基于STEAM的機(jī)器人課程在小學(xué)教育的應(yīng)用意義及教學(xué)實(shí)踐探討

周燕園

摘 要：在珠海香洲區(qū)STEAM大賽Makeblock Mbot機(jī)器人項(xiàng)目中，發(fā)現(xiàn)基于STEAM的機(jī)器人課程可有效發(fā)展小學(xué)生解決問題、溝通合作、實(shí)踐創(chuàng)新等綜合能力，但小學(xué)生機(jī)器人課程開發(fā)仍處于初級(jí)階段，存在教材、師資、器械不足等一系列問題。從師資培訓(xùn)、教材開發(fā)、器械、學(xué)生選拔與培養(yǎng)等方面出發(fā)，共同探索適合小學(xué)機(jī)器人教育可持續(xù)發(fā)展的教學(xué)實(shí)踐方式。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人課程;STEAM;應(yīng)用意義;教學(xué)實(shí)踐

當(dāng)今是大數(shù)據(jù)、人工智能時(shí)代，科學(xué)技術(shù)日益滲透到經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展和人類進(jìn)步的各個(gè)領(lǐng)域，成為生產(chǎn)力最活躍的因素。學(xué)生應(yīng)具備的21世紀(jì)核心學(xué)習(xí)能力為信息獲取與加工能力、問題解決能力、批判性思維能力、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、跨文化理解能力、溝通能力。為此，世界各國(guó)都將STEAM（Science科學(xué)、Technology技術(shù)、Engineering工程、Art藝術(shù)、Mathematics數(shù)學(xué)英文縮寫）教育作為教育改革的重點(diǎn)方向。

學(xué)校開展機(jī)器人課程，可以更好地與時(shí)代新技術(shù)接軌，機(jī)器人課程是綜合性、復(fù)雜性課程，是開展STEAM教育的重要平臺(tái)之一。將計(jì)算機(jī)科學(xué)與教育相結(jié)合，是與時(shí)俱進(jìn)的迫切需求。如何將計(jì)算機(jī)科學(xué)教育融入整個(gè)國(guó)家的課堂，是為了今天的學(xué)習(xí)者更好地為明天的工作做好準(zhǔn)備。

隨著信息技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的中小學(xué)相繼開展機(jī)器人課程，但我國(guó)的機(jī)器人課程開發(fā)仍處于初級(jí)階段，存在教材、器械、師資不足等系列問題。在珠海市香洲區(qū)首屆STEAM大賽Makeblock Mbot機(jī)器人大賽中，深刻感受到機(jī)器人項(xiàng)目對(duì)小學(xué)生綜合能力的提升有重大意義。本文希望通過分析基于STEAM的機(jī)器人課程對(duì)小學(xué)生發(fā)展的應(yīng)用意義、存在的現(xiàn)實(shí)問題，共同探討小學(xué)機(jī)器人課程可持續(xù)發(fā)展的教學(xué)實(shí)踐方式。

一、機(jī)器人教育充分體現(xiàn)STEAM教育理念

1.STEAM教育的內(nèi)涵

STEAM即Science科學(xué)、Technology技術(shù)、Engineering工程、Art藝術(shù)、Mathematics數(shù)學(xué)英文首字母縮寫。STEAM教育來自于STEM教育，技術(shù)是指解決問題的有效工具或方法，工程是指運(yùn)用科學(xué)原理去創(chuàng)造人工物體，數(shù)學(xué)是研究數(shù)字關(guān)系之間的科學(xué)，它們是相輔相成、相互支持，貫穿于解決實(shí)際問題中。后來人們發(fā)現(xiàn)人文藝術(shù)也相當(dāng)重要，就在STEM的基礎(chǔ)上加上Arts，即STEAM，STEAM教育是當(dāng)今國(guó)際教育改革的潮流和方向。STEAM教育強(qiáng)調(diào)多元學(xué)科的融合、強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科學(xué)習(xí)、強(qiáng)調(diào)打破傳統(tǒng)教育學(xué)科之間的界限。創(chuàng)新能力的培養(yǎng)不應(yīng)局限在傳統(tǒng)教材的抽象和理論層面，應(yīng)融入實(shí)際問題的解決中。教育的初衷是讓學(xué)生學(xué)習(xí)解決實(shí)際問題的技巧和方法，學(xué)習(xí)是學(xué)生解決問題的過程，然而，傳統(tǒng)教育只注重教材理論的教學(xué)，忽視學(xué)習(xí)的本質(zhì)，不注重學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，導(dǎo)致學(xué)生解決實(shí)際問題的能力普遍較差。STEAM教育重視實(shí)際問題的解決并注重解決問題的過程。

