基于STEAM的機(jī)器人教育課程探究與實(shí)踐

蒙慶華 方錦烘 李一凡 黃志群

摘要：隨著時(shí)代的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，STEAM教育作為一種新型教學(xué)模式受到關(guān)注。機(jī)器人教學(xué)涉及自動(dòng)化、機(jī)械、電子信息、數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科，探究STEAM教育與機(jī)器人教學(xué)融合的教學(xué)模式，有助于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。文章通過分析國內(nèi)外機(jī)器人教學(xué)現(xiàn)狀，構(gòu)建了分層次、整合為重、校企合作、師資儲(chǔ)備的課程體系，并闡述了STEAM機(jī)器人教育的課程活動(dòng)設(shè)計(jì)流程，能夠使學(xué)生得到全面發(fā)展，培養(yǎng)其“工匠精神”，更好地將科學(xué)創(chuàng)新服務(wù)于社會(huì)。

關(guān)鍵詞：STEAM教育;機(jī)器人教育;創(chuàng)新能力;課程設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G423 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1673-8454（2020）04-0043-04

一、引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，在教育領(lǐng)域，機(jī)器人教學(xué)正在發(fā)生強(qiáng)烈的變革。STEAM整合教育旨在將科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)五門獨(dú)立學(xué)科知識(shí)密切聯(lián)系，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)習(xí)主題科目領(lǐng)域與現(xiàn)實(shí)世界的聯(lián)系。STEAM教育這種新穎的教學(xué)模式，具備知識(shí)跨學(xué)科、親身體驗(yàn)性、自主設(shè)計(jì)性、團(tuán)隊(duì)協(xié)作性、學(xué)習(xí)趣味性等特征。根據(jù)機(jī)器人教學(xué)課程學(xué)科的交叉融合性和實(shí)踐操作性，將STEAM教育與機(jī)器人教學(xué)相融合，適合信息時(shí)代機(jī)器人教育領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。因此構(gòu)建STEAM機(jī)器人教育課程體系，建設(shè)STEAM教育基地，將學(xué)習(xí)者置身于科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)五門學(xué)科知識(shí)綜合教育的教學(xué)情境中，不僅可以掌握及鞏固機(jī)器人的各種知識(shí)，還可以擴(kuò)展對(duì)科學(xué)、技術(shù)、工程等領(lǐng)域知識(shí)的理解，從而培養(yǎng)其創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)業(yè)能力。

二、國內(nèi)外機(jī)器人教育現(xiàn)狀

自20世紀(jì)80年代初，國外的學(xué)校就相繼開展了機(jī)器人教育課程。STEAM教育是美國最先開展的新型教育模式，美國麻省理工學(xué)院開設(shè)《認(rèn)知機(jī)器人學(xué)》《機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論》等課程。機(jī)器人教育也有著多種多樣的形式，其中主要有課外活動(dòng)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、夏令營活動(dòng)等[1][2]。日本極其注重機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，雖然起步比美國晚，但其機(jī)器人教育和機(jī)器人產(chǎn)業(yè)得到了普及。日本的大學(xué)普遍設(shè)立有高水平的機(jī)器人研究會(huì)以及機(jī)器人教育協(xié)會(huì)，每年定期組織針對(duì)不同學(xué)齡學(xué)生開展機(jī)器人設(shè)計(jì)和制作大賽，促進(jìn)機(jī)器人教育的快速發(fā)展[3]。

在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的背景下，我國教育與技術(shù)的全面融合得到發(fā)展，很多學(xué)校都開設(shè)有機(jī)器人教育課程，并且對(duì)機(jī)器人教育有了相當(dāng)深入的研究。清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、北京航天航空大學(xué)等高校在機(jī)器人教學(xué)與教育技術(shù)融合的創(chuàng)新方面進(jìn)行研究并取得了一定的進(jìn)展。

