STEM視域下教育機(jī)器人的脈絡(luò)分析及前瞻：基于近十年國(guó)外核心數(shù)據(jù)庫(kù)的文獻(xiàn)分析

毛丹玲，惠恭健

（江南大學(xué) 人文學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

0 引言

隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等新技術(shù)的發(fā)展，人工智能逐漸滲透到教育領(lǐng)域，給教育帶來(lái)了巨大的變革。近年來(lái)，隨著世界各國(guó)在人工智能領(lǐng)域的發(fā)展，機(jī)器人教育逐漸受到越來(lái)越多人的關(guān)注。美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家致力于發(fā)展人工智能教育，制定了人工智能與機(jī)器人發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，極大地推動(dòng)了機(jī)器人教育領(lǐng)域的發(fā)展。

2019 年，教育部公布《2019 年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)安全工作要點(diǎn)》，強(qiáng)調(diào)了人工智能與教育深度融合的重要性，指出要對(duì)2 萬(wàn)名中小學(xué)生進(jìn)行信息素養(yǎng)評(píng)測(cè)，推動(dòng)中小學(xué)階段人工智能相關(guān)課程的設(shè)置，逐步推廣編程教育。該文件中提出的人工智能教育規(guī)劃可以追溯到2017 年和2018 年我國(guó)頒布的相關(guān)政策：2018 年，教育部印發(fā)《教育信息化2.0 行動(dòng)計(jì)劃》，提出“在新課改背景下，要將大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等領(lǐng)域相結(jié)合，促進(jìn)教育模式變革與生態(tài)重構(gòu)，全面支持中小學(xué)機(jī)器人教育的普及和深化”［1］。2017年，國(guó)務(wù)院頒布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中多次提到機(jī)器人，明確指出全民智能教育項(xiàng)目的重要性，強(qiáng)調(diào)在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育［2］。

然而，我國(guó)中小學(xué)機(jī)器人教育仍處于起步階段，存在教學(xué)內(nèi)容單一、包容性差、跨學(xué)科性不足等問(wèn)題。我國(guó)有學(xué)者從研究目的、技術(shù)和方法三個(gè)層面分析了機(jī)器人教育的現(xiàn)狀并對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望［3］；鐘柏昌等［4］聚焦于機(jī)器人教學(xué)模式，分析了不同教學(xué)模式應(yīng)用的場(chǎng)景與效果；李幸等［5］提出基于設(shè)計(jì)的STEM+C 課程，以提升學(xué)生的計(jì)算思維水平。以上研究表明，機(jī)器人作為人工智能教育的代表，具有非常大的潛力。它不僅能夠用于教授機(jī)器人本位知識(shí)，而且在促進(jìn)學(xué)生參與科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)（STEM）領(lǐng)域，培養(yǎng)計(jì)算思維、創(chuàng)造能力、問(wèn)題解決能力，提升學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、興趣、態(tài)度等方面具有很大的價(jià)值。因此，梳理國(guó)際上STEM 領(lǐng)域中的機(jī)器人教育研究，探究STEM 與機(jī)器人進(jìn)行整合的形式，可以為我國(guó)機(jī)器人教育研究帶來(lái)新的啟示，促進(jìn)我國(guó)中小學(xué)機(jī)器人教育的發(fā)展。

