滲入STEM教育理念的機(jī)器人教學(xué)思路

◇潘 亮（甘肅：臨洮縣第一實(shí)驗(yàn)小學(xué)）

隨著STEM 教育政策的頒布，中國(guó)逐步進(jìn)入STEM 教育體制變革當(dāng)中?；诂F(xiàn)有學(xué)習(xí)模式、知識(shí)傳播方式與時(shí)代需求無(wú)法匹配的問(wèn)題，傳統(tǒng)教育的弊端日漸顯現(xiàn)，因此進(jìn)行跨學(xué)科素養(yǎng)培養(yǎng)、整體提高學(xué)生的綜合素質(zhì)的課程變革刻不容緩。

一、STEM教育理念和機(jī)器人教學(xué)的內(nèi)涵

（一）STEM教育理念

STEM 教育理念是Science、Technology、Engineering、Mathematics 四門(mén)學(xué)科的簡(jiǎn)稱，意味著多學(xué)科的相互融合，提倡培養(yǎng)多方面優(yōu)秀的綜合型人才。由美國(guó)政府率先提議，強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科培養(yǎng)并提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)，從而加強(qiáng)其社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)力。STEM 教育理念是跨學(xué)科教育融合而成的對(duì)于課程進(jìn)行變革的一種全新理念，打破了學(xué)科教育的界限，將四個(gè)不同學(xué)科相互結(jié)合進(jìn)行教育。近些年來(lái)，STEM 又加入Arts（人文藝術(shù)），由STEM 變?yōu)榘菪愿鼜?qiáng)、跨度更廣的教育新概念——STEAM。

（二）機(jī)器人教學(xué)

機(jī)器人，簡(jiǎn)義為一種可人工編程的并由人類(lèi)賦予其可模擬人類(lèi)行為動(dòng)作的一種多功能操作機(jī)。它以電子設(shè)備電路為硬件基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)為要件，傳感器、算法、機(jī)械結(jié)構(gòu)缺一不可，感知、決策、執(zhí)行分門(mén)別類(lèi)，看似機(jī)械但又能感知外界，如實(shí)地模擬出人的動(dòng)態(tài)行為。而機(jī)器人教學(xué)融合了多方面的學(xué)科知識(shí)，是一門(mén)需要理論充分結(jié)合實(shí)踐的實(shí)踐課程。小學(xué)機(jī)器人教學(xué)中，機(jī)器人教育主要分為四步：導(dǎo)入環(huán)節(jié)、建構(gòu)模型、圖形化編程、智能操控。通過(guò)搭建、編程、運(yùn)行進(jìn)行機(jī)器人的構(gòu)造和組建。除機(jī)器人構(gòu)建之外，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生在機(jī)器人教學(xué)課堂上的多方面能力。

二、傳統(tǒng)教育存在的問(wèn)題

小學(xué)基礎(chǔ)教育作為學(xué)生整個(gè)教育生涯的起始點(diǎn)，也是整個(gè)教育的基石，它奠定了學(xué)生時(shí)代的教育基礎(chǔ)。STEM 教育理念中的機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐是小學(xué)階段STEM 教育的主要方式之一，旨在提高學(xué)生的跨學(xué)科綜合素養(yǎng)、建立多學(xué)科思維方式、多角度理解解決問(wèn)題、創(chuàng)新和思維能力的拓展、綜合素質(zhì)能力的提升。這對(duì)于小學(xué)生今后的發(fā)展大有裨益。

（一）學(xué)生方面的因素

1.注重知識(shí)理論，缺乏實(shí)踐能力

我國(guó)一直以來(lái)都強(qiáng)調(diào)素質(zhì)教育，但是長(zhǎng)期應(yīng)試教育的弊端還是無(wú)法根除，知識(shí)理論的傳授仍然占據(jù)大量的時(shí)間，極大地壓縮了動(dòng)手實(shí)踐的空間。懂得理論和會(huì)使用是兩個(gè)完全不同的概念，只有將理論和實(shí)踐相結(jié)合，才能將理論的作用發(fā)揮到最大?；赟TEM 理念的機(jī)器人教學(xué)更強(qiáng)調(diào)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，光有理論知識(shí)是無(wú)法深入了解并學(xué)會(huì)這門(mén)學(xué)科的。

