面向職教學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的STEM機(jī)器人課程設(shè)計(jì)與應(yīng)用

文/陳璟

近年來，關(guān)于STEM 與計(jì)算思維發(fā)展的融合設(shè)計(jì)研究在教育領(lǐng)域快速發(fā)展。本文通過梳理STEM 與計(jì)算思維的關(guān)系，結(jié)合職業(yè)教育學(xué)生的特點(diǎn)及其在機(jī)器人課程方面的興趣情況，探討了面向職教學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的STEM 機(jī)器人課程的設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)內(nèi)容，并在此基礎(chǔ)上引入教學(xué)案例進(jìn)行了應(yīng)用分析。

近年來，STEM 教育在世界范圍內(nèi)掀起一波熱潮，在各教育教學(xué)階段都受到諸多關(guān)注。美國更是將STEM 教育作為一項(xiàng)提高國家科技創(chuàng)新能力和國際競爭力的教育戰(zhàn)略，強(qiáng)調(diào)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的緊密聯(lián)系與交叉融合。[1]作為學(xué)生思維發(fā)展的重要內(nèi)容，計(jì)算思維成為信息時(shí)代新興的教育主題。為了全面提高STEM 教育的實(shí)施水平，增強(qiáng)學(xué)生的計(jì)算思維，教育領(lǐng)域開始逐步開展對(duì)STEM 和計(jì)算思維發(fā)展的融合設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。而培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的一個(gè)重要方式就是進(jìn)行機(jī)器人課程教學(xué)，特別是機(jī)器人的編程、構(gòu)建、數(shù)理計(jì)算等方面的教學(xué)。

一、計(jì)算思維與STEM 概述

早期，計(jì)算思維被認(rèn)為是一種以算法為核心、基于計(jì)算機(jī)科學(xué)的思維能力。2010 年，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的周以真教授在吸收和借鑒其他學(xué)者研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)計(jì)算思維進(jìn)行了嚴(yán)密的定義，即計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)的一系列思維活動(dòng)。[2]而STEM 是將科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科進(jìn)行融合，以整合上述四門學(xué)科的知識(shí)作為切入點(diǎn)，讓學(xué)生綜合運(yùn)用整合知識(shí)開展創(chuàng)造性學(xué)習(xí)，從而到達(dá)解決問題的目的。[3]

由此可以看出，計(jì)算思維較為重視解決問題過程中產(chǎn)生的分析思維和創(chuàng)新思維，且思維過程最后能以信息化的方式加以呈現(xiàn)；而STEM 則重視將四門學(xué)科中有關(guān)聯(lián)性的知識(shí)以項(xiàng)目的方式整合呈現(xiàn)給學(xué)生。因此，在教學(xué)過程中，教師需要將二者進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生在解決問題時(shí)通過聯(lián)系實(shí)際、分析問題、設(shè)計(jì)方案來獲得跨科學(xué)知識(shí)，以及在設(shè)計(jì)方案時(shí)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，使他們?cè)跇?gòu)建知識(shí)體系的同時(shí)提升自身的抽象思維與批判性思維。

二、面向職教學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的STEM 機(jī)器人課程的設(shè)計(jì)原則

本文所選取的研究對(duì)象為職業(yè)教育學(xué)生，其與中小學(xué)生在機(jī)器人課程學(xué)習(xí)方面的最大區(qū)別在于：他們的自我表達(dá)能力和社交參與能力較高強(qiáng)。因此，在教學(xué)過程中，一般的模擬教學(xué)和仿真情境已無法吸引職業(yè)教育學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。另外，職教學(xué)生在編程方面掌握的技能有限，計(jì)算思維不夠縝密，但動(dòng)手實(shí)踐能力較強(qiáng)，他們更喜歡自己嘗試搭建機(jī)器人模型。在這種情況下，教師首先要設(shè)計(jì)包含STEM 跨學(xué)科融合的真實(shí)問題情境，據(jù)此提出一系列問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行發(fā)散性思考，從而鍛煉學(xué)生的分析思維和批判性思維，達(dá)到知識(shí)遷移和增強(qiáng)學(xué)生計(jì)算思維能力的目的。其次，教師可要求并指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行多種算法的探討，讓學(xué)生在深度討論中拓寬思維。這樣既有利于尋求到算法清晰、更為完善的最優(yōu)方案，也可以強(qiáng)化學(xué)生的算法思維和系統(tǒng)思維，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展。最后，教師應(yīng)從多維度對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程及學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。針對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的評(píng)價(jià)，國際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）將其劃分為創(chuàng)造力、算法思維、批判性思維、問題解決、合作學(xué)習(xí)等五個(gè)方面[4]，教師可在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)更為細(xì)化的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行更為全面、客觀的評(píng)價(jià)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