在現(xiàn)有研究中，周進(jìn)等［6］采用CiteSpace 工具對(duì)國(guó)際上的機(jī)器人教育進(jìn)行梳理，從學(xué)習(xí)效果層面進(jìn)行探究，指出機(jī)器人教育實(shí)踐與應(yīng)用的重要性；龔禮林等［7］對(duì)國(guó)內(nèi)外K12 階段的機(jī)器人教育進(jìn)行梳理，劃分了STEM 領(lǐng)域和非STEM 領(lǐng)域的機(jī)器人教育，但未對(duì)STEM 領(lǐng)域的機(jī)器人教育進(jìn)行深入探究；鐘柏昌［8］對(duì)國(guó)外機(jī)器人支持?jǐn)?shù)學(xué)教學(xué)的案例進(jìn)行剖析，提出機(jī)器人作為教學(xué)工具進(jìn)入課堂的可能，同時(shí)指出開(kāi)展STEM 相關(guān)的教學(xué)活動(dòng)是中小學(xué)機(jī)器人教育發(fā)展的重要方向。隨著人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)器人的創(chuàng)新性、實(shí)踐性、多樣性都為中小學(xué)實(shí)施STEM 教育提供了可能。然而，已有研究多集中在機(jī)器人本位知識(shí)學(xué)習(xí)，整合STEM 的機(jī)器人教育甚少。基于此，本研究對(duì)國(guó)際上STEM 領(lǐng)域的機(jī)器人教育進(jìn)行了梳理，總結(jié)了STEM+機(jī)器人的教學(xué)價(jià)值、教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)模式以及現(xiàn)存問(wèn)題，以期為我國(guó)機(jī)器人教育的實(shí)踐與應(yīng)用提供參考。

1 研究設(shè)計(jì)

1.1 文獻(xiàn)檢索

為獲得國(guó)際范圍內(nèi)STEM+機(jī)器人的相關(guān)研究，研究者在 Web of Science、EBSCO、SpringerLink、Wiley 等國(guó)際權(quán)威的社會(huì)科學(xué)引文索引中檢索，以檢索式“（robotics OR Lego）AND（STEM OR STEAM）AND（learn* OR education*）”在摘要中檢索，文獻(xiàn)類型設(shè)為期刊文章，時(shí)間設(shè)定為2012 年1 月-2021 年12 月，共獲得348 篇文獻(xiàn)作為數(shù)據(jù)源，以備后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

1.2 文獻(xiàn)篩選

為保證研究過(guò)程的嚴(yán)謹(jǐn)性與科學(xué)性，本研究制定了4條文獻(xiàn)篩選標(biāo)準(zhǔn)，包括納入標(biāo)準(zhǔn)與排除標(biāo)準(zhǔn)，以此來(lái)評(píng)估文獻(xiàn)質(zhì)量，如表1所示。

Table 1 Literature screening criteria表1 文獻(xiàn)篩選標(biāo)準(zhǔn)

剔除重復(fù)文獻(xiàn)后，首先進(jìn)行初篩，閱讀文獻(xiàn)標(biāo)題與摘要，根據(jù)上述篩選標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行初步篩選；其次進(jìn)行二次篩選，對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行全文閱讀，根據(jù)篩選標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深度復(fù)篩；最后，補(bǔ)充篩選階段，采用“滾雪球”的方式，以二次篩選過(guò)后所得文獻(xiàn)以及綜述類文獻(xiàn)為基礎(chǔ)，對(duì)其所引用以及被引用的文獻(xiàn)進(jìn)行檢索與閱讀，并根據(jù)篩選標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行最后篩選；最終共得到符合要求的文獻(xiàn)30篇。篩選過(guò)程如圖1所示。

1.3 數(shù)據(jù)抽取與整合

為從選取的文獻(xiàn)中抽取出關(guān)鍵信息，對(duì)機(jī)器人教學(xué)的過(guò)程與方法進(jìn)行系統(tǒng)性分析，將抽取信息分為以下四個(gè)維度：①文獻(xiàn)基本信息，包含第一作者、發(fā)表年份、發(fā)表期刊；②研究問(wèn)題，包含對(duì)該文獻(xiàn)研究問(wèn)題及結(jié)果的提煉、總結(jié)；③研究方法，包含研究設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析方法；④教學(xué)情境，包含教學(xué)年級(jí)、工具、內(nèi)容、對(duì)象、場(chǎng)景。

2 研究結(jié)果

通過(guò)系統(tǒng)性文獻(xiàn)綜述法梳理出國(guó)際上整合STEM 的機(jī)器人教育在中小學(xué)階段的最新研究現(xiàn)狀，為更清晰地明確研究進(jìn)展，仔細(xì)閱讀全文并結(jié)合抽取信息的4 個(gè)維度，將研究主題分為以下3 種（見(jiàn)表2）：①機(jī)器人教學(xué)的價(jià)值；②機(jī)器人教學(xué)設(shè)計(jì)與方法；③機(jī)器人教學(xué)模式。

