基于機(jī)器人課程基地平臺的 STEM教育實(shí)施策略*

汪小慶 周明龍

摘 要：STEM教育注重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，注重培養(yǎng)學(xué)生解決現(xiàn)實(shí)世界真實(shí)問題的能力。STEM教育起源于美國，之后逐步在其他國家盛行。隨著改革開放的深入、國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、綜合國力的增長，我國也逐步重視STEM教育在各學(xué)段的發(fā)展。但由于教育發(fā)展不均衡，教育體制、評價制度的不完善，STEM教育理念很難真正全面推行落實(shí)。文章以課程基地為平臺，在建立STEM教育課程體系、開發(fā)STEM教育的課程、開展項(xiàng)目式教學(xué)、個性化的教學(xué)策略、融合策略和教學(xué)評價等方面做了一些探索，期待能為我國STEM教育推廣有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：STEM教育;課程基地;PBL;課程體系

中圖分類號： G632.0? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2020）18-0040-05

2018年9月26—27日，江蘇省第二屆STEM教育大會召開，會上發(fā)布了江蘇省STEM教育協(xié)同創(chuàng)新研究中心歷時兩年多所研制的全國首個省級基礎(chǔ)教育STEM課程指導(dǎo)綱要《江蘇省基礎(chǔ)教育STEM課程指導(dǎo)綱要（試行）》。這是首個中國基礎(chǔ)教育階段STEM課程指導(dǎo)綱要，同時與十三個試驗(yàn)區(qū)集中簽約，成立了STEM研究聯(lián)盟。這標(biāo)志著STEM教育在江蘇省乃至全國將全面推廣。

為貫徹落實(shí)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》精神，繼續(xù)深化基礎(chǔ)教育教學(xué)改革，努力建設(shè)有地區(qū)、學(xué)校特色的名校，開發(fā)學(xué)校特色課程，江蘇省教育廳從2011年開始在普通高中推行課程基地建設(shè)。課程基地建設(shè)的宗旨是發(fā)掘先進(jìn)的教育教學(xué)理念，要體現(xiàn)課程的有效性，目的是提高教學(xué)效率，改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式和教師的教學(xué)方式。堅(jiān)持知行合一、因材施教，重在破解教學(xué)過程中的重難點(diǎn)，同時注重載體創(chuàng)新。課堂上以學(xué)生為中心，因材施教，以學(xué)生為主體，教師為輔助，踐行先進(jìn)的教育教學(xué)理念，提高教學(xué)效率，及時總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，分享教學(xué)成果和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，形成區(qū)域教研中心，分區(qū)輻射，共同進(jìn)步。

一、STEM教育理念

STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科的簡稱[1]。STEM并不是四門學(xué)科簡單相加，而是有機(jī)組合，整合形成有機(jī)整體，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新精神與解決真實(shí)世界問題的實(shí)踐能力。STEM教育是基礎(chǔ)教育課程改革的重要主題與方向。

STEM教育是一個多重整體性教育理念：①要有連貫性。從幼兒園、小學(xué)、初中、高中到大學(xué)要有連貫的課程、完整的課程體系。各學(xué)段STEM課程要有聯(lián)系，難易程度要有統(tǒng)一的梯度，有先導(dǎo)課程和后續(xù)課程。②要有規(guī)范性。要有統(tǒng)一的課程標(biāo)準(zhǔn)、指導(dǎo)綱要等政府官方文件指導(dǎo)，以及規(guī)范的教材教參。③評價標(biāo)準(zhǔn)要有多維性。對STEM教育的評價要從多維度開展，注重過程性評價，淡化結(jié)果性評價。④要有高水平、完備的師資隊(duì)伍。STEM教育在中國才剛剛起步，它是多學(xué)科知識的融合，而不是簡單相加，這要求教師有很高的STEM素養(yǎng)，才能指導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系多學(xué)科知識融合。STEM教育教學(xué)多采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)等組織開展，這也要求教師要有很高的綜合運(yùn)用多學(xué)科知識的能力。⑤學(xué)生也要有完備的STEM素養(yǎng)。不管是項(xiàng)目式學(xué)習(xí)還是多學(xué)科融合，最終都是學(xué)生自主學(xué)習(xí)，學(xué)生要有很高的信息技術(shù)素養(yǎng)，才能完成學(xué)習(xí)任務(wù)所要求的技術(shù)素養(yǎng)。⑥學(xué)生需具備多方面的興趣愛好。STEM教育是多學(xué)科融合的教育，學(xué)生要掌握多學(xué)科知識的應(yīng)用，就需要有多方面的愛好，否則將無法長時間對多學(xué)科學(xué)習(xí)保持長久的興趣。⑦要有本土化和原創(chuàng)性。注重中國文化和地方特色元素融入，倡導(dǎo)STEM課程的本土原創(chuàng)性和校本適切性。

