針對中學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的機器人課程教學模式探究*

羅 莎，何濟玲

（西華師范大學 教育學院，四川 南充 637002）

一、引言

1919年，陶行知先生第一次把“創(chuàng)造”引入教育領域，他在《第一流教育家》中提出要培養(yǎng)具有“創(chuàng)造精神”和“開辟精神”的人才，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力對國家富強和民族振興有重要意義。當前，培養(yǎng)兒童的創(chuàng)新能力主要以積木、橡皮泥等玩具為主，落實到學科教育上是以搭建、簡單編程為主的機器人教育。[1]

目前國內(nèi)對于機器人的關注點主要在比賽上，如FLL等大型的機器人比賽。過度關注比賽使機器人教育理論研究嚴重匱乏，導致機器人教學缺乏有效的理論指導，難以深入到課堂。[2]美國前總統(tǒng)奧巴馬大力推進這種綜合課程的實施，旨在從小培養(yǎng)學生動手、創(chuàng)新、綜合運用科學知識的能力。[3]

STEAM教育的出現(xiàn)可以解決機器人教育遇到的問題，為機器人教育課程設計帶來新的思路，推動機器人教育的發(fā)展。本文主要介紹基于STEAM教育的中小學機器人課程的內(nèi)涵及優(yōu)勢，分析了目前機器人教育的現(xiàn)狀和問題，提出了針對中學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的機器人課程教學模式，以及在STEAM教育理念指引下，以初二學生為研究對象，設計地鐵檢票口機器人教育課程，期望為致力于機器人教育研究的同行提供更多的借鑒。

二、現(xiàn)代教育理念指導下的機器人教育

1.機器人教育理念

科教興國是我國的基本國策。目前科學月、科技周、愛科學活動等全國推廣的各項科學活動，使得全民對于機器人教育非常重視?！秶鴦赵恨k公廳關于印發(fā)全民科學素質行動計劃綱要實施方案（2016-2020年）的通知》再次提出全民科技教育，重點主抓四類人群，其中重點之一是青少年的科學素質教育，符合未來教育發(fā)展趨勢，社會認同度高。機器人教育最重要的是創(chuàng)意理念，教師鼓勵學生在操作機器人的過程中發(fā)現(xiàn)奧妙，發(fā)揮想象力，主動選擇方法操作機器人，即使是天馬行空的制作也沒有關系，時間長了學生的創(chuàng)新能力自然就提高了。

2.STEAM教育和機器人教育

STEAM教育源自美國，在美國的重要性以及普及程度遠遠高于其他國家，在美國大部分中小學都設有STEAM教育的經(jīng)費開支，而STEAM也被教師、校長、教育家們時常說起。STEAM本身強調(diào)的是一種學生動手解決真實世界問題的學習方式，鼓勵試錯的教育理念，在團隊中學習表達與接納的教學方法。強調(diào)學習的過程的STEAM教育和機器人教育的思想不謀而合。[4]基于STEAM教育的機器人課程則是指在機器人課堂上，利用STEAM教育多學科融合的思想，將機器人的知識分解為數(shù)學、物理等多個學科，通過相關學科知識啟發(fā)、誘導學生思考、探索創(chuàng)新機器人的理念，學會將學科知識遷移到生活的方方面面，建立知識間的聯(lián)系，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。通過大量文獻的閱讀，筆者總結出在STEAM教育理念指導下的機器人課程教學的幾大優(yōu)勢。

1.共享學科知識，打破單學科限制

基于STEAM教育的機器人課程打破了學科界限和知識體系，按照學生發(fā)展的階段，以社會和個人最關心的問題為依據(jù)組織教學內(nèi)容。傳統(tǒng)的教學，思考方法較為單一，在數(shù)學課堂上不會想到物理知識點。在經(jīng)濟快速發(fā)展的當下，社會需要綜合性的創(chuàng)新人才，需要將各個學科知識結合起來，生成新的知識點，為社會提供新的想法。年輕人作為推動社會發(fā)展的新鮮血液，需要不斷地提高創(chuàng)新能力。

2.滿足學生求知需求，提高創(chuàng)新能力

在知識大爆炸時代，為了跟上時代的步伐，必須通過不斷學習，提高自身知識儲備量和創(chuàng)新能力。創(chuàng)新能力如何培養(yǎng)呢？重點應在以下幾個方面：激發(fā)學生學習的求知欲望，培養(yǎng)豐富的想象能力。大量的事實證明，如果學生根本就沒有對一件事物的好奇心和強烈的求知欲，即便他們掌握了一定的創(chuàng)新方法和技術，也很難有實際的、有價值的創(chuàng)新行為。因此需要培養(yǎng)學生發(fā)散思維和收斂思維，重視學生的思維變通性。在終身學習理念的推動下，學生可通過學習機器人，提高本身的學習能力和社會競爭力。[5]