近年來我國也陸續(xù)對(duì)STEAM教學(xué)融合展開研究，在教育的概念辨析、教學(xué)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐、實(shí)施方案等多方面進(jìn)行研究。其中，有的研究將中學(xué)機(jī)器人教育與STEAM教育在教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)策略、教學(xué)評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行融合式的研究，闡述了機(jī)器人教學(xué)與STEAM教育融合的必然性。有的研究將創(chuàng)客教育與STEAM教育在概念的起源、教育目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過程與師生關(guān)系的異同進(jìn)行多方面比較，總結(jié)了兩者在課程設(shè)置、資源整合、師生能力、評(píng)價(jià)體系等方面存在的問題以及所面臨的挑戰(zhàn)[4-6]。

總體而言，我國通過借鑒國外的優(yōu)秀機(jī)器人教育教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，分析探索機(jī)器人教學(xué)與STEAM教育融合的背景特點(diǎn)、教學(xué)模式，并有了一定的研究進(jìn)展。但是，我國的機(jī)器人融合式教學(xué)體系還不成熟，存在師資儲(chǔ)備短缺等方面的不足，除去部分重點(diǎn)學(xué)校，國內(nèi)將機(jī)器人教學(xué)作為學(xué)科專業(yè)的學(xué)校很少，機(jī)器人教學(xué)與STEAM教學(xué)融合的相關(guān)平臺(tái)更是缺少。在此情況下，本文將從教學(xué)體系方面進(jìn)行思考與總結(jié)，提出完善STEAM機(jī)器人教育體系的建議，以期搭建能夠普遍實(shí)施的STEAM機(jī)器人教學(xué)模式。

三、STEAM機(jī)器人教學(xué)體系建設(shè)

STEAM教學(xué)使割裂的學(xué)科得以有機(jī)的整合，使學(xué)科教育不再局限于單方面學(xué)科本身。鑒于機(jī)器人教學(xué)本身涉及自動(dòng)化、機(jī)械工程、電子信息、數(shù)學(xué)等多方面的知識(shí)，將STEAM教學(xué)模式應(yīng)用到機(jī)器人教育，針對(duì)在STEAM教學(xué)模式下的機(jī)器人教學(xué)中存在的問題展開探究，提出有效的解決問題方法。本文所構(gòu)建的STEAM機(jī)器人教學(xué)體系框架如圖1所示。

1.教育體系分層次、整合程度差異化

以建立分層次、整合程度差異化的STEAM機(jī)器人教學(xué)體系為目標(biāo)，以“玩中學(xué)”“興趣驅(qū)動(dòng)”“項(xiàng)目體驗(yàn)”的課程設(shè)計(jì)理念，完成教學(xué)體系構(gòu)建的各項(xiàng)工作。

第一階段，機(jī)器人基礎(chǔ)課程教學(xué)。這個(gè)階段學(xué)生主要學(xué)習(xí)“機(jī)器人動(dòng)力機(jī)械搭建”，通過為學(xué)生提供專業(yè)的設(shè)計(jì)類活動(dòng)主題以及配套器材，讓學(xué)生搭建功能結(jié)構(gòu)多樣復(fù)雜的裝置與模型，使學(xué)生對(duì)機(jī)器人有基礎(chǔ)的理解，在編程語言、動(dòng)手、創(chuàng)新能力方面建立基礎(chǔ)，從而掌握基本程度的STEAM綜合知識(shí)。從教學(xué)目標(biāo)上來看，學(xué)生以一些實(shí)際的生活案例為主題，在教師的引導(dǎo)下初步建立機(jī)器人與機(jī)械工程知識(shí)的整合與理解，培養(yǎng)學(xué)生在生活中解決實(shí)際問題的能力，鍛煉學(xué)生的邏輯思維能力、獨(dú)立思考能力，進(jìn)而延伸到培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。

