高校专家在课程设置、课程开发、项目式教学方案设计等方面进行全方位指导。

    机器人课程基地的建成运行对学校原有校本课程产生了重大影响，学校重组原有校本课程，建立起图1所示以机器人课程为核心、六个项目模块为基础的总体校本课程体系。用项目模块化方式对校本课程重新进行全面梳理、整合，构建了实践课程等六个模块，为建立具有江中文化特色的校本课程体系奠定基础。

    我校重点依托省级机器人课程基地，针对高中学生的兴趣、认知规律，将国家课程和科技类校本课程整合，建立起以STEM理念下机器人课程为核心的校本课程体系（见表1），引领教师教学方式和学生学习方式发生根本改变。整个课程的开设并不是一成不变，课程设置是与时俱进的。

    三、STEM教育实施策略与课程实施过程

    STEM课程体系中包括国家课程和校本课程：国家必修、国家选择性必修、国家选修，校本必修、校本选修。课程涵盖高中三年，课程难度由易到难，逐步推进，高二高三阶段的选修课以社团形式展开。学生在学习国家课程的基础上，还必须学习基础必修校本课程《乐高EV3软件编程一本通》和《电子百拼》，合计得10个学分（《信息技術》两个学分，《通用技术》两个学分）才能毕业。其他选修校本课程可以任选，可以多选，最多不能超过2门。笔者将从以下方面来阐述STEM课程实施过程。

    1.教学目标

    总体目标是通过STEM课程的学习体验，培养学生科学创新精神和实践能力，培养德智体美劳五育并举、全面发展的社会主义接班人，最终达到立德树人的目的。

    课程以课程基地为平台，通过提供丰富的软硬件资源和最新技术的数字化环境，引导学生掌握STEM教育的理念，逐步了解STEM教育的规律，认识STEM教育在人们日常工作学习中的重要价值，学会运用多学科知识融合解决现实生活的真实问题。如：《数学建模—机器人》这门选修课安排在高三上学期，过程是先用数学建模的方法建立问题求解的数学模型，通过真实数据用数学的方法验证模型的科学性与可行性，模型通过了验证，这样就打下了解决问题的理论基础，再用机器人工程设计思想和机器人的软硬件资源实现数学模型，应用于生产生活。目标是培养学生学会运用数学的方法解决生活中的实际问题，同时为学生走进大学打好高中与高校衔接基础，不至于到大学进了实验室时茫然无措。

    高一下学期开设了国家课程《数据与数据结构》（国家选择性必修）和《技术与设计2》（必修），校本课程《FLL机器人工程设计》和《结构设计》。依然采用校本课程与国家课程融合的方式解决问题。《技术与设计2》第一章就讲到结构的稳定性，与《结构设计》校本课程相吻合。这样可能会有课时不足的问题，解决办法是周六下午开放实验室，让没完成任务的小组自行完成学习任务，赶上课时进度。

    ②开设大量的校本课程选修课

    在高二、高三共开设了6门STEM选修课，都有相应的实验室，能安排整班上课。这些课程的难度都是渐进的，与高一所学校本课程都有依存性，能保證学生学习的连贯性。

    ③组建兴趣小组

    兴趣小组主要以参赛小组为单元、单个竞赛项目为平台组建，不同班级、不同年级的相同竞赛项目，依据学校的参赛规模组建，主要任务是参加国家、省、市的各级比赛。活动时间在周日下午，有指导教师指导。

    ④组建社团

    社团的性质不同于兴趣小组，目的不是参赛，而是大家对某个问题有共同的爱好和浓厚的兴趣才走到一起。人员也不统一，有学校各个年级感兴趣的学生，还有校外的专家、社区爱好者、专业知识较强的高年级校友，甚至可以通过互联网虚拟社区组织相关爱好者一起努力。在社团里大家地位均等，共同研究。活动时间在周六晚上，没有指导教师，学校只提供场地和器材，由管理员负责。

    通过实践探索，我校已经形成了国家课程、校本课程、兴趣小组和社团四位一体的全覆盖，保证全体学生都能享受STEM教育带来的快乐！

    8.融合策略

    （1）课程体系中整体融合

    课程体系由基础课程→拓展课程→研究课程→创新课程组成，课程之间有内在联系，从前导课程到后续课程，难度逐步推进，逐步融合，为学生学习能力培养提供了深层次空间。尤其是创新课程《数学建模—机器人》在整个课程体系中是一个最后总结统领性的课程，综合融合了S、T、E、A、M等多学科知识，见图3。