三、目前機器人教育的現(xiàn)存問題

開展機器人教育必須以學生為中心，詳細了解學生的優(yōu)缺點，發(fā)展每個學生的能力和信心。通過相關文獻可以發(fā)現(xiàn)目前機器人教育存在以下幾個方面的問題：

1.課堂模式單一，缺乏趣味性

大多數(shù)的機器人課堂是由信息技術教師來講授，這類教師擅長操作和講解軟件，但不擅長給學生講授機器人搭建。因此，大多數(shù)教師按照語文、數(shù)學的授課方式講課，導致機器人課堂授課模式單一，缺乏趣味性。課堂教學主要圍繞教師講授展開，不能體現(xiàn)學生的主體地位。在這種學習模式下，學生只注重一方面能力的鍛煉，忽視各方面能力的共同發(fā)展。長期學習下去，學生對機器人學習的興趣會逐漸降低，創(chuàng)新能力得不到提高。

2.機器人教育理論缺乏

20世紀70年代，中國學術界便開始研究機器人教育。但研究人員把注意力都集中在了機器人比賽上面，造成了機器人教育理論研究的嚴重匱乏，最終導致機器人教學缺乏有效的理論指導，難以深入到課堂。[6]可以說，當前“機器人教育”的發(fā)展狀況明顯滯后于“機器人比賽”的發(fā)展，“課程設計”的研究明顯滯后于“比賽規(guī)則”的研究。

四、中學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式

在新科學技術革命浪潮的推動下，在知識經(jīng)濟、信息化和全球化的沖擊下，科技進步已經(jīng)成為經(jīng)濟發(fā)展的決定性因素。日趨激烈的國際競爭，歸根到底是人才的競爭。人才的培養(yǎng)關鍵在于教育，我們必需全面推進素質教育，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的高素質人才已經(jīng)成為我們在未來競爭中贏得主動權的關鍵?！皠?chuàng)新是一個民族進步的靈魂，是一個國家興旺發(fā)達的不竭動力?！盵7]為了更好地發(fā)展機器人教育，解決原有模式中的問題，提高學生的創(chuàng)新能力。筆者結合目前機器人教育課堂教學成果、機器人競賽等，提出圖1的新教學模式。

圖1 機器人課程教學模式

在教育系統(tǒng)中，最重要的是學生、教師和教學環(huán)境，以往的機器人教育只注重學生和教師的關系，課堂教學的有序開展以及培養(yǎng)創(chuàng)新能力的教學目標被忽視。新教學模式將培養(yǎng)學生的創(chuàng)造力放在第一位，課前和課后可以更好地幫助學生聯(lián)系生活實際、發(fā)散思維、創(chuàng)造性地解決問題。

該教學模式共包含三個環(huán)節(jié)，分別是機器人授課之前、授課過程中、授課結束后。其中，授課過程中是中心，包括展示成果、講解相關知識、搭建編程、操作制作好的機器人以及撰寫實驗報告五個階段，主要采用“課前引起思考、課中講授探索知識+課后遷移提升”的三重創(chuàng)新培養(yǎng)模式。學生課前利用一切生活和課程資源思考教師提出的問題，課中積極探索，遇到不懂的問題咨詢教師，課下根據(jù)自己有興趣的版塊制作有趣的機器人。整個過程思維發(fā)散，易于使學生形成自我的設計思維，在編程的過程中形成嚴密的邏輯思維，通過教師的教導，學會將生活中碰到的實物抽象成學習過的知識點。

整個教學過程是在開放且愉悅的環(huán)境中完成的，更有利于培養(yǎng)學生的自主性。課后學生制作的機器人作品可以分享到機器人課堂上，給更多的學生做榜樣，激發(fā)學生的競爭意識。所有的課程，教師均參與其中，但不對學生作負面的評價，可以積極鼓勵、夸贊學生。通過這樣的方式形成以學生為中心、教師為指導者的教學模式，極大地開發(fā)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，解決學生原有的學習倦怠問題。

五、基于STEAM教育機器人課程教學活動設計

1.課前

上課之前，教師要對學生進行充分的學情分析。[8]機器人教育包括數(shù)學、物理等學科知識，所以在上課前要充分了解學生是否已經(jīng)掌握了這部分內(nèi)容，以方便后續(xù)的教學。同時教師要在課前制作出成品機器人，準備給學生展示，引導學生思考。上課前告訴學生下一節(jié)課要學習的機器人，激發(fā)學生學習的興趣，引導學生在生活中找實際的例子。以地鐵檢票口機器人為例，教師利用實例圖片、視頻等顯示，展示地鐵檢票口的效果，了解觀察檢票口的工作原理。教師要在上課之前制作一個地鐵檢票口機器人成品，以方便后續(xù)教學。

2.課中

授課過程中，首先，教師展示制作出來的地鐵檢票口機器人，結合機器人的動作，講述對應的工作原理。教授相關學科知識，例如傳送帶、電學知識、摩擦力等，把學科知識講述清楚。當學生把學科知識掌握了以后，教師介紹制作地鐵檢票口用到了哪些元件，例如主機、大型電機、超聲波傳感器、顏色傳感器等，剩下的時間就可以交給學生，讓學生根據(jù)教師的提示拼裝機器人。這個時間很重要，很多學生會天馬行空地產(chǎn)生很多拼裝想法，教師要做好正確的引導，幫助學生順利地完成拼裝。

