基于STEAM的机器人教育课程探究与实践

    蒙庆华 方锦烘 李一凡 黄志群

    

    摘要：随着时代的发展、科学技术的进步，steam教育作为一种新型教学模式受到关注。机器人教学涉及自动化、机械、电子信息、数学等多个学科，探究STEAM教育与机器人教学融合的教学模式，有助于提高学生的创新能力。文章通过分析国内外机器人教学现状，构建了分层次、整合为重、校企合作、师资储备的课程体系，并阐述了STEAM机器人教育的课程活动设计流程，能够使学生得到全面发展，培养其“工匠精神”，更好地将科学创新服务于社会。

    关键词：STEAM教育;机器人教育;创新能力;课程设计

    中图分类号：G423 ? ? ? 文献标志码：A ? ? ? ? ?文章编号：1673-8454（2020）04-0043-04

    一、引言

    进入21世纪以来，在教育领域，机器人教学正在发生强烈的变革。STEAM整合教育旨在将科学、技术、工程、艺术、数学五门独立学科知识密切联系，进而促进学习主题科目领域与现实世界的联系。STEAM教育这种新颖的教学模式，具备知识跨学科、亲身体验性、自主设计性、团队协作性、学习趣味性等特征。根据机器人教学课程学科的交叉融合性和实践操作性，将STEAM教育与机器人教学相融合，适合信息时代机器人教育领域的发展趋势。因此构建STEAM机器人教育课程体系，建设STEAM教育基地，将学习者置身于科学、技术、工程、艺术、数学五门学科知识综合教育的教学情境中，不仅可以掌握及巩固机器人的各种知识，还可以扩展对科学、技术、工程等领域知识的理解，从而培养其创新意識和创业能力。

    二、国内外机器人教育现状

    自20世纪80年代初，国外的学校就相继开展了机器人教育课程。STEAM教育是美国最先开展的新型教育模式，美国麻省理工学院开设《认知机器人学》《机器人学导论》等课程。机器人教育也有着多种多样的形式，其中主要有课外活动、实验设计、夏令营活动等[1][2]。日本极其注重机器人产业化的发展，虽然起步比美国晚，但其机器人教育和机器人产业得到了普及。日本的大学普遍设立有高水平的机器人研究会以及机器人教育协会，每年定期组织针对不同学龄学生开展机器人设计和制作大赛，促进机器人教育的快速发展[3]。

    在“互联网+”时代的背景下，我国教育与技术的全面融合得到发展，很多学校都开设有机器人教育课程，并且对机器人教育有了相当深入的研究。清华大学、哈尔滨工业大学、北京理工大学、北京航天航空大学等高校在机器人教学与教育技术融合的创新方面进行研究并取得了一定的进展。

    近年来我国也陆续对STEAM教学融合展开研究，在教育的概念辨析、教学设计、实验实践、实施方案等多方面进行研究。其中，有的研究将中学机器人教育与STEAM教育在教学目标、教学内容、教学策略、教学评价等方面进行融合式的研究，阐述了机器人教学与STEAM教育融合的必然性。有的研究将创客教育与STEAM教育在概念的起源、教育目标、教学内容、教学过程与师生关系的异同进行多方面比较，总结了两者在课程设置、资源整合、师生能力、评价体系等方面存在的问题以及所面临的挑战[4-6]。

    总体而言，我国通过借鉴国外的优秀机器人教育教学经验，分析探索机器人教学与STEAM教育融合的背景特点、教学模式，并有了一定的研究进展。但是，我国的机器人融合式教学体系还不成熟，存在师资储备短缺等方面的不足，除去部分重点学校，国内将机器人教学作为学科专业的学校很少，机器人教学与STEAM教学融合的相关平台更是缺少。在此情况下，本文将从教学体系方面进行思考与总结，提出完善STEAM机器人教育体系的建议，以期搭建能够普遍实施的STEAM机器人教学模式。

    三、STEAM机器人教学体系建设

    STEAM教学使割裂的学科得以有机的整合，使学科教育不再局限于单方面学科本身。鉴于机器人教学本身涉及自动化、机械工程、电子信息、数学等多方面的知识，将STEAM教学模式应用到机器人教育，针对在STEAM教学模式下的机器人教学中存在的问题展开探究，提出有效的解决问题方法。本文所构建的STEAM机器人教学体系框架如图1所示。