二、基于課程基地的STEM課程體系

STEM教育是一個系統(tǒng)工程，要融合多學(xué)科知識，需要全校統(tǒng)籌，統(tǒng)一行動。因此我們成立了STEM教育發(fā)展中心，邀請本校多學(xué)科教師參與備課、上課，同時邀請了高校專家在課程設(shè)置、課程開發(fā)、項(xiàng)目式教學(xué)方案設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行全方位指導(dǎo)。

機(jī)器人課程基地的建成運(yùn)行對學(xué)校原有校本課程產(chǎn)生了重大影響，學(xué)校重組原有校本課程，建立起圖1所示以機(jī)器人課程為核心、六個項(xiàng)目模塊為基礎(chǔ)的總體校本課程體系。用項(xiàng)目模塊化方式對校本課程重新進(jìn)行全面梳理、整合，構(gòu)建了實(shí)踐課程等六個模塊，為建立具有江中文化特色的校本課程體系奠定基礎(chǔ)。

我校重點(diǎn)依托省級機(jī)器人課程基地，針對高中學(xué)生的興趣、認(rèn)知規(guī)律，將國家課程和科技類校本課程整合，建立起以STEM理念下機(jī)器人課程為核心的校本課程體系（見表1），引領(lǐng)教師教學(xué)方式和學(xué)生學(xué)習(xí)方式發(fā)生根本改變。整個課程的開設(shè)并不是一成不變，課程設(shè)置是與時俱進(jìn)的。

三、STEM教育實(shí)施策略與課程實(shí)施過程

STEM課程體系中包括國家課程和校本課程：國家必修、國家選擇性必修、國家選修，校本必修、校本選修。課程涵蓋高中三年，課程難度由易到難，逐步推進(jìn)，高二高三階段的選修課以社團(tuán)形式展開。學(xué)生在學(xué)習(xí)國家課程的基礎(chǔ)上，還必須學(xué)習(xí)基礎(chǔ)必修校本課程《樂高EV3軟件編程一本通》和《電子百拼》，合計(jì)得10個學(xué)分（《信息技術(shù)》兩個學(xué)分，《通用技術(shù)》兩個學(xué)分）才能畢業(yè)。其他選修校本課程可以任選，可以多選，最多不能超過2門。筆者將從以下方面來闡述STEM課程實(shí)施過程。

1.教學(xué)目標(biāo)

總體目標(biāo)是通過STEM課程的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，培養(yǎng)德智體美勞五育并舉、全面發(fā)展的社會主義接班人，最終達(dá)到立德樹人的目的。

課程以課程基地為平臺，通過提供豐富的軟硬件資源和最新技術(shù)的數(shù)字化環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生掌握STEM教育的理念，逐步了解STEM教育的規(guī)律，認(rèn)識STEM教育在人們?nèi)粘９ぷ鲗W(xué)習(xí)中的重要價值，學(xué)會運(yùn)用多學(xué)科知識融合解決現(xiàn)實(shí)生活的真實(shí)問題。如：《數(shù)學(xué)建模—機(jī)器人》這門選修課安排在高三上學(xué)期，過程是先用數(shù)學(xué)建模的方法建立問題求解的數(shù)學(xué)模型，通過真實(shí)數(shù)據(jù)用數(shù)學(xué)的方法驗(yàn)證模型的科學(xué)性與可行性，模型通過了驗(yàn)證，這樣就打下了解決問題的理論基礎(chǔ)，再用機(jī)器人工程設(shè)計(jì)思想和機(jī)器人的軟硬件資源實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用于生產(chǎn)生活。目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會運(yùn)用數(shù)學(xué)的方法解決生活中的實(shí)際問題，同時為學(xué)生走進(jìn)大學(xué)打好高中與高校銜接基礎(chǔ)，不至于到大學(xué)進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室時茫然無措。

高一下學(xué)期開設(shè)了國家課程《數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》（國家選擇性必修）和《技術(shù)與設(shè)計(jì)2》（必修），校本課程《FLL機(jī)器人工程設(shè)計(jì)》和《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》。依然采用校本課程與國家課程融合的方式解決問題?！都夹g(shù)與設(shè)計(jì)2》第一章就講到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，與《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》校本課程相吻合。這樣可能會有課時不足的問題，解決辦法是周六下午開放實(shí)驗(yàn)室，讓沒完成任務(wù)的小組自行完成學(xué)習(xí)任務(wù)，趕上課時進(jìn)度。