拼裝完成后，學生有很大的成就感，這時教師開始指導學生學習編程，在這個過程中可以鍛煉邏輯思維和編程思維。編程較難，需要教師付出更多的努力，耐心講解。編程完成后，就可以試試自己制作出來的機器人，在學生完成這一系列的操作后，對機器人的興致非常高，這時候教師發(fā)一份報告讓學生填寫，報告內(nèi)容包括學到的學科知識、功能是否實現(xiàn)、存在哪些不足、對自己本節(jié)課的不足進行反思。最后一個環(huán)節(jié)是布置課后任務，讓學生根據(jù)這節(jié)課的內(nèi)容，創(chuàng)新一個同類機器人。

在上課過程中，家長可以通過透明玻璃窗安靜地觀察課堂，查看孩子的上課情況。家長可以通過學生的表情、發(fā)言次數(shù)、肢體動作等分析學生目前的學習狀態(tài)。教師根據(jù)分數(shù)適當?shù)卣{(diào)整教學策略，讓學生達到最佳的教學狀態(tài)，使教師的教學效果最優(yōu)化。

3.課后

在課后，教師通過QQ、微信等社交工具將學生和自己聯(lián)系起來，學生可以將自己創(chuàng)新的機器人作品發(fā)給教師看，教師為學生提供正確的建議，使學生通過整個學習過程，最終達到知識遷移、提高創(chuàng)新能力的目的。

4.預期結果

“把學習帶到現(xiàn)實中，讓孩子用自己的力量創(chuàng)造改變，可以直接提升他們的幸福感和競爭力?！边@是“全球孩童創(chuàng)意行動”的發(fā)起人——Kiran Sethi在TED演講時所說的一句話，這個行動旨在引導中小學生主動尋找現(xiàn)實問題，并創(chuàng)造性地解決它。

世界經(jīng)濟論壇發(fā)布的 “2020年人才市場最看重的10 項技能”中，把“Complex Problem Solving（解決復雜問題）”放在了第一位。[9]世界上所有注重創(chuàng)新教育的國家和地區(qū)，都極其注重訓練孩子解決現(xiàn)實問題的能力。

具體如何訓練呢？筆者期望通過機器人課堂教學法來進行創(chuàng)造力訓練。通過機器人課程能培養(yǎng)學生的設計思維、邏輯思維、計算思維、編程思維和抽象思維，鍛煉學生的動手能力、探究能力、抗挫能力、分析和解決問題的能力。機器人技術綜合了多學科的發(fā)展成果，代表了高端技術的發(fā)展前沿，機器人涉及到信息技術的多個領域，它融合了多種先進技術。將機器人教學引入課堂，能給中學的信息技術課程增添新的活力，成為培養(yǎng)中學生綜合能力、信息素養(yǎng)的優(yōu)秀平臺。

六、小結

1.巧妙的課前引導機制，保障教學質量

新課程教學在教與學方面要求多項交流、交往、互動。教師應該主動走到學生群體中，參與學生的學習與生活，成為學生學習強有力的支持者。如果沒有教師的正確及時引導，學生的學習可能會偏離教學目標，學生的學習可能要走彎路。由此可見，真正落實以學生為中心，有效促進學生各種思維的發(fā)展，教師恰如其分的課堂引導無疑極為重要。[10]課堂教學前，教師通過播放視頻、展示圖片等給予學生正確的引導，帶動學生去主動地思考，聯(lián)系生活實際發(fā)散思維，教師積極的課前引導保障了課堂的正常進行，學生能全身心投入課堂學習，保障教學質量。

2.開放的課堂教學，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力

現(xiàn)代社會，科學技術突飛猛進地發(fā)展，知識經(jīng)濟已嶄露頭角，國際競爭日趨激烈。各國之間的綜合國力競爭，便是人才之間的競爭。[11]未來的人才是創(chuàng)造型的人才，參與競爭的重要條件就是具備獨立獲取信息的能力，掌握學習方法?，F(xiàn)代對人才的要求越來越高，這是社會發(fā)展的必然趨勢。而中學生作為新時代的接班人，他們肩負著重大的責任，而我們從事中學工作的教育者，必須具有更高的創(chuàng)新意識和培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的觀念。特別是機器人教育這一科目，它是培養(yǎng)創(chuàng)造力的基礎。要培養(yǎng)中學生具有創(chuàng)造能力，必須注重課堂教學，實施開放式的課堂教學結構，大膽創(chuàng)新，發(fā)掘學生的思維潛力，把課堂主動權還給學生，以學生為中心，發(fā)揮學生的主體地位，鼓勵學生善于發(fā)問，重視培養(yǎng)學生的競爭意識、善于團結協(xié)作的精神。