2.機(jī)器人教育與STEAM教育相融合

STEAM教育的理念是強(qiáng)調(diào)多元學(xué)科知識(shí)的融合及跨學(xué)科學(xué)習(xí)，鼓勵(lì)學(xué)生通過小組合作、自主探究等方式解決實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力。在機(jī)器人教育中，學(xué)生通過搭建組裝零件，然后進(jìn)行編程，使得機(jī)器人最終完成相應(yīng)的指令，在此過程中學(xué)生學(xué)習(xí)到科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)、工程等方面的知識(shí)，在完成任務(wù)中又會(huì)出現(xiàn)各種實(shí)際問題，促使學(xué)生不斷完善自己的策略，提高自身解決問題的能力。所以機(jī)器人教育很好地體現(xiàn)了STEAM教育的理念，為STEAM教育提供了新的實(shí)踐平臺(tái)。同時(shí)，STEAM教育的理念又能指導(dǎo)人們更科學(xué)有效地開展機(jī)器人教育。

二、基于STEAM機(jī)器人教育的應(yīng)用意義

1.培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力

機(jī)器人教育有著較強(qiáng)的學(xué)科綜合性。為了讓機(jī)器人完成相應(yīng)的任務(wù)指令，學(xué)生需利用現(xiàn)有的零件搭建出能完成任務(wù)的基本架構(gòu)，這涉及電子學(xué)、力學(xué)等方面的知識(shí)。完成任務(wù)的編程設(shè)計(jì)也不是一蹴而就的，學(xué)生需要不斷測(cè)試、發(fā)現(xiàn)問題、調(diào)整再測(cè)試，這需要學(xué)生根據(jù)問題實(shí)事求是地尋求解決方法。很多時(shí)候，同樣的編程，其他機(jī)器人可以完成任務(wù)，但是有些機(jī)器人就是完成不了，這時(shí)候?qū)W生就需要去對(duì)比這兩臺(tái)機(jī)器人的架構(gòu)有何不同，可能是機(jī)械臂的角度或高度等出了問題。機(jī)器人教學(xué)也給學(xué)生提供了一個(gè)真實(shí)的情境，問題的出現(xiàn)是隨機(jī)的，這有效培養(yǎng)了學(xué)生資源利用、自學(xué)、客觀分析、信息采集、工程設(shè)計(jì)、敢于挑戰(zhàn)等方面的能力。

2.培養(yǎng)學(xué)生溝通合作的能力

在機(jī)器人項(xiàng)目學(xué)習(xí)或比賽中，一般采用小組合作的形式，例如這次的makeblock mbot機(jī)器人比賽，學(xué)生兩人一組，如何分工、遇到問題如何協(xié)商解決、大家思維的碰撞和交流都很好地提高學(xué)生的溝通合作能力。尤其在比賽中學(xué)生需與陌生隊(duì)伍進(jìn)行聯(lián)盟賽，采用怎樣的策略可以取得最好的成績(jī)也需要雙方良好的溝通。

3.培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)思維、邏輯思維，提高解決問題的能力

培養(yǎng)計(jì)算機(jī)思維最有效的方式是學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)，而可視化的編程設(shè)計(jì)對(duì)小學(xué)生而言又不至于特別難。并且編程的邏輯性強(qiáng)，很好地鍛煉學(xué)生的邏輯思維。從小接觸編程，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)思維、邏輯思維，從而提高學(xué)生解決問題的能力，有利于學(xué)生更好地適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步。

4.擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)機(jī)器人相關(guān)知識(shí)的了解

學(xué)生在組裝機(jī)器人、為機(jī)器人擴(kuò)充接口時(shí)會(huì)學(xué)習(xí)到模擬電路、力學(xué)、數(shù)字電路等知識(shí)，編寫程序也學(xué)到了編程語言等專業(yè)知識(shí)，有效鍛煉自身邏輯判斷思維及系統(tǒng)思維等能力。熟悉機(jī)器人的傳感器、驅(qū)動(dòng)裝置，了解到單片機(jī)、數(shù)字電路等知識(shí)，對(duì)智能機(jī)器人不再陌生，減少學(xué)習(xí)人工智能等高科技的畏難情緒，有助于培養(yǎng)新型科技人才。

5.培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力

接觸多學(xué)科知識(shí)，學(xué)生能夠多角度思考問題，善于利用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行實(shí)踐創(chuàng)新。例如，學(xué)生在模擬比賽中缺秒表計(jì)時(shí)，有學(xué)生會(huì)利用閑置的機(jī)器人，通過編程制作成計(jì)時(shí)器，學(xué)以致用，不斷創(chuàng)新。