2.1 機(jī)器人教學(xué)的價(jià)值

對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人走進(jìn)教育領(lǐng)域的角色包括學(xué)習(xí)的對(duì)象、認(rèn)知工具或者教學(xué)工具等，研究者多從知識(shí)與技能兩個(gè)維度驗(yàn)證機(jī)器人教學(xué)的有效性。

2.1.1 知識(shí)維度

在知識(shí)維度上，機(jī)器人教學(xué)的目的主要是促進(jìn)學(xué)生理解 STEM 相關(guān)學(xué)科知識(shí)，包括以機(jī)器人作為教學(xué)主題的綜合性STEM 課程和以機(jī)器人作為教學(xué)工具，強(qiáng)調(diào)促進(jìn)目標(biāo)學(xué)科知識(shí)理解的跨學(xué)科課程。

Fig.1 Screening process圖1 篩選過(guò)程

機(jī)器人教育集創(chuàng)新性、實(shí)踐性與多學(xué)科性于一身，涉及數(shù)學(xué)、科學(xué)、物理等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，因而研究者常將機(jī)器人作為教學(xué)主題開(kāi)設(shè)STEM 課程。如Coxon［9］設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)以數(shù)學(xué)為重點(diǎn)的CREST-M 課程，在課程中圍繞機(jī)器人的設(shè)計(jì)、搭建、編程等活動(dòng)進(jìn)行了為期一周的教學(xué)實(shí)踐，機(jī)器人的加入幫助了學(xué)生減少視線轉(zhuǎn)移，從而專注于學(xué)習(xí)內(nèi)容，最終學(xué)生的數(shù)學(xué)成績(jī)以及認(rèn)知能力都有所提升；Vicente 等［10］以問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，將“可持續(xù)性城市”作為主題設(shè)計(jì)科學(xué)活動(dòng)，開(kāi)展為期九周的STEM 主題項(xiàng)目課程，并在課程結(jié)束時(shí)以小組為單位制作課程作品來(lái)提高學(xué)生的項(xiàng)目參與度。最終，學(xué)生的反饋結(jié)果顯示，STEM 課程不僅促進(jìn)了他們科學(xué)技能的發(fā)展，而且增加了學(xué)習(xí)的興趣和積極性。

除了綜合性的STEM 課程之外，機(jī)器人也常作為教學(xué)工具，被用于學(xué)科教學(xué)之中。在科學(xué)課的學(xué)習(xí)中，學(xué)生們所學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)多是由教師對(duì)照課本講解，并沒(méi)有通過(guò)具體的實(shí)例幫助學(xué)生理解，為此Guven 等［11］將Arduino 機(jī)器人加入到課堂中，通過(guò)利用機(jī)器人模擬“能源轉(zhuǎn)換”、“能源效率”等場(chǎng)景，幫助學(xué)生理解生活中的科學(xué)知識(shí)，同時(shí)提高對(duì)學(xué)習(xí)的興趣。Saez等［12］則分別將mbot和Arduino 整合到數(shù)學(xué)知識(shí)點(diǎn)“整數(shù)”與科學(xué)知識(shí)點(diǎn)“電與磁”之中，以4 所小學(xué)的 93 名六年級(jí)學(xué)生作為研究對(duì)象，采用測(cè)試、問(wèn)卷、課堂觀察等多種方式收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示學(xué)生的數(shù)學(xué)成績(jī)有增長(zhǎng)趨勢(shì)，但科學(xué)成績(jī)并無(wú)顯著性變化。

2.1.2 技能維度

在技能維度上，機(jī)器人教學(xué)主要考察學(xué)生的思維技能、社交技能以及學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)與態(tài)度。

