針對中學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的機(jī)器人課程教學(xué)模式探究

羅莎 何濟(jì)玲

摘 要：當(dāng)前機(jī)器人課程作為機(jī)器人教育的載體，在STEAM教育的影響下，逐漸生成一種新型教學(xué)模式。文章闡述了基于STEAM教育的中學(xué)機(jī)器人課程的內(nèi)涵及優(yōu)勢，分析了機(jī)器人教育的現(xiàn)狀和問題，在此基礎(chǔ)上提出了針對中學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的機(jī)器人課程教學(xué)模式，并以初二學(xué)生為研究對象，設(shè)計了地鐵檢票口機(jī)器人教育課程，并對其教學(xué)過程和效果進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵詞：STEAM教育;機(jī)器人教育;教學(xué)模式

中圖分類號：G420? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ? ?文章編號：1673-8454（2019）06-0026-04

一、引言

1919年，陶行知先生第一次把“創(chuàng)造”引入教育領(lǐng)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(xué)生的創(chuàng)新能力對國家富強(qiáng)和民族振興有重要意義。當(dāng)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(shí)到學(xué)科教育上是以搭建、簡單編程為主的機(jī)器人教育。[1]

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

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

1.機(jī)器人教育理念

科教興國是我國的基本國策。目前科學(xué)月、科技周、愛科學(xué)活動等全國推廣的各項(xiàng)科學(xué)活動，使得全民對于機(jī)器人教育非常重視?！秶鴦?wù)院辦公廳關(guān)于印發(fā)全民科學(xué)素質(zhì)行動計劃綱要實(shí)施方案（2016-2020年）的通知》再次提出全民科技教育，重點(diǎn)主抓四類人群，其中重點(diǎn)之一是青少年的科學(xué)素質(zhì)教育，符合未來教育發(fā)展趨勢，社會認(rèn)同度高。機(jī)器人教育最重要的是創(chuàng)意理念，教師鼓勵學(xué)生在操作機(jī)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(jī)器人，即使是天馬行空的制作也沒有關(guān)系，時間長了學(xué)生的創(chuàng)新能力自然就提高了。

2.STEAM教育和機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他國家，在美國大部分中小學(xué)都設(shè)有STEAM教育的經(jīng)費(fèi)開支，而STEAM也被教師、校長、教育家們時常說起。STEAM本身強(qiáng)調(diào)的是一種學(xué)生動手解決真實(shí)世界問題的學(xué)習(xí)方式，鼓勵試錯的教育理念，在團(tuán)隊(duì)中學(xué)習(xí)表達(dá)與接納的教學(xué)方法。強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的過程的STEAM教育和機(jī)器人教育的思想不謀而合。[4]基于STEAM教育的機(jī)器人課程則是指在機(jī)器人課堂上，利用STEAM教育多學(xué)科融合的思想，將機(jī)器人的知識分解為數(shù)學(xué)、物理等多個學(xué)科，通過相關(guān)學(xué)科知識啟發(fā)、誘導(dǎo)學(xué)生思考、探索創(chuàng)新機(jī)器人的理念，學(xué)會將學(xué)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(xué)生的創(chuàng)新能力。通過大量文獻(xiàn)的閱讀，筆者總結(jié)出在STEAM教育理念指導(dǎo)下的機(jī)器人課程教學(xué)的幾大優(yōu)勢。

1.共享學(xué)科知識，打破單學(xué)科限制

基于STEAM教育的機(jī)器人課程打破了學(xué)科界限和知識體系，按照學(xué)生發(fā)展的階段，以社會和個人最關(guān)心的問題為依據(jù)組織教學(xué)內(nèi)容。傳統(tǒng)的教學(xué)，思考方法較為單一，在數(shù)學(xué)課堂上不會想到物理知識點(diǎn)。在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的當(dāng)下，社會需要綜合性的創(chuàng)新人才，需要將各個學(xué)科知識結(jié)合起來，生成新的知識點(diǎn)，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(xué)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(xué)習(xí)，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(diǎn)應(yīng)在以下幾個方面：激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的求知欲望，培養(yǎng)豐富的想象能力。大量的事實(shí)證明，如果學(xué)生根本就沒有對一件事物的好奇心和強(qiáng)烈的求知欲，即便他們掌握了一定的創(chuàng)新方法和技術(shù)，也很難有實(shí)際的、有價值的創(chuàng)新行為。因此需要培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維和收斂思維，重視學(xué)生的思維變通性。在終身學(xué)習(xí)理念的推動下，學(xué)生可通過學(xué)習(xí)機(jī)器人，提高本身的學(xué)習(xí)能力和社會競爭力。[5]