第二階段，機(jī)器人編程及初步應(yīng)用。這個(gè)階段學(xué)生主要學(xué)習(xí)“Scratch創(chuàng)意編程”“ROBOTC中級(jí)課程”以及“C語言程序”等課程，學(xué)生通過使用計(jì)算機(jī)技術(shù)平臺(tái)，掌握機(jī)器人編程及機(jī)器人傳感技術(shù)，運(yùn)用C語言對(duì)機(jī)器人硬件進(jìn)行控制，并使機(jī)器人進(jìn)行簡單的工程搭建和數(shù)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用。此階段主要培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力、動(dòng)手實(shí)踐能力。

第三階段，個(gè)性化項(xiàng)目系統(tǒng)教學(xué)。這個(gè)階段主要進(jìn)行機(jī)器人整合項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，通過智能巡線小車、智能工程分揀機(jī)器人、仿生機(jī)器人等項(xiàng)目的挑戰(zhàn)，以解決實(shí)際問題為主線，解決機(jī)器人工程的實(shí)踐問題，將科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域整合運(yùn)用到機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作中。

整個(gè)課程教學(xué)安排體現(xiàn)ADDIE設(shè)計(jì)理念分析（Analysis分析、Design設(shè)計(jì)、 Development開發(fā)、Implementation實(shí)施、Evaluation評(píng)估）。通過項(xiàng)目學(xué)習(xí)，將不同認(rèn)知水平的學(xué)生廣泛納入到課程體系的不同階段之中，通過課程實(shí)踐項(xiàng)目難度的差異化設(shè)計(jì)，使不同層次的機(jī)器人知識(shí)與機(jī)器人技術(shù)融合在STEAM不同程度的教學(xué)中。這種教育體系分層次，在整合程度差異化的課程下，學(xué)生根據(jù)自身的興趣，通過動(dòng)手實(shí)踐，培養(yǎng)了創(chuàng)新意識(shí)和能力。

2.課程建設(shè)項(xiàng)目引領(lǐng)、整合為要

STEAM機(jī)器人教學(xué)體系是按需分配的系統(tǒng)工程，要求學(xué)生通過STEAM機(jī)器人的學(xué)習(xí)，除了認(rèn)識(shí)機(jī)器人的相關(guān)知識(shí)外，也學(xué)習(xí)各個(gè)學(xué)科的知識(shí)，之后再將各科的知識(shí)運(yùn)用到機(jī)器人的設(shè)計(jì)、制作以及解決生活中的實(shí)際問題中。

項(xiàng)目引領(lǐng)、整合為要的課程建設(shè)理念貫穿于三個(gè)階段的教學(xué)工作中，每個(gè)階段各有側(cè)重點(diǎn)。初學(xué)教育階段，學(xué)生對(duì)機(jī)器人認(rèn)識(shí)不足、機(jī)器人知識(shí)薄弱、動(dòng)手能力弱，但是學(xué)習(xí)興趣高、可塑性強(qiáng)，最適合學(xué)習(xí)機(jī)器人的基礎(chǔ)知識(shí)。該階段主要的教學(xué)任務(wù)就是通過有趣的項(xiàng)目融合簡單的機(jī)械工程教學(xué)，使學(xué)生具有較強(qiáng)的參與度。例如，學(xué)生可以通過親自參與機(jī)器人動(dòng)力機(jī)械搭建，建立對(duì)輪子與輪軸、杠桿、滑輪和齒輪四個(gè)基本機(jī)械原理的認(rèn)識(shí)并有初步的理解。通過簡單的機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)，提高學(xué)生對(duì)機(jī)器人的學(xué)習(xí)熱情，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

3.校企合作、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)

通過初步的機(jī)器人理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐鍛煉，教師就可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行更深層次的教學(xué)。在深層次教學(xué)工作方面，以項(xiàng)目引領(lǐng)，集中在實(shí)踐應(yīng)用層面，例如美國項(xiàng)目領(lǐng)路PLTW（全稱為Project Lead The Way）提供具有創(chuàng)新模塊的課程內(nèi)容，鼓勵(lì)學(xué)生參與基于項(xiàng)目的、基于問題的機(jī)器人學(xué)習(xí)。通過多方合作的STEAM項(xiàng)目學(xué)習(xí)平臺(tái)，學(xué)生可以將自己所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到現(xiàn)實(shí)的問題解決中，通過探究學(xué)習(xí)將想法變成實(shí)物，從而培養(yǎng)學(xué)生的探究學(xué)習(xí)精神和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