Sen 等［13］將LEGO 機(jī)器人與3D 打印機(jī)作為工具，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建能夠求解魔方的機(jī)器人，通過(guò)學(xué)習(xí)機(jī)器人搭建和程序編寫(xiě)，達(dá)到促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維水平提升的目的。在另一項(xiàng)研究中，為了培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力，Nemiro 等［14］在SRI 計(jì)劃中開(kāi)展基于問(wèn)題的機(jī)器人項(xiàng)目課程，在教授5個(gè)月的機(jī)器人知識(shí)之后，開(kāi)展了以小組為單位的機(jī)器人搭建項(xiàng)目。另外，空間能力的培養(yǎng)也是機(jī)器人教學(xué)關(guān)注的重點(diǎn)，Sisman 等［15］使用Robotis Dream ER 設(shè)計(jì)機(jī)器人編程課程，每周進(jìn)行不同的機(jī)器人活動(dòng)，幫助學(xué)生從最初的機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)到利用機(jī)器人完成課程任務(wù)，經(jīng)過(guò)31 周的實(shí)踐，學(xué)生的空間推理能力得到了顯著提升。在疫情期間，Cheng 等［16］開(kāi)發(fā)了一種特殊的機(jī)器人課程，該課程將以視頻的形式講解知識(shí)點(diǎn)，結(jié)合在線小組學(xué)習(xí)系統(tǒng)來(lái)支持學(xué)生隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)。隨后，研究者以22 名五年級(jí)學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象開(kāi)展為期3 個(gè)月的實(shí)踐，通過(guò)課堂測(cè)試成績(jī)、學(xué)生在線學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)、課程作品評(píng)價(jià)等多個(gè)維度的數(shù)據(jù)收集，發(fā)現(xiàn)參與該課程的學(xué)生邏輯思維能力有顯著提升。

Table 2 Specific information of literatures表2 文獻(xiàn)具體信息

然而，在改善學(xué)生STEM 態(tài)度與提升自我效能感方面，各研究呈現(xiàn)的結(jié)果卻截然不同。Barak 等［17］開(kāi)展了為期30h 的機(jī)器人課程，根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展情況將機(jī)器人課程劃分為機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)、問(wèn)題解決、項(xiàng)目練習(xí)三個(gè)部分，在每個(gè)部分都設(shè)置相應(yīng)的主題任務(wù)以測(cè)試學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，最終在課程結(jié)束后對(duì)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)測(cè)試，結(jié)果顯示學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)有大幅度的提高。而Leonard 等［18］通過(guò)將游戲與課程結(jié)合的方式設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，并在課程結(jié)束后對(duì)學(xué)生的自我效能感進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在使用計(jì)算機(jī)時(shí)的自我效能感有所下降。為探究機(jī)器人課程對(duì)學(xué)生STEM 態(tài)度的變化，Bethke 等［19］在小學(xué)課堂中進(jìn)行了另一項(xiàng)研究，他們?cè)诘谝荒暾n堂中使用傳統(tǒng)方式進(jìn)行教學(xué)，在第二年課堂中使用LEGO 機(jī)器人作為教學(xué)工具進(jìn)行教學(xué)，結(jié)果顯示使用LEGO 機(jī)器人的課程效果優(yōu)于傳統(tǒng)課程，但學(xué)生對(duì)兩種教學(xué)模式的態(tài)度并未產(chǎn)生明顯區(qū)別。

2.2 機(jī)器人教學(xué)設(shè)計(jì)與方法

機(jī)器人在教學(xué)課堂中的實(shí)際應(yīng)用，關(guān)乎機(jī)器人教育的應(yīng)用與發(fā)展?，F(xiàn)有較多學(xué)者對(duì)其教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。