    1.教育体系分层次、整合程度差异化

    以建立分层次、整合程度差异化的STEAM机器人教学体系为目标，以“玩中学”“兴趣驱动”“项目体验”的课程设计理念，完成教学体系构建的各项工作。

    第一阶段，机器人基础课程教学。这个阶段学生主要学习“机器人动力机械搭建”，通过为学生提供专业的设计类活动主题以及配套器材，让学生搭建功能结构多样复杂的装置与模型，使学生对机器人有基础的理解，在编程语言、动手、创新能力方面建立基础，从而掌握基本程度的STEAM综合知识。从教学目标上来看，学生以一些实际的生活案例为主题，在教师的引导下初步建立机器人与机械工程知识的整合与理解，培养学生在生活中解决实际问题的能力，锻炼学生的逻辑思维能力、独立思考能力，进而延伸到培养其创新能力。

    第二阶段，机器人编程及初步应用。这个阶段学生主要学习“Scratch创意编程”“ROBOTC中级课程”以及“C语言程序”等课程，学生通过使用计算机技术平台，掌握机器人编程及机器人传感技术，运用C语言对机器人硬件进行控制，并使机器人进行简单的工程搭建和数学领域应用。此阶段主要培养学生的逻辑思维能力、动手实践能力。

    第三阶段，个性化项目系统教学。这个阶段主要进行机器人整合项目的学习，通过智能巡线小车、智能工程分拣机器人、仿生机器人等项目的挑战，以解决实际问题为主线，解决机器人工程的实践问题，将科学、技术、工程、艺术、数学等多学科领域整合运用到机器人的设计与制作中。

    整个课程教学安排体现ADDIE设计理念分析（Analysis分析、Design设计、 Development开发、Implementation实施、Evaluation评估）。通过项目学习，将不同认知水平的学生广泛纳入到课程体系的不同阶段之中，通过课程实践项目难度的差异化设计，使不同层次的机器人知识与机器人技术融合在STEAM不同程度的教学中。这种教育体系分层次，在整合程度差异化的课程下，学生根据自身的兴趣，通过动手实践，培养了创新意识和能力。

    2.课程建设项目引领、整合为要

    STEAM机器人教学体系是按需分配的系统工程，要求学生通过STEAM机器人的学习，除了认识机器人的相关知识外，也学习各个学科的知识，之后再将各科的知识运用到机器人的设计、制作以及解决生活中的实际问题中。

    项目引领、整合为要的课程建设理念贯穿于三个阶段的教学工作中，每个阶段各有侧重点。初学教育阶段，学生对机器人认识不足、机器人知识薄弱、动手能力弱，但是学习兴趣高、可塑性强，最适合学习机器人的基础知识。该阶段主要的教学任务就是通过有趣的项目融合简单的机械工程教学，使学生具有较强的参与度。例如，学生可以通过亲自参与机器人动力机械搭建，建立对轮子与轮轴、杠杆、滑轮和齿轮四个基本机械原理的认识并有初步的理解。通过简单的机器人机械设计学习，提高学生对机器人的学习热情，激发学习兴趣。

    3.校企合作、创新创业

    通过初步的机器人理论学习和实践锻炼，教师就可以对学生进行更深层次的教学。在深层次教学工作方面，以项目引领，集中在实践应用层面，例如美国项目领路PLTW（全称为Project Lead The Way）提供具有创新模块的课程内容，鼓励学生参与基于项目的、基于问题的机器人学习。通过多方合作的STEAM项目学习平台，学生可以将自己所学的知识运用到现实的问题解决中，通过探究学习将想法变成实物，从而培养学生的探究学习精神和创新创业能力。

    以南宁市校外教育活动中心为例，教育机构与企业联合建立“STEAM Robot Lab”，学生运用STEAM机器人整合知识自主制作创新产品，如VEX工程搭建机器人。在制作过程中，教师通过引导学生利用所学科学、技术、工程、艺术、数学等学科知识完成机器人的制作，企业通过STEAM教育平台研发需求的教育机器人，而学生则通过机器人的制作将自己的创新设计技能应用到创业基础中。

    四、實施方案

    1.建立三层构架的教学体系，提升学生知识整合能力

    以STEAM机器人教学的三个层次作为载体整合体系内容，逐步整理课程间的逻辑关系。建立整合程度差异化的教学体系，由浅至深，尽量使学生能够循序渐进地接受多学科知识整合的机器人教学，避免知识割裂使学习层次缺乏联系。

    （1）丰富层次内容。针对三个不同的层次，设立适合的内容，第一层次中设立嵌入式课程，学生通过嵌入工具学习机器人基础知识型课程，获取机械工程知识。第二层次，紧密联系上个层次的知识，明确不同硬件所需的编程知识，通过计算机技术和数学应用，让学生将程序应用到对应的机器人中，避免学生程序编入方向错乱。第三层次，关注学生解决问题的能力，设计接近实际生活的项目，这种项目需要学生综合运用科学、技术、工程、艺术、数学等多个学科的知识与技能，培养知识整合的能力。