以南寧市校外教育活動(dòng)中心為例，教育機(jī)構(gòu)與企業(yè)聯(lián)合建立“STEAM Robot Lab”，學(xué)生運(yùn)用STEAM機(jī)器人整合知識(shí)自主制作創(chuàng)新產(chǎn)品，如VEX工程搭建機(jī)器人。在制作過程中，教師通過引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)完成機(jī)器人的制作，企業(yè)通過STEAM教育平臺(tái)研發(fā)需求的教育機(jī)器人，而學(xué)生則通過機(jī)器人的制作將自己的創(chuàng)新設(shè)計(jì)技能應(yīng)用到創(chuàng)業(yè)基礎(chǔ)中。

四、實(shí)施方案

1.建立三層構(gòu)架的教學(xué)體系，提升學(xué)生知識(shí)整合能力

以STEAM機(jī)器人教學(xué)的三個(gè)層次作為載體整合體系內(nèi)容，逐步整理課程間的邏輯關(guān)系。建立整合程度差異化的教學(xué)體系，由淺至深，盡量使學(xué)生能夠循序漸進(jìn)地接受多學(xué)科知識(shí)整合的機(jī)器人教學(xué)，避免知識(shí)割裂使學(xué)習(xí)層次缺乏聯(lián)系。

（1）豐富層次內(nèi)容。針對(duì)三個(gè)不同的層次，設(shè)立適合的內(nèi)容，第一層次中設(shè)立嵌入式課程，學(xué)生通過嵌入工具學(xué)習(xí)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)型課程，獲取機(jī)械工程知識(shí)。第二層次，緊密聯(lián)系上個(gè)層次的知識(shí)，明確不同硬件所需的編程知識(shí)，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)學(xué)應(yīng)用，讓學(xué)生將程序應(yīng)用到對(duì)應(yīng)的機(jī)器人中，避免學(xué)生程序編入方向錯(cuò)亂。第三層次，關(guān)注學(xué)生解決問題的能力，設(shè)計(jì)接近實(shí)際生活的項(xiàng)目，這種項(xiàng)目需要學(xué)生綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)與技能，培養(yǎng)知識(shí)整合的能力。

（2）嘗試教學(xué)體系。開設(shè)嘗試教學(xué)板塊，將新開發(fā)的課程教學(xué)體系應(yīng)用到教學(xué)工作中，引導(dǎo)學(xué)生在改革后的課程教學(xué)體系中學(xué)習(xí)，并完成相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)，教師對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)施過程觀察，并反饋存在的問題。

（3）修正教學(xué)體系缺陷。在嘗試教學(xué)后，接收反饋并及時(shí)修正改進(jìn)，通過“嘗試教學(xué)—發(fā)現(xiàn)問題—解決問題—改進(jìn)體系—再進(jìn)行嘗試教學(xué)”的漸進(jìn)途徑，最終形成符合STEAM教育理念的機(jī)器人教學(xué)體系。

2.完善STEAM教學(xué)基地，培養(yǎng)全面發(fā)展的創(chuàng)新型人才

（1）完善資源。開設(shè)多樣的實(shí)驗(yàn)室，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)室的特色。根據(jù)嵌入式課程、項(xiàng)目型課程、整合性學(xué)科課程的需要整理機(jī)器人設(shè)備、相關(guān)軟硬件，明確學(xué)習(xí)的需要與教學(xué)環(huán)節(jié)緊密聯(lián)合。

（2）建立管理制度。為了讓資源得到更好的使用，必須建立基地管理制度，保護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、教學(xué)工具的完整，使教學(xué)基地建設(shè)得以有序推進(jìn)。