Ucgul 等［20］重點(diǎn)關(guān)注教育機(jī)器人訓(xùn)練營(yíng)的活動(dòng)設(shè)計(jì)問(wèn)題，采用多案例設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)器人項(xiàng)目，研究者在兩個(gè)訓(xùn)練營(yíng)中分別開(kāi)設(shè)不同的主題任務(wù)，用來(lái)教授學(xué)生數(shù)學(xué)和科學(xué)知識(shí)，并在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中收集定性和定量的數(shù)據(jù)來(lái)證明活動(dòng)的有效性。Wu 等［21］將助教機(jī)器人作為教學(xué)工具，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了教學(xué)課程，該課程以交際語(yǔ)言教學(xué)法、全身反應(yīng)教學(xué)法和故事教學(xué)法進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，通過(guò)大量的課程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)均有所提升。Li 等［22］強(qiáng)調(diào)教學(xué)設(shè)計(jì)的重要性，提出一種基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)方法來(lái)提高學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維水平，旨在通過(guò)模擬現(xiàn)實(shí)世界中的問(wèn)題來(lái)促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)編程知識(shí)。經(jīng)過(guò)3 個(gè)單元的系統(tǒng)學(xué)習(xí)后，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的計(jì)算思維水平有較大幅度的提升。除了基于機(jī)器人項(xiàng)目進(jìn)行課程設(shè)計(jì)之外，也有部分學(xué)者結(jié)合已有的模式理論開(kāi)展機(jī)器人教學(xué)，如Shih等［23］基于情境學(xué)習(xí)理論探討在科學(xué)課程中應(yīng)用LEGO NXT 的學(xué)習(xí)效果。研究中，教師在五年級(jí)的科學(xué)課程中模擬動(dòng)物棲息地的場(chǎng)景，講解相關(guān)生物知識(shí)。這種教學(xué)設(shè)計(jì)以生境環(huán)境為中心，大部分學(xué)習(xí)活動(dòng)都在生境模型中進(jìn)行，使學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)與情境融為一體，促進(jìn)學(xué)生積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)。Hung 等［24］以ARCS 動(dòng)機(jī)模型作為理論指導(dǎo)，結(jié)合機(jī)器人助教進(jìn)行學(xué)習(xí)活動(dòng)的設(shè)計(jì)，采用準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和調(diào)查問(wèn)卷的方式收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終發(fā)現(xiàn)該方式顯著提高了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、學(xué)習(xí)表現(xiàn)與持續(xù)意愿。

2.3 機(jī)器人教學(xué)模式

機(jī)器人教育是一種整合了多種學(xué)科的綜合類教學(xué)，涉及數(shù)學(xué)、物理、美術(shù)等學(xué)科知識(shí)。理論上，機(jī)器人教學(xué)具有豐富的教育價(jià)值，是教育改革的一劑良藥。但機(jī)器人教學(xué)價(jià)值的有效發(fā)揮同樣離不開(kāi)教學(xué)模式、教學(xué)方式的保障。

現(xiàn)今，多數(shù)學(xué)者構(gòu)建的機(jī)器人教學(xué)模式均以建構(gòu)主義理論為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的自主性與積極性。如Nemiro［25］以建構(gòu)主義理論為基礎(chǔ)，采用基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方式開(kāi)展機(jī)器人課程，以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，通過(guò)對(duì)學(xué)生的課堂行為編碼與發(fā)放問(wèn)卷的形式收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)能有效提升學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的結(jié)論；Saez 等［12］在小學(xué)數(shù)學(xué)和科學(xué)課的知識(shí)點(diǎn)中設(shè)置項(xiàng)目式活動(dòng)，通過(guò)課程測(cè)驗(yàn)成績(jī)證明了機(jī)器人有助于學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)點(diǎn)的理解。除此之外，也有學(xué)者關(guān)注合作學(xué)習(xí)模式在機(jī)器人教育中的應(yīng)用，Cheng 等［26］、Menekse 等［27］采用小組合作學(xué)習(xí)的方式，以機(jī)器人學(xué)習(xí)小組為例，通過(guò)客觀任務(wù)績(jī)效和專家評(píng)委評(píng)估作為數(shù)據(jù)衡量標(biāo)準(zhǔn)，探究群體對(duì)互動(dòng)和成就的影響，結(jié)果顯示小組之間的有效互動(dòng)能夠顯著提升學(xué)生的績(jī)效；Yuen 等［28］在機(jī)器人夏令營(yíng)中探究了小組合作學(xué)習(xí)的方式如何影響學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，并為之后的教學(xué)提供了一些活動(dòng)設(shè)計(jì)的建議。Jordan 等［29］建立同伴反應(yīng)模式，開(kāi)展了為期兩個(gè)月的機(jī)器人項(xiàng)目實(shí)踐，利用學(xué)生課堂行為數(shù)據(jù)和小組作品評(píng)分，探究了同齡人的互動(dòng)如何影響學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。Sullivan 等［30］則強(qiáng)調(diào)采用“開(kāi)放式”的機(jī)器人教學(xué)模式能夠?qū)W(xué)生的思維能力以及科學(xué)處理能力有顯著的促進(jìn)作用。