三、目前機(jī)器人教育的現(xiàn)存問題

開展機(jī)器人教育必須以學(xué)生為中心，詳細(xì)了解學(xué)生的優(yōu)缺點(diǎn)，發(fā)展每個學(xué)生的能力和信心。通過相關(guān)文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)目前機(jī)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(jī)器人課堂是由信息技術(shù)教師來講授，這類教師擅長操作和講解軟件，但不擅長給學(xué)生講授機(jī)器人搭建。因此，大多數(shù)教師按照語文、數(shù)學(xué)的授課方式講課，導(dǎo)致機(jī)器人課堂授課模式單一，缺乏趣味性。課堂教學(xué)主要圍繞教師講授展開，不能體現(xiàn)學(xué)生的主體地位。在這種學(xué)習(xí)模式下，學(xué)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(xué)習(xí)下去，學(xué)生對機(jī)器人學(xué)習(xí)的興趣會逐漸降低，創(chuàng)新能力得不到提高。

2.機(jī)器人教育理論缺乏

20世紀(jì)70年代，中國學(xué)術(shù)界便開始研究機(jī)器人教育。但研究人員把注意力都集中在了機(jī)器人比賽上面，造成了機(jī)器人教育理論研究的嚴(yán)重匱乏，最終導(dǎo)致機(jī)器人教學(xué)缺乏有效的理論指導(dǎo)，難以深入到課堂。[6]可以說，當(dāng)前“機(jī)器人教育”的發(fā)展?fàn)顩r明顯滯后于“機(jī)器人比賽”的發(fā)展，“課程設(shè)計”的研究明顯滯后于“比賽規(guī)則”的研究。

四、中學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式

在新科學(xué)技術(shù)革命浪潮的推動下，在知識經(jīng)濟(jì)、信息化和全球化的沖擊下，科技進(jìn)步已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)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(guān)鍵在于教育，我們必需全面推進(jìn)素質(zhì)教育，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才已經(jīng)成為我們在未來競爭中贏得主動權(quán)的關(guān)鍵?！皠?chuàng)新是一個民族進(jìn)步的靈魂，是一個國家興旺發(fā)達(dá)的不竭動力?！盵7]為了更好地發(fā)展機(jī)器人教育，解決原有模式中的問題，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。筆者結(jié)合目前機(jī)器人教育課堂教學(xué)成果、機(jī)器人競賽等，提出圖1的新教學(xué)模式。

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

該教學(xué)模式共包含三個環(huán)節(jié)，分別是機(jī)器人授課之前、授課過程中、授課結(jié)束后。其中，授課過程中是中心，包括展示成果、講解相關(guān)知識、搭建編程、操作制作好的機(jī)器人以及撰寫實(shí)驗(yàn)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(xué)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(jī)器人。整個過程思維發(fā)散，易于使學(xué)生形成自我的設(shè)計思維，在編程的過程中形成嚴(yán)密的邏輯思維，通過教師的教導(dǎo)，學(xué)會將生活中碰到的實(shí)物抽象成學(xué)習(xí)過的知識點(diǎn)。

整個教學(xué)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(xué)生的自主性。課后學(xué)生制作的機(jī)器人作品可以分享到機(jī)器人課堂上，給更多的學(xué)生做榜樣，激發(fā)學(xué)生的競爭意識。所有的課程，教師均參與其中，但不對學(xué)生作負(fù)面的評價，可以積極鼓勵、夸贊學(xué)生。通過這樣的方式形成以學(xué)生為中心、教師為指導(dǎo)者的教學(xué)模式，極大地開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，解決學(xué)生原有的學(xué)習(xí)倦怠問題。

五、基于STEAM教育機(jī)器人課程教學(xué)活動設(shè)計

1.課前

上課之前，教師要對學(xué)生進(jìn)行充分的學(xué)情分析。[8]機(jī)器人教育包括數(shù)學(xué)、物理等學(xué)科知識，所以在上課前要充分了解學(xué)生是否已經(jīng)掌握了這部分內(nèi)容，以方便后續(xù)的教學(xué)。同時教師要在課前制作出成品機(jī)器人，準(zhǔn)備給學(xué)生展示，引導(dǎo)學(xué)生思考。上課前告訴學(xué)生下一節(jié)課要學(xué)習(xí)的機(jī)器人，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，引導(dǎo)學(xué)生在生活中找實(shí)際的例子。以地鐵檢票口機(jī)器人為例，教師利用實(shí)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(jī)器人成品，以方便后續(xù)教學(xué)。