（3）政策支持。自20世紀(jì)80年代以來，美國制定實(shí)行了近20項(xiàng)與STEAM教育相關(guān)的政府報(bào)告及對(duì)策，其STEAM教育的成功離不開政策的支持。在我國，STEAM教育剛進(jìn)入到國策的視野，仍缺少專門有針對(duì)性的政策支持。

3.實(shí)現(xiàn)STEAM機(jī)器人學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)

（1）多樣的課程。要實(shí)現(xiàn)STEAM機(jī)器人學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)，整個(gè)學(xué)習(xí)過程都固定在學(xué)校是不夠的，還要開展如夏令營、家庭同行等特色課程活動(dòng)，使學(xué)生感受到在不同情境學(xué)習(xí)的樂趣，激發(fā)其學(xué)習(xí)熱情。

（2）優(yōu)質(zhì)的師資儲(chǔ)備。當(dāng)前的教師團(tuán)隊(duì)大部分是在基礎(chǔ)教學(xué)領(lǐng)域分科教學(xué)培養(yǎng)出來的，很多時(shí)候不適用于STEAM教育多學(xué)科整合的機(jī)器人課程，所以需要建設(shè)專門培養(yǎng)具有STEAM綜合素養(yǎng)的教師團(tuán)隊(duì)機(jī)構(gòu)，并將不同學(xué)科領(lǐng)域的教師組合起來進(jìn)行協(xié)同施教，促進(jìn)優(yōu)質(zhì)師資的儲(chǔ)備。

（3）多方創(chuàng)造學(xué)習(xí)環(huán)境。STEAM學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)行動(dòng)計(jì)劃需要多方的聯(lián)合努力，學(xué)校、家庭、企業(yè)都能夠創(chuàng)造合適的學(xué)習(xí)環(huán)境，企業(yè)可以為學(xué)校提供STEAM機(jī)器人教學(xué)項(xiàng)目，家庭環(huán)境幫助激發(fā)學(xué)生對(duì)機(jī)器人的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的體驗(yàn)，多方合力為STEAM機(jī)器人教育提供便利。

五、STEAM機(jī)器人教育課程的設(shè)計(jì)案例——智能巡線小車

案例以教學(xué)過程的三階段為依據(jù)開展，采用學(xué)科整合教學(xué)方式進(jìn)行教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力及STEAM學(xué)科綜合素養(yǎng)。案例選用Arduino主控器和L298驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，學(xué)生學(xué)習(xí)本案例需要具備一定程度的Arduino編程知識(shí)。本案例主題（項(xiàng)目主題）為智能巡線小車，課程目標(biāo)如表1所示。

對(duì)本案例而言，活動(dòng)流程也可以認(rèn)為是課程教學(xué)流程。教學(xué)過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)、完成主要任務(wù)。學(xué)生以小組協(xié)作的方式共同完成任務(wù)，教師負(fù)責(zé)引導(dǎo)教學(xué)全過程，實(shí)時(shí)收集課程中存在的問題，并在每個(gè)階段操作結(jié)束后對(duì)整體出現(xiàn)的問題進(jìn)行統(tǒng)一分組解答。

STEAM機(jī)器人教育課程注重創(chuàng)作成果，同時(shí)更多關(guān)注學(xué)習(xí)過程中的能力發(fā)展。課程評(píng)價(jià)以過程性評(píng)價(jià)為主。通過對(duì)STEAM機(jī)器人教育課程的開發(fā)，STEAM教育與機(jī)器人教育相融合，有助于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)和解決問題能力。開發(fā)適合我國教育現(xiàn)狀的STEAM機(jī)器人教育模式，有助于推動(dòng)我國機(jī)器人教育的發(fā)展。希望更多研究者關(guān)注STEAM教育與機(jī)器人教育融合，尋求更大的突破，使STEAM機(jī)器人教育越來越成熟，教學(xué)體系得以不斷完善，形成健康的機(jī)器人教育發(fā)展生態(tài)。

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（編輯：魯利瑞）