②開設(shè)大量的校本課程選修課

在高二、高三共開設(shè)了6門STEM選修課，都有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室，能安排整班上課。這些課程的難度都是漸進(jìn)的，與高一所學(xué)校本課程都有依存性，能保證學(xué)生學(xué)習(xí)的連貫性。

③組建興趣小組

興趣小組主要以參賽小組為單元、單個競賽項(xiàng)目為平臺組建，不同班級、不同年級的相同競賽項(xiàng)目，依據(jù)學(xué)校的參賽規(guī)模組建，主要任務(wù)是參加國家、省、市的各級比賽。活動時間在周日下午，有指導(dǎo)教師指導(dǎo)。

④組建社團(tuán)

社團(tuán)的性質(zhì)不同于興趣小組，目的不是參賽，而是大家對某個問題有共同的愛好和濃厚的興趣才走到一起。人員也不統(tǒng)一，有學(xué)校各個年級感興趣的學(xué)生，還有校外的專家、社區(qū)愛好者、專業(yè)知識較強(qiáng)的高年級校友，甚至可以通過互聯(lián)網(wǎng)虛擬社區(qū)組織相關(guān)愛好者一起努力。在社團(tuán)里大家地位均等，共同研究?；顒訒r間在周六晚上，沒有指導(dǎo)教師，學(xué)校只提供場地和器材，由管理員負(fù)責(zé)。

通過實(shí)踐探索，我校已經(jīng)形成了國家課程、校本課程、興趣小組和社團(tuán)四位一體的全覆蓋，保證全體學(xué)生都能享受STEM教育帶來的快樂！

8.融合策略

（1）課程體系中整體融合

課程體系由基礎(chǔ)課程→拓展課程→研究課程→創(chuàng)新課程組成，課程之間有內(nèi)在聯(lián)系，從前導(dǎo)課程到后續(xù)課程，難度逐步推進(jìn)，逐步融合，為學(xué)生學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)提供了深層次空間。尤其是創(chuàng)新課程《數(shù)學(xué)建?！獧C(jī)器人》在整個課程體系中是一個最后總結(jié)統(tǒng)領(lǐng)性的課程，綜合融合了S、T、E、A、M等多學(xué)科知識，見圖3。

（2）分科課程精細(xì)化融合

分科課程在設(shè)計(jì)過程中要充分考慮到多學(xué)科知識的融合，教學(xué)內(nèi)容要適合項(xiàng)目式教學(xué)?！缎畔⒓夹g(shù)》課程就融合了數(shù)學(xué)的算法（1.2數(shù)據(jù)的計(jì)算中活動2，借助電子表格軟件解決“雞兔同籠”問題）、科學(xué)的信息學(xué)、技術(shù)中的數(shù)據(jù)加工技術(shù)（2.2做出判斷的分支，2.3周而復(fù)始的循環(huán)）。《通用技術(shù)》更是融合了科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)等內(nèi)容，如《技術(shù)與設(shè)計(jì)2》中結(jié)構(gòu)、流程、系統(tǒng)和控制這些系統(tǒng)設(shè)計(jì)，都包含了科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識的應(yīng)用，通用技術(shù)的其他選修課程更是如此。校本選修課程《創(chuàng)意機(jī)器人設(shè)計(jì)》中的每一個案例教學(xué)設(shè)計(jì)都重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)各科知識的融合。如圖4所示的無動力轉(zhuǎn)向小車（沒有轉(zhuǎn)向動力），首先是科學(xué)性，遵循能量守恒定律;技術(shù)性強(qiáng)調(diào)的是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性;學(xué)生小組設(shè)計(jì)制作要有工程系統(tǒng)的概念，在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)過程中嵌入工程系統(tǒng)過程，學(xué)生按步驟完成，完成每一步的設(shè)計(jì)日志;用數(shù)學(xué)的方法計(jì)算，建立數(shù)學(xué)幾何模型，設(shè)計(jì)最小的轉(zhuǎn)彎半徑;設(shè)計(jì)過程中要整體考慮小車的美觀性。