三、機(jī)器人教育的現(xiàn)狀

隨著互聯(lián)網(wǎng)+、信息技術(shù)、人工智能的不斷發(fā)展，機(jī)器人項(xiàng)目開始滲透到教育行業(yè)中，最初機(jī)器人教育主要是校外的教育機(jī)構(gòu)在開展，主要以興趣班的形式，例如樂高機(jī)器人、mbot機(jī)器人、vex機(jī)器人等，各式各樣的機(jī)器人比賽也是機(jī)器人教育企業(yè)在舉辦和推廣，基本集中在校外。逐漸地，機(jī)器人教育也滲透到學(xué)校里面，例如這次的珠海市香洲區(qū)首屆STEAM大賽中的makeblock mbot機(jī)器人項(xiàng)目就是由香洲區(qū)教育科研培訓(xùn)中心舉辦，mbot機(jī)器人企業(yè)協(xié)辦，由各校的科學(xué)和計(jì)算機(jī)老師組織培訓(xùn)學(xué)生參賽。這就說明學(xué)校層面越來越重視開發(fā)校內(nèi)機(jī)器人教育。但是，校內(nèi)機(jī)器人教育的開發(fā)仍處在初級(jí)階段，存在以下諸多問題。

1.沒有專門的課程設(shè)置，缺乏系統(tǒng)專業(yè)的教材

目前機(jī)器人教育的開展主要以創(chuàng)客基地、興趣班、校本課程、社團(tuán)等形式開展，沒有規(guī)范的課程標(biāo)準(zhǔn)和教學(xué)模式，缺乏系統(tǒng)專業(yè)或統(tǒng)一的教材，多半是產(chǎn)品說明書或用戶指南，教學(xué)目標(biāo)不強(qiáng)，評(píng)價(jià)機(jī)制不完善等。

2.缺乏師資

一部分的小學(xué)沒有開展機(jī)器人教育現(xiàn)成的師資，科學(xué)或計(jì)算機(jī)教師課量繁重，也沒有經(jīng)過機(jī)器人方面的系統(tǒng)學(xué)習(xí)。有關(guān)機(jī)器人教育的培訓(xùn)不多也不系統(tǒng)，而且參加培訓(xùn)的教師也基本從零學(xué)起。

3.機(jī)器人價(jià)格昂貴、產(chǎn)品多樣互不兼容、使用率低

目前的機(jī)器人多由企業(yè)開發(fā)，商業(yè)利益較重，不同公司產(chǎn)品多樣不兼容，機(jī)器人也容易壞，性價(jià)比不高。只有經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的城市才有能力開展。

4.過分關(guān)注機(jī)器人競(jìng)賽本身，功利性強(qiáng)

目前很多地方都通過機(jī)器人競(jìng)賽的方式來推廣機(jī)器人教育，很多教師過分關(guān)注比賽的結(jié)果，程序的設(shè)置不能放手讓學(xué)生去研究，而是采取包辦的形式，忽略了競(jìng)賽本身的意義。

四、學(xué)校如何開展機(jī)器人課程

1.學(xué)校層面上，保證課程的課時(shí)和質(zhì)量

不管是以校本課程、創(chuàng)客、社團(tuán)、第二課堂等何種形式開展，每周都要有固定的時(shí)間，按時(shí)按質(zhì)量完成教學(xué)任務(wù)。課程專業(yè)系統(tǒng)化，有相應(yīng)的教材和設(shè)備。靈活延長(zhǎng)學(xué)習(xí)時(shí)間，常規(guī)課堂40分鐘往往是不夠的，當(dāng)學(xué)生興致濃厚、思維活躍、討論研究比較深入時(shí)，可適當(dāng)延長(zhǎng)至一個(gè)半小時(shí)，直到凈校時(shí)間。

2.師資層面上，從有興趣且愿意付出和學(xué)習(xí)的老師中培養(yǎng)師資

給予政策福利，調(diào)動(dòng)教師積極性，例如在評(píng)職稱或個(gè)人評(píng)優(yōu)中，輔導(dǎo)教師帶領(lǐng)學(xué)生參加機(jī)器人相關(guān)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)可相應(yīng)加分等。采用小班制，一個(gè)老師帶班的情況下，學(xué)生不超過20人，方便教師精細(xì)化輔導(dǎo)。學(xué)校可以開設(shè)多個(gè)小班，教師要注重學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程，珍視他們的思維碰撞。

3.學(xué)生層面上，堅(jiān)持因材施教和學(xué)生自學(xué)原則

不是所有的學(xué)生都對(duì)機(jī)器人興趣濃厚，不是所有筆試成績(jī)好的學(xué)生才能學(xué)好機(jī)器人，教師需遵循因材施教的原則，發(fā)現(xiàn)有機(jī)器人這方面興趣和對(duì)這方面反應(yīng)特別靈活的學(xué)生，鼓勵(lì)他們加入。充分發(fā)揮學(xué)生的自主性，利用書籍、微課、網(wǎng)絡(luò)等，引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)。發(fā)展小幫手，讓對(duì)機(jī)器人鉆研比較深的學(xué)生與下一個(gè)梯度的學(xué)生形成團(tuán)隊(duì)幫扶學(xué)習(xí)、同伴學(xué)習(xí)及精英互助學(xué)習(xí)。

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編輯 魯翠紅