3 研究結(jié)論

目前機(jī)器人教育主要面對(duì)小學(xué)生，多數(shù)集中在對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)上，其中 LEGO 系列和Arduino 機(jī)器人是研究中廣泛采用的教育機(jī)器人。從研究方法來(lái)看，多數(shù)研究采用實(shí)驗(yàn)與準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)合的方式，部分研究集中在機(jī)器人課程的教學(xué)設(shè)計(jì)上?；诖说贸鲆韵陆Y(jié)論：

3.1 機(jī)器人教學(xué)效果有待驗(yàn)證

從教學(xué)效果上看，多數(shù)研究從學(xué)生成績(jī)、興趣與動(dòng)機(jī)、情感態(tài)度等方面衡量學(xué)習(xí)效果，數(shù)據(jù)顯示機(jī)器人教學(xué)在很大程度上對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)有正向促進(jìn)作用，但也仍有部分研究表明機(jī)器人教學(xué)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果存在著消極影響。

在知識(shí)維度上，機(jī)器人的趣味性與實(shí)踐性使其能夠?qū)⒉糠謱W(xué)科中難以理解的概念具象化，因而成為數(shù)學(xué)、物理、科學(xué)等學(xué)科的有力教學(xué)工具。不論是在綜合性的STEM 課程，或是相關(guān)學(xué)科的教學(xué)中，多數(shù)研究表明機(jī)器人教學(xué)能積極促進(jìn)學(xué)生學(xué)業(yè)課程表現(xiàn)，提升學(xué)業(yè)成績(jī)。而在技能維度上，尤其是在改善STEM 態(tài)度與培養(yǎng)STEM 學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)方面，各研究呈現(xiàn)出不一樣的結(jié)果。Negrini 等［31］的研究表明，大部分學(xué)生的STEM 態(tài)度有所改善，但性別與年齡上的差異影響著學(xué)生對(duì)該項(xiàng)目的看法。Leonard 等［18］則將游戲融入到機(jī)器人課程中，在課后對(duì)學(xué)生的自我效能感進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的自我效能感有所下降，筆者認(rèn)為這一結(jié)果可能是受編程工具和項(xiàng)目中問(wèn)題難度的影響所致。由此得出，機(jī)器人教學(xué)的研究結(jié)果受諸多因素影響，教學(xué)環(huán)境、樣本數(shù)量與性別、工具的使用頻率與周期、機(jī)器人的類型與數(shù)量、評(píng)價(jià)的方法等均能對(duì)研究產(chǎn)生一定影響［32］，后續(xù)仍需完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，控制無(wú)關(guān)變量，提高實(shí)驗(yàn)信度。

盡管大多數(shù)研究認(rèn)為機(jī)器人在促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)、提高STEM 興趣、改善STEM 態(tài)度等方面效果卓越，但由于機(jī)器人教學(xué)的研究結(jié)果受諸多因素影響，仍需進(jìn)行更多的實(shí)踐研究進(jìn)一步證明這一結(jié)果，并探究其影響因素。

3.2 機(jī)器人課程設(shè)計(jì)亟待完善

從機(jī)器人教學(xué)設(shè)計(jì)的角度上看，盡管關(guān)于機(jī)器人教學(xué)的討論較多，但針對(duì)機(jī)器人課程設(shè)計(jì)的研究并不多見(jiàn)。