三、面向職教學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的STEM 機(jī)器人課程的設(shè)計(jì)內(nèi)容

在通常情況下，完成一個(gè)STEM 機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)需要8 個(gè)課時(shí)，其主要涉及的教學(xué)環(huán)節(jié)有創(chuàng)設(shè)情境及確定問題、分解問題和規(guī)劃方案、嘗試解決問題和修改、成品展示與交流評(píng)價(jià)。其中，每個(gè)環(huán)節(jié)2 課時(shí)。教師需要對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，在每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)加入能夠提升職教學(xué)生計(jì)算思維的元素，整合STEM 教學(xué)目標(biāo)，從而全面提高學(xué)生的計(jì)算思維能力。

（一）教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)

教師要根據(jù)機(jī)器人項(xiàng)目的內(nèi)容，結(jié)合STEM 和計(jì)算思維的發(fā)展規(guī)律，提升學(xué)生解決問題的能力及動(dòng)手實(shí)踐能力。在進(jìn)行教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí)，教師應(yīng)側(cè)重學(xué)生在不同學(xué)科中的計(jì)算思維的發(fā)展，將計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐與計(jì)算觀念作為教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)的三個(gè)維度，并將其融入STEM 的科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四門學(xué)科教學(xué)目標(biāo)中，使學(xué)生在STEM 機(jī)器人項(xiàng)目學(xué)習(xí)過程中不僅能夠提高協(xié)作探究能力，同時(shí)還可以發(fā)展計(jì)算思維能力，并能熟練應(yīng)用程序算法解決問題。

（二）學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)

為了更好地開展教學(xué)，以及促進(jìn)學(xué)生間的交流與協(xié)作，在STEM 機(jī)器人課程教學(xué)的環(huán)境設(shè)計(jì)中，教師可以將環(huán)境分為硬件環(huán)境與軟件環(huán)境兩個(gè)部分。硬件環(huán)境的設(shè)計(jì)主要在于學(xué)習(xí)空間的創(chuàng)設(shè)。例如，在基于計(jì)算思維發(fā)展的STEM 機(jī)器人課程中，教師可將桌椅圍成一圈，并為學(xué)生開辟出可供書寫與展示的空間，讓學(xué)生可以更好地進(jìn)行交流對(duì)話與合作創(chuàng)造。軟件環(huán)境的設(shè)計(jì)主要在于項(xiàng)目中的情境創(chuàng)設(shè)。例如，教師要根據(jù)項(xiàng)目內(nèi)容創(chuàng)設(shè)出合適情境，使學(xué)生能夠沉浸其中開展探究，進(jìn)行跨學(xué)科融合學(xué)習(xí)，進(jìn)而完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

（三）教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

如圖1 所示，教師可將一個(gè)項(xiàng)目作為大課程，對(duì)教學(xué)過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的師生活動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（四）教學(xué)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