    （2）尝试教学体系。开设尝试教学板块，将新开发的课程教学体系应用到教学工作中，引导学生在改革后的课程教学体系中学习，并完成相应的学习任务，教师对各个环节实施过程观察，并反馈存在的问题。

    （3）修正教学体系缺陷。在尝试教学后，接收反馈并及时修正改进，通过“尝试教学—发现问题—解决问题—改进体系—再进行尝试教学”的渐进途径，最终形成符合STEAM教育理念的机器人教学体系。

    2.完善STEAM教学基地，培养全面发展的创新型人才

    （1）完善资源。开设多样的实验室，强化实验室的特色。根据嵌入式课程、项目型课程、整合性学科课程的需要整理机器人设备、相关软硬件，明确学习的需要与教学环节紧密联合。

    （2）建立管理制度。为了让资源得到更好的使用，必须建立基地管理制度，保护实验设备、教学工具的完整，使教学基地建设得以有序推进。

    （3）政策支持。自20世纪80年代以来，美国制定实行了近20项与STEAM教育相关的政府报告及对策，其STEAM教育的成功离不开政策的支持。在我国，STEAM教育刚进入到国策的视野，仍缺少专门有针对性的政策支持。

    3.实现STEAM机器人学习生态系统

    （1）多样的课程。要实现STEAM机器人学习生态系统，整个学习过程都固定在学校是不够的，还要开展如夏令营、家庭同行等特色课程活动，使学生感受到在不同情境学习的乐趣，激发其学习热情。

    （2）优质的师资储备。当前的教师团队大部分是在基础教学领域分科教学培养出来的，很多时候不适用于STEAM教育多学科整合的机器人课程，所以需要建设专门培养具有STEAM综合素养的教师团队机构，并将不同学科领域的教师组合起来进行协同施教，促进优质师资的储备。

    （3）多方创造学习环境。STEAM学习生态系统行动计划需要多方的联合努力，学校、家庭、企业都能够创造合适的学习环境，企业可以为学校提供STEAM机器人教学项目，家庭环境帮助激发学生对机器人的学习兴趣，提高学生对学习的体验，多方合力为STEAM机器人教育提供便利。

    五、STEAM机器人教育课程的设计案例——智能巡线小车

    案例以教学过程的三阶段为依据开展，采用学科整合教学方式进行教学，培养学生的创新实践能力及STEAM学科综合素养。案例选用Arduino主控器和L298驱动直流电机，学生学习本案例需要具备一定程度的Arduino编程知识。本案例主题（项目主题）为智能巡线小车，课程目标如表1所示。

    对本案例而言，活动流程也可以认为是课程教学流程。教学过程中，教师引导学生自主设计、完成主要任务。学生以小组协作的方式共同完成任务，教师负责引导教学全过程，实时收集课程中存在的问题，并在每个阶段操作结束后对整体出现的问题进行统一分组解答。

    STEAM机器人教育课程注重创作成果，同时更多关注学习过程中的能力发展。课程评价以过程性评价为主。通过对STEAM机器人教育课程的开发，STEAM教育与机器人教育相融合，有助于培养学生的学习兴趣，提高学生的综合素养和解决问题能力。开发适合我国教育现状的STEAM机器人教育模式，有助于推动我国机器人教育的发展。希望更多研究者关注STEAM教育与机器人教育融合，寻求更大的突破，使STEAM机器人教育越来越成熟，教学体系得以不断完善，形成健康的机器人教育发展生态。

    参考文献：

    [1]王益，张剑平.美国机器人教育的特点及其启示[J].现代教育技术，2007（11）：108-112.

    [2]赵慧臣，周昱希，李彦奇，等.跨学科视野下“工匠型”创新人才的培养策略——基于美国STEAM教育活动设计的启示[J].远程教育杂志，2017，35（1）：94-101.

    [3]杨亚平.美国、德国与日本中小学STEM教育比较研究[J].外国中小学教育，2015（8）：23-30.

    [4]高云峰.创客与STEAM教育结合的实践[J].力学与实践，2016，38（1）：74-77.

    [5]吴振宇，刘禹彤，冯林.机器人实践教学体系改革探索[J].实验室研究与探索，2017，36（6）：192-195.

    [6]钟柏昌，张禄.项目引路（PLTW）机构的产生、发展及其对我国的启示[J].教育科学研究，2015（5）：63-69.

    （编辑：鲁利瑞）