研究者多角度進(jìn)行了探索，相關(guān)研究方法與策略值得借鑒，但大多課程僅停留在簡(jiǎn)單的機(jī)器人應(yīng)用層面，教學(xué)方法缺乏一定沉淀。從課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐上看，大多在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上選取部分案例，通過(guò)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行簡(jiǎn)單實(shí)踐，研究方法較為單一，且并未對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行二次實(shí)踐和修改。同時(shí)，課程設(shè)計(jì)后的相關(guān)研究未得到大規(guī)模的推廣應(yīng)用，缺乏成熟的案例作為參考。因此，對(duì)于機(jī)器人教學(xué)的課程設(shè)計(jì)和具體開(kāi)展形式需要進(jìn)一步的探索。除此之外，機(jī)器人教育的“主力軍”是教師，因此師資力量也是影響機(jī)器人教學(xué)推進(jìn)和改革的重要因素。如何在學(xué)校中提供技術(shù)支持類的學(xué)習(xí)環(huán)境，幫助教師完成數(shù)字化轉(zhuǎn)型是未來(lái)機(jī)器人課程設(shè)計(jì)的重要議題。

3.3 教學(xué)模式評(píng)價(jià)指標(biāo)單一

從教學(xué)模式的角度上看，機(jī)器人教育模式的構(gòu)建處于快速發(fā)展階段，多數(shù)現(xiàn)有教學(xué)模式已在教學(xué)實(shí)踐中得到驗(yàn)證，證明其有利于學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)。但機(jī)器人教學(xué)模式多采用項(xiàng)目式或合作學(xué)習(xí)模式，且多數(shù)教學(xué)模式構(gòu)建集中在學(xué)習(xí)績(jī)效、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等單一評(píng)價(jià)指標(biāo)上。

在機(jī)器人教學(xué)模式的評(píng)價(jià)指標(biāo)上，多數(shù)學(xué)者以建構(gòu)主義理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建項(xiàng)目式教學(xué)模式，將學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力與學(xué)業(yè)成績(jī)作為衡量教學(xué)模式的首要指標(biāo)，忽略了機(jī)器人教學(xué)模式對(duì)學(xué)生動(dòng)手、創(chuàng)新能力等多方面的影響，無(wú)法全面評(píng)價(jià)機(jī)器人教學(xué)模式的作用。同時(shí)，在評(píng)價(jià)方式、評(píng)價(jià)內(nèi)容方面多采用問(wèn)卷調(diào)查、學(xué)業(yè)成績(jī)等單一維度的方式收集數(shù)據(jù)，樣本容量以及數(shù)據(jù)的可靠性仍有待驗(yàn)證。

4 未來(lái)研究方向

從以上研究中可知，當(dāng)前國(guó)際機(jī)器人教育應(yīng)用研究主要集中于教學(xué)價(jià)值、教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)模式等方面?；诖?，本文在分析機(jī)器人教育的實(shí)證研究中，提出我國(guó)機(jī)器人教育應(yīng)用研究發(fā)展方向。

4.1 完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，提高機(jī)器人實(shí)驗(yàn)信度

以上研究表明，多數(shù)機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐的周期較短，且樣本量較小，研究信度有待提升。多數(shù)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐周期維持在一學(xué)期之內(nèi)，且實(shí)驗(yàn)對(duì)象的年齡多集中在小學(xué)階段，缺乏標(biāo)準(zhǔn)的各年齡段的機(jī)器人課程。除此之外，機(jī)器人對(duì)學(xué)習(xí)效果的影響也有待驗(yàn)證。

在Leonard 等［18］的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生在計(jì)算機(jī)使用這一模塊的自我效能感顯著下降，筆者認(rèn)為是受到項(xiàng)目問(wèn)題與編程工具的影響，進(jìn)一步說(shuō)明了機(jī)器人教學(xué)效果受到諸多因素的影響。性別差異對(duì)機(jī)器人教學(xué)效果的影響也是學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)，Master 等［33］采用對(duì)照實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證性別差異是否會(huì)影響學(xué)生在STEM 領(lǐng)域的學(xué)習(xí)，結(jié)果證明男女生在STEM 興趣方面并無(wú)顯著差異。但Negrini 等［31］的實(shí)驗(yàn)則發(fā)現(xiàn)女生認(rèn)為在團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力上有較大提升，而男生認(rèn)為計(jì)算控制能力與自我效能感方面的提升更多。因此，后續(xù)仍需更多實(shí)踐探究機(jī)器人教學(xué)的影響因素。同時(shí)，也要避免“霍桑效應(yīng)”，即被研究者意識(shí)到自己被關(guān)注時(shí)，會(huì)刻意改變自身行為，造成實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)偏差。未來(lái)，機(jī)器人的實(shí)踐應(yīng)采用實(shí)驗(yàn)或準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，收集多維度全面的數(shù)據(jù)，盡可能采用較大樣本進(jìn)行較長(zhǎng)周期的研究來(lái)提高實(shí)驗(yàn)信度。