教師可以采用形成性評(píng)價(jià)與總結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)，綜合教師評(píng)價(jià)、小組評(píng)價(jià)和學(xué)生自我評(píng)價(jià)三個(gè)方面，從創(chuàng)造力、算法思維、批判性思維、問題解決、合作學(xué)習(xí)等五個(gè)方面明確學(xué)生的計(jì)算思維發(fā)展情況。在教師評(píng)價(jià)層面，教師應(yīng)對(duì)學(xué)生合作學(xué)習(xí)的表現(xiàn)、算法思維的優(yōu)化程度、項(xiàng)目成果的創(chuàng)新性進(jìn)行評(píng)價(jià)；在小組評(píng)價(jià)層面，教師可將其細(xì)分為小組自評(píng)及小組互評(píng)，讓所有小組采用相同的評(píng)價(jià)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)，從學(xué)生對(duì)項(xiàng)目的貢獻(xiàn)度出發(fā)，對(duì)學(xué)生的整體情況做出評(píng)價(jià)；在自我評(píng)價(jià)層面，學(xué)生應(yīng)從自身對(duì)知識(shí)的掌握程度、參與合作的程度、產(chǎn)生批判性思維的次數(shù)、產(chǎn)生創(chuàng)造性思維的次數(shù)等方面來進(jìn)行自我評(píng)價(jià)。從多個(gè)層面和多種維度進(jìn)行評(píng)價(jià)，有利于保證評(píng)價(jià)的全面性，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己的不足或短板，使其更加有針對(duì)性地制訂學(xué)習(xí)規(guī)劃。

四、面向職教學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的STEM 機(jī)器人課程教學(xué)案例

本文所選取的教學(xué)案例為“景區(qū)自動(dòng)噴霧降溫裝置”課程，來自《智能硬件項(xiàng)目教程：基于Arduino》教材。筆者所在學(xué)校的教師以項(xiàng)目為學(xué)習(xí)任務(wù)，綜合傳感器、超聲測量、自動(dòng)控制等知識(shí)，讓學(xué)生在已有知識(shí)基礎(chǔ)上完成綜合項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與制作。

在進(jìn)行STEM 機(jī)器人課程學(xué)習(xí)時(shí)，中小學(xué)生需要考慮的是機(jī)器人的功能是否能實(shí)現(xiàn)。而職教學(xué)生的思維更接近成人，在STEM 機(jī)器人課程學(xué)習(xí)中，不僅要考慮功能的實(shí)現(xiàn)，還需考慮程序算法的便捷性，以及環(huán)境、時(shí)間等因素對(duì)項(xiàng)目帶來的影響，從而使得設(shè)計(jì)的項(xiàng)目可以快速地投入生產(chǎn)運(yùn)營中。

（一）課程教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)

本文所選取的教學(xué)案例“景區(qū)自動(dòng)噴霧降溫裝置”課程涉及了較多綜合性知識(shí)。考慮到需要綜合判斷學(xué)生是否都掌握了STEM 中不同學(xué)科的知識(shí)，以及是否在計(jì)算思維的發(fā)展方面有所成長，教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，以計(jì)算思維中的計(jì)算概念為中心制定了以下課程教學(xué)目標(biāo)：

（1）科學(xué)（S）：了解傳感器的概念、觸發(fā)原理以及學(xué)會(huì)通過控制距離與溫度等變量來觸發(fā)傳感器。

（2）技術(shù)（T）：學(xué)會(huì)綜合使用循環(huán)語句與數(shù)組結(jié)合，找到編程的核心，并選擇最優(yōu)算法。

（3）工程（E）：學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)穩(wěn)定的自動(dòng)噴霧降溫裝置，并能根據(jù)環(huán)境選擇合適的材質(zhì)以及銜接位置。

（4）數(shù)學(xué)（M）：根據(jù)自動(dòng)噴霧降溫裝置的噴水范圍，計(jì)算景區(qū)面積以及裝置所需數(shù)量與投資金額。

與其他課程的教學(xué)目標(biāo)相比，“景區(qū)自動(dòng)噴霧降溫裝置”課程教學(xué)目標(biāo)在整體設(shè)計(jì)上更關(guān)注計(jì)算思維與STEM 目標(biāo)的整合，在知識(shí)習(xí)得與能力培養(yǎng)方面設(shè)計(jì)得更為全面，對(duì)不同的STEM 學(xué)科在計(jì)算思維方面的融合也有一定程度的體現(xiàn)。