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(jī)器人，結(jié)合機(jī)器人的動作，講述對應(yīng)的工作原理。教授相關(guān)學(xué)科知識，例如傳送帶、電學(xué)知識、摩擦力等，把學(xué)科知識講述清楚。當(dāng)學(xué)生把學(xué)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(jī)、大型電機(jī)、超聲波傳感器、顏色傳感器等，剩下的時間就可以交給學(xué)生，讓學(xué)生根據(jù)教師的提示拼裝機(jī)器人。這個時間很重要，很多學(xué)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(dǎo)，幫助學(xué)生順利地完成拼裝。 拼裝完成后，學(xué)生有很大的成就感，這時教師開始指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)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(jī)器人，在學(xué)生完成這一系列的操作后，對機(jī)器人的興致非常高，這時候教師發(fā)一份報告讓學(xué)生填寫，報告內(nèi)容包括學(xué)到的學(xué)科知識、功能是否實(shí)現(xiàn)、存在哪些不足、對自己本節(jié)課的不足進(jìn)行反思。最后一個環(huán)節(jié)是布置課后任務(wù)，讓學(xué)生根據(jù)這節(jié)課的內(nèi)容，創(chuàng)新一個同類機(jī)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(xué)生的表情、發(fā)言次數(shù)、肢體動作等分析學(xué)生目前的學(xué)習(xí)狀態(tài)。教師根據(jù)分?jǐn)?shù)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整教學(xué)策略，讓學(xué)生達(dá)到最佳的教學(xué)狀態(tài)，使教師的教學(xué)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(xué)生和自己聯(lián)系起來，學(xué)生可以將自己創(chuàng)新的機(jī)器人作品發(fā)給教師看，教師為學(xué)生提供正確的建議，使學(xué)生通過整個學(xué)習(xí)過程，最終達(dá)到知識遷移、提高創(chuàng)新能力的目的。

4.預(yù)期結(jié)果

“把學(xué)習(xí)帶到現(xiàn)實(shí)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(dǎo)中小學(xué)生主動尋找現(xiàn)實(shí)問題，并創(chuàng)造性地解決它。

世界經(jīng)濟(jì)論壇發(fā)布的“2020年人才市場最看重的10項(xiàng)技能”中，把“Complex Problem Solving（解決復(fù)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(xùn)練孩子解決現(xiàn)實(shí)問題的能力。

具體如何訓(xùn)練呢？筆者期望通過機(jī)器人課堂教學(xué)法來進(jìn)行創(chuàng)造力訓(xùn)練。通過機(jī)器人課程能培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計思維、邏輯思維、計算思維、編程思維和抽象思維，鍛煉學(xué)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(jī)器人技術(shù)綜合了多學(xué)科的發(fā)展成果，代表了高端技術(shù)的發(fā)展前沿，機(jī)器人涉及到信息技術(shù)的多個領(lǐng)域，它融合了多種先進(jìn)技術(shù)。將機(jī)器人教學(xué)引入課堂，能給中學(xué)的信息技術(shù)課程增添新的活力，成為培養(yǎng)中學(xué)生綜合能力、信息素養(yǎng)的優(yōu)秀平臺。

六、小結(jié)

1.巧妙的課前引導(dǎo)機(jī)制，保障教學(xué)質(zhì)量

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

2.開放的課堂教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

現(xiàn)代社會，科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)地發(fā)展，知識經(jīng)濟(jì)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(dú)立獲取信息的能力，掌握學(xué)習(xí)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(xué)生作為新時代的接班人，他們肩負(fù)著重大的責(zé)任，而我們從事中學(xué)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(jī)器人教育這一科目，它是培養(yǎng)創(chuàng)造力的基礎(chǔ)。要培養(yǎng)中學(xué)生具有創(chuàng)造能力，必須注重課堂教學(xué)，實(shí)施開放式的課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)，大膽創(chuàng)新，發(fā)掘?qū)W生的思維潛力，把課堂主動權(quán)還給學(xué)生，以學(xué)生為中心，發(fā)揮學(xué)生的主體地位，鼓勵學(xué)生善于發(fā)問，重視培養(yǎng)學(xué)生的競爭意識、善于團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。

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（編輯：李曉萍）