4.2 立足教學(xué)實(shí)踐，推動(dòng)個(gè)性化課程開(kāi)發(fā)

機(jī)器人課程的目的是培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)未來(lái)社會(huì)的核心能力，基于此，如何培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，將成為機(jī)器人課程開(kāi)展的重要內(nèi)容?，F(xiàn)今的課程大多以項(xiàng)目化活動(dòng)為依托進(jìn)行機(jī)器人主題相關(guān)教學(xué)，國(guó)際上利用實(shí)證研究分析了整合STEM 的機(jī)器人課程流程，針對(duì)課程的設(shè)計(jì)、開(kāi)展、影響等進(jìn)行總結(jié)，提出了課程設(shè)計(jì)的策略與方法，為后續(xù)不同學(xué)段的課程開(kāi)發(fā)打下了基礎(chǔ)。

相較而言，我國(guó)機(jī)器人課程仍處于起步階段，各地未出現(xiàn)統(tǒng)一的課程標(biāo)準(zhǔn)，部分地區(qū)還未開(kāi)展相關(guān)內(nèi)容教學(xué)［34］。因此，研究者有必要立足于我國(guó)國(guó)情與教學(xué)需求，大力推進(jìn)機(jī)器人課程的實(shí)證研究與項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，積極開(kāi)展跨學(xué)科課例研究、各學(xué)段教材開(kāi)發(fā)、個(gè)性化項(xiàng)目實(shí)施等工作，在實(shí)踐中收集數(shù)據(jù)，驗(yàn)證課程效果，以總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，完善理論建設(shè)，真正推動(dòng)我國(guó)機(jī)器人教育理論與實(shí)踐的發(fā)展。

4.3 整合外部資源，多維度構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)

機(jī)器人課程的教學(xué)模式遵循 STEM 教育理念下的經(jīng)典教學(xué)模式，多數(shù)學(xué)者以項(xiàng)目化學(xué)習(xí)為引導(dǎo)，構(gòu)建機(jī)器人教學(xué)模式［35］。但其評(píng)價(jià)維度單一，僅從學(xué)業(yè)成績(jī)或者STEM 態(tài)度等方面進(jìn)行分析，缺乏對(duì)學(xué)習(xí)者創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力等綜合能力的評(píng)估。

我國(guó)尚未形成較為完善的機(jī)器人教學(xué)模式，對(duì)機(jī)器人學(xué)科的特點(diǎn)認(rèn)識(shí)不足，多數(shù)依托于STEM 教育模式，僅僅將STEM 教學(xué)模式直接運(yùn)用到機(jī)器人教育教學(xué)中。盡管機(jī)器人教育的理念與STEM 教育相一致，但機(jī)器人學(xué)科也存在不同的學(xué)科特征，教學(xué)模式的構(gòu)建要從機(jī)器人學(xué)科的特點(diǎn)出發(fā)。因此，未來(lái)研究應(yīng)從機(jī)器人學(xué)科的角度出發(fā)，分析學(xué)習(xí)者與教學(xué)者對(duì)機(jī)器人教育教學(xué)的需求，多維度構(gòu)建教學(xué)模式及其評(píng)價(jià)體系等內(nèi)容。具體而言，我國(guó)應(yīng)整合外部資源，構(gòu)建高等院校、社會(huì)企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)與政府的合作體系，結(jié)合我國(guó)不同年齡階段學(xué)生的編程認(rèn)知能力與技術(shù)接受度，分析各個(gè)地區(qū)的教學(xué)需求，以國(guó)家教育政策為指導(dǎo)，學(xué)校課程為樣例，探究適合我國(guó)學(xué)生發(fā)展、適應(yīng)當(dāng)前教學(xué)現(xiàn)狀、側(cè)重核心素養(yǎng)培育的機(jī)器人教學(xué)模式。