（二）課程教學(xué)過程的實(shí)施

根據(jù)上述教學(xué)目標(biāo)，教師根據(jù)圖1 所確定的教學(xué)環(huán)節(jié)開展了教學(xué)工作。教學(xué)過程的具體實(shí)施情況如下。

1.創(chuàng)設(shè)情境，確定問題

教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，選取了學(xué)校所在地區(qū)的5A 級(jí)景區(qū)。學(xué)生為職教二年級(jí)學(xué)生，基本都已經(jīng)去過該景區(qū)，對(duì)該景區(qū)的情況與布局都比較熟悉。此外，部分學(xué)生已完成了C 語言的學(xué)習(xí)，對(duì)編程理論與編寫程序較為熟悉。教師在情境創(chuàng)設(shè)過程中，一方面以學(xué)生較為熟悉的景區(qū)游玩路線為主線，為學(xué)生創(chuàng)造輕松愉悅的氛圍，讓學(xué)生能夠帶著探究的熱情進(jìn)入學(xué)習(xí)情境；另一方面以解決實(shí)際問題為目標(biāo)，讓學(xué)生帶著問題進(jìn)入學(xué)習(xí)情境，為學(xué)生預(yù)留拓展探究的區(qū)域，讓學(xué)生通過有效的協(xié)作學(xué)習(xí)來解決問題。

在情境學(xué)習(xí)中，學(xué)生展開了積極發(fā)言與討論，發(fā)現(xiàn)需要解決的主要問題有：①自動(dòng)噴霧降溫裝置是通過什么來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的？②自動(dòng)噴霧降溫裝置的款式如何設(shè)計(jì)得比較輕便穩(wěn)定？③自動(dòng)噴霧裝置需要裝在什么位置才能實(shí)現(xiàn)景區(qū)范圍的全覆蓋？

2.分解問題，規(guī)劃方案

在該環(huán)節(jié)，教師讓學(xué)生根據(jù)已確定的問題進(jìn)行小組討論和頭腦風(fēng)暴。小組需要將主要問題分解為若干小問題，確定關(guān)鍵問題與關(guān)鍵技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上規(guī)劃解決方案與步驟，同時(shí)對(duì)小組成員進(jìn)行任務(wù)分工。

以某一小組討論問題“自動(dòng)噴霧降溫裝置是通過什么來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的”為例，在一輪深入討論后，學(xué)生分解出了以下問題：①有哪些常用方式可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制？②傳感器在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的作用是什么？③使用什么類型的傳感器可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴霧降溫裝置的快速啟動(dòng)與關(guān)閉？④根據(jù)什么條件選擇合適的傳感器或觸發(fā)器？⑤觸發(fā)傳感器的編程關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)是什么？⑥使用哪種編程語言能夠節(jié)約時(shí)間，更快啟動(dòng)自動(dòng)噴霧降溫裝置？

小組成員將問題分為傳感器、編程兩種類型進(jìn)行了任務(wù)分工，分別獲取兩種問題的答案，并開展了進(jìn)一步的交流與協(xié)作。

與其他環(huán)節(jié)相比，學(xué)生在這一環(huán)節(jié)有著充裕的時(shí)間進(jìn)行討論。教師可通過學(xué)生頭腦風(fēng)暴情況來判斷學(xué)生的問題分解能力。同時(shí)，教師還可根據(jù)學(xué)生制訂的解決方案以及方案執(zhí)行情況，判斷確認(rèn)學(xué)生的概括能力是否有所提高。