    （2）分科课程精细化融合

    分科课程在设计过程中要充分考虑到多学科知识的融合，教学内容要适合项目式教学。《信息技术》课程就融合了数学的算法（1.2数据的计算中活动2，借助电子表格软件解决“鸡兔同笼”问题）、科学的信息学、技术中的数据加工技术（2.2做出判断的分支，2.3周而复始的循环）。《通用技术》更是融合了科学、技术、工程、艺术和数学等内容，如《技术与设计2》中结构、流程、系统和控制这些系统设计，都包含了科学、技术、工程和数学知识的应用，通用技术的其他选修课程更是如此。校本选修课程《创意机器人设计》中的每一个案例教学设计都重点强调各科知识的融合。如图4所示的无动力转向小车（没有转向动力），首先是科学性，遵循能量守恒定律;技术性强调的是结构设计，转向结构设计的创新性;学生小组设计制作要有工程系统的概念，在项目式学习过程中嵌入工程系统过程，学生按步骤完成，完成每一步的设计日志;用数学的方法计算，建立数学几何模型，设计最小的转弯半径;设计过程中要整体考虑小车的美观性。

    （3）学习过程践行融合

    知识的融合不应仅仅是在教材、教师和学生中机械地强调融合，而应在教学实践过程中践行融合，要活学活用。机器人创意社团在研究机器人（EV3）走黑线时，对于怎么能让机器人走得又快又稳（一般机器人走黑线的三种方案中都会有左右摇摆的现象），社团学生和教师测试了很多方法，都不能消除摇摆现象，只是摇摆幅度大小的不同，后来有学生在网络论坛里学习到PID控制EV3乐高机器人走黑线，通过修改Kp比例系数，达到一个最佳值，保证小车平稳运行，在此基础上社团师生共同再研究了基于视觉的PID控制板球项目，此项目的PID公式、控制流程和程序如图5、图6、图7所示。

    在教学过程中要鼓励学生去创新、去融合，尤其是开放学科课程。学生自主的学习探究、习得的成果与养成的习惯才是学生终生学习的基础。PID是现代计算机控制领域应用非常广泛的技术，高中生要掌握比较难，但他们在社团活动中遇到了问题，进而想到要怎么去解决，自己解决不了，再去寻求帮助，找导师、找校外教授等帮助他们实现PID控制，这是最有价值的知识融合。

    （4）评价过程重视融合

    在评价过程中实施多维评价，评价指标中加入知识融合度、在解决问题过程中融合了哪些学科知识都需要综合考虑，不能为了融合而融合，而要在方案最优的情况下通过融合多学科知识解决问题，提高效率。

    四、反思与展望

    STEM教育的最终目的是培养学生科学创新精神和动手实践能力，培养解决真实世界问题的能力。STEM教育是社会发展的需要，也是社会发展的必然结果，是目前全世界各国所推崇的一种教育理念。但在我国目前的教育体制下，STEM教育并没有落到实处，还有很长的路要走。很多学校投资很大，场地设备很先进，但学生真正接受的还是应试教育，尤其是初高中阶段。以前我们的学科是越分越细，学生习得的知识偏窄，这样的知识体系已经不能适应今天的社会需要。

    在科技飞速发展的今天，随着大数据、云计算、人工智能和5G技术的发展应用，人类处理数据的能力大大增强，工程项目设计，施工过程所需的学科门类增多了，所以当今社会所需要的是知识复合型人才。以前的项目设计实施很少用到数学建模，但随着信息技术的发展和虚拟现实的广泛应用，大多数的项目可以在前期认证时进行数学模型的建设，用以模拟出现实世界的效果，这大大提高了项目建设的效率和风险防范能力。

    社会是要向前发展的，世界也是要向前发展的，是不以个人意志为转移的。教育要适应社会、科学、人文的发展，真正做到STEM教育的普及与推广。全面推行教育教学改革，尤其是评价制度，升学率不能是唯一的评价指标，不能只重视结果评价，要重视过程性评价。加快课程改革，增设综合类学科（STEM课程），纳入学校、教师、学生和校长的考核范围，为我国社会发展、国家强盛做出贡献，STEM教育必将有美好的未来。

    参考文献：

    [1]余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015，21（4）：13-22.

    [2]张君瑞.“基于设计的学习（DBL）”理论与实践探索[D].扬州：扬州大学，2011.

    [3]普通高中《信息技术》课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社.

    [4]余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015，21（4）：13-22.（编辑：鲁利瑞）