（3）學(xué)習(xí)過程踐行融合

知識的融合不應(yīng)僅僅是在教材、教師和學(xué)生中機(jī)械地強(qiáng)調(diào)融合，而應(yīng)在教學(xué)實(shí)踐過程中踐行融合，要活學(xué)活用。機(jī)器人創(chuàng)意社團(tuán)在研究機(jī)器人（EV3）走黑線時，對于怎么能讓機(jī)器人走得又快又穩(wěn)（一般機(jī)器人走黑線的三種方案中都會有左右搖擺的現(xiàn)象），社團(tuán)學(xué)生和教師測試了很多方法，都不能消除搖擺現(xiàn)象，只是搖擺幅度大小的不同，后來有學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)論壇里學(xué)習(xí)到PID控制EV3樂高機(jī)器人走黑線，通過修改Kp比例系數(shù)，達(dá)到一個最佳值，保證小車平穩(wěn)運(yùn)行，在此基礎(chǔ)上社團(tuán)師生共同再研究了基于視覺的PID控制板球項(xiàng)目，此項(xiàng)目的PID公式、控制流程和程序如圖5、圖6、圖7所示。

在教學(xué)過程中要鼓勵學(xué)生去創(chuàng)新、去融合，尤其是開放學(xué)科課程。學(xué)生自主的學(xué)習(xí)探究、習(xí)得的成果與養(yǎng)成的習(xí)慣才是學(xué)生終生學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。PID是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)，高中生要掌握比較難，但他們在社團(tuán)活動中遇到了問題，進(jìn)而想到要怎么去解決，自己解決不了，再去尋求幫助，找導(dǎo)師、找校外教授等幫助他們實(shí)現(xiàn)PID控制，這是最有價值的知識融合。

（4）評價過程重視融合

在評價過程中實(shí)施多維評價，評價指標(biāo)中加入知識融合度、在解決問題過程中融合了哪些學(xué)科知識都需要綜合考慮，不能為了融合而融合，而要在方案最優(yōu)的情況下通過融合多學(xué)科知識解決問題，提高效率。

四、反思與展望

STEM教育的最終目的是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)創(chuàng)新精神和動手實(shí)踐能力，培養(yǎng)解決真實(shí)世界問題的能力。STEM教育是社會發(fā)展的需要，也是社會發(fā)展的必然結(jié)果，是目前全世界各國所推崇的一種教育理念。但在我國目前的教育體制下，STEM教育并沒有落到實(shí)處，還有很長的路要走。很多學(xué)校投資很大，場地設(shè)備很先進(jìn)，但學(xué)生真正接受的還是應(yīng)試教育，尤其是初高中階段。以前我們的學(xué)科是越分越細(xì)，學(xué)生習(xí)得的知識偏窄，這樣的知識體系已經(jīng)不能適應(yīng)今天的社會需要。

在科技飛速發(fā)展的今天，隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能和5G技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，人類處理數(shù)據(jù)的能力大大增強(qiáng)，工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)，施工過程所需的學(xué)科門類增多了，所以當(dāng)今社會所需要的是知識復(fù)合型人才。以前的項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)施很少用到數(shù)學(xué)建模，但隨著信息技術(shù)的發(fā)展和虛擬現(xiàn)實(shí)的廣泛應(yīng)用，大多數(shù)的項(xiàng)目可以在前期認(rèn)證時進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建設(shè)，用以模擬出現(xiàn)實(shí)世界的效果，這大大提高了項(xiàng)目建設(shè)的效率和風(fēng)險(xiǎn)防范能力。

社會是要向前發(fā)展的，世界也是要向前發(fā)展的，是不以個人意志為轉(zhuǎn)移的。教育要適應(yīng)社會、科學(xué)、人文的發(fā)展，真正做到STEM教育的普及與推廣。全面推行教育教學(xué)改革，尤其是評價制度，升學(xué)率不能是唯一的評價指標(biāo)，不能只重視結(jié)果評價，要重視過程性評價。加快課程改革，增設(shè)綜合類學(xué)科（STEM課程），納入學(xué)校、教師、學(xué)生和校長的考核范圍，為我國社會發(fā)展、國家強(qiáng)盛做出貢獻(xiàn)，STEM教育必將有美好的未來。

參考文獻(xiàn)：

[1]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學(xué)科整合模式[J].開放教育研究，2015，21（4）：13-22.

[2]張君瑞.“基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)（DBL）”理論與實(shí)踐探索[D].揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2011.

[3]普通高中《信息技術(shù)》課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社.

[4]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學(xué)科整合模式[J].開放教育研究，2015，21（4）：13-22.（編輯：魯利瑞）