3.解決問題，修改調(diào)整

在問題解決階段，教師帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)傳感器自動(dòng)控制原理，引導(dǎo)學(xué)生找到傳感器在距離、溫度等方面的數(shù)學(xué)變量，以及通過編程循環(huán)語句來實(shí)現(xiàn)對(duì)噴霧降溫裝置的自動(dòng)控制。在這一過程中，學(xué)生的“算法思維”得到了有效培養(yǎng)，他們?cè)诰幊踢^程中不斷嘗試不同變量因素對(duì)整個(gè)作品設(shè)計(jì)的影響，評(píng)估自己小組的程序設(shè)計(jì)是否存在改進(jìn)提升的空間，是否需要調(diào)整或改善程序設(shè)計(jì)的某些部分，等等。此外，學(xué)生也對(duì)自動(dòng)噴霧降溫裝置進(jìn)行了工程結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)與構(gòu)建；教師引導(dǎo)學(xué)生如何使用常見的工具去制作富有創(chuàng)造性的作品，鼓勵(lì)學(xué)生在進(jìn)行小組討論時(shí)更多地關(guān)注作品的獨(dú)特性，同時(shí)不斷探尋和調(diào)整作品的完整度。

在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生表示：更加愿意嘗試挑戰(zhàn)復(fù)雜問題；除了獨(dú)立思考之外，通過合作學(xué)習(xí)能夠產(chǎn)生更多的想法；在思考問題的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生新的疑惑；在解決問題或做出選擇時(shí)，能夠進(jìn)行綜合判斷；等等。由此可見，學(xué)生的批判性思維、算法思維與問題解決能力都在學(xué)習(xí)中獲得了提升。

4.成果展示，交流評(píng)價(jià)

在這一環(huán)節(jié)，學(xué)生的主要任務(wù)是進(jìn)行小組成果匯報(bào)與作品展示，向其他小組分享作品的設(shè)計(jì)思路、在整個(gè)STEM 機(jī)器人課程學(xué)習(xí)過程中遇到的問題、如何通過討論和測試調(diào)整來解決問題等。同時(shí)，各小組之間還會(huì)互相評(píng)價(jià)作品，交流設(shè)計(jì)心得。此外，教師也會(huì)根據(jù)學(xué)生的匯報(bào)與展示情況、小組的自評(píng)和互評(píng)情況以及自身在課程教學(xué)過程中對(duì)學(xué)生的指導(dǎo)情況，對(duì)學(xué)生的STEM 學(xué)習(xí)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，并有針對(duì)性地進(jìn)行課程教學(xué)設(shè)計(jì)的調(diào)整和知識(shí)內(nèi)容的融合。

（三）課程教學(xué)評(píng)價(jià)

在結(jié)束課程教學(xué)后，教師組織開展了教學(xué)評(píng)價(jià)。78.3%的學(xué)生表示自己的創(chuàng)造力、批判性思維得到了提高。其中，30.6%的學(xué)生表示有顯著提升；54.8%的學(xué)生表示，感受到自己的計(jì)算思維、算法思維得到了增強(qiáng)；另有38.4%的學(xué)生對(duì)自己在合作學(xué)習(xí)方面的貢獻(xiàn)表示欣喜。教師則對(duì)學(xué)生在合作學(xué)習(xí)的完成度方面表示滿意，但認(rèn)為學(xué)生在優(yōu)化算法、作品創(chuàng)新方面還需進(jìn)一步完善。總體來看，本次課程的完成度以及師生的滿意度較好，教師與學(xué)生普遍認(rèn)可這種教學(xué)模式。

五、結(jié)語

作為計(jì)算機(jī)教育中的重要組成部分，計(jì)算思維的培養(yǎng)尤為重要。在STEM 視野下，培養(yǎng)職教學(xué)生的計(jì)算思維，教師需要?jiǎng)?chuàng)造問題化的情境，助力學(xué)生打破思維局限，綜合多門學(xué)科知識(shí)創(chuàng)新性地解決問題。機(jī)器人課程是建立在STEM 與計(jì)算思維發(fā)展之上的，在職業(yè)教育的機(jī)器人課程中開展STEM 與計(jì)算思維發(fā)展的融合設(shè)計(jì)，能夠全面提升職教學(xué)生的思維能力、計(jì)算能力、創(chuàng)造能力和實(shí)踐能力等，促進(jìn)職教學(xué)生不斷成長。