2.主觀能動(dòng)性不足，缺乏學(xué)習(xí)興趣

由于課程設(shè)置單一、單方面的知識(shí)普及和灌輸，導(dǎo)致現(xiàn)如今大多數(shù)學(xué)生都是被動(dòng)地接受知識(shí)，對(duì)于學(xué)習(xí)沒(méi)有興趣，純粹為了學(xué)習(xí)而學(xué)習(xí)。沒(méi)有自發(fā)地對(duì)學(xué)習(xí)進(jìn)行探究、對(duì)未知進(jìn)行探索，很多人對(duì)于知識(shí)的理解浮于表面，即被動(dòng)接受的那一部分。當(dāng)然，應(yīng)試教育的局限性其實(shí)也決定他們擁有這層知識(shí)就足夠了。沒(méi)有驅(qū)動(dòng)力的鞭策導(dǎo)致學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力大幅下降，無(wú)可厚非。不主動(dòng)學(xué)習(xí)，不去構(gòu)建屬于自己的完整的知識(shí)體系，永遠(yuǎn)被動(dòng)地接受知識(shí)，是永遠(yuǎn)無(wú)法對(duì)知識(shí)有屬于自己的認(rèn)知范疇和理解的。

（二）教師方面的因素

1.專(zhuān)業(yè)知識(shí)水平的局限

STEM 教育理念下的機(jī)器人教學(xué)的普及是要由高素質(zhì)的專(zhuān)業(yè)教師完成的，哪怕國(guó)家已經(jīng)著重推動(dòng)STEM 教育理念深入課堂，但是現(xiàn)如今并沒(méi)有STEM 教育理念方面的專(zhuān)業(yè)性培訓(xùn)，很多地區(qū)也沒(méi)有相對(duì)應(yīng)的培訓(xùn)條件。這意味著小學(xué)課堂上的STEM 教育是不完全專(zhuān)業(yè)的，很容易對(duì)學(xué)生的教育產(chǎn)生誤導(dǎo)。因此建設(shè)一支專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)的教師團(tuán)隊(duì)是十分必要的，而且由于機(jī)器人教學(xué)學(xué)科交叉性極強(qiáng)，也需要配備相對(duì)應(yīng)的專(zhuān)業(yè)老師，對(duì)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)的教學(xué)項(xiàng)目規(guī)劃。

2.缺乏創(chuàng)新因素

傳統(tǒng)教育的理念深入人心，長(zhǎng)時(shí)間的傳統(tǒng)教育哪怕在新的思潮噴涌而出、迅速普及的當(dāng)下，也無(wú)法完全被拋棄。尤其是教師這個(gè)越老越吃香的行業(yè)，閱歷和資歷決定了一個(gè)教師的發(fā)展空間，長(zhǎng)期的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)是教師的資本，傳統(tǒng)教育方法是他們一直以來(lái)的教學(xué)方式，無(wú)法基于目前教育現(xiàn)狀進(jìn)行創(chuàng)新式教育，一直囿于傳統(tǒng)教育思路的束縛。在現(xiàn)如今課程變革的大浪潮下，進(jìn)行STEM 創(chuàng)新教育迫在眉睫，作為教師更需要把握時(shí)代的教育需求，對(duì)傳統(tǒng)教育方式取其精華去其糟粕，融入新興的教育理念，進(jìn)行課堂的完全式變革。

三、機(jī)器人教學(xué)的總體策略

（一）理解滲入STEM教育理念的機(jī)器人教學(xué)

提升學(xué)生綜合素養(yǎng)并將教學(xué)理念真正融入課堂，需要全體師生對(duì)STEM 教育理念有更深入了解，需要體會(huì)小學(xué)機(jī)器人教學(xué)的核心理念。STEM 是綜合通融的教學(xué)方式，它突破了學(xué)科界限，更強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)的分工和整體的協(xié)同合作，需要有真正解決實(shí)際問(wèn)題的能力。在機(jī)器人課程教學(xué)中，不僅僅需要教導(dǎo)學(xué)生如何進(jìn)行機(jī)器人的開(kāi)發(fā)和執(zhí)行，以專(zhuān)門(mén)課程形式去教導(dǎo)學(xué)生掌握機(jī)器人相關(guān)的基本知識(shí)和基本技能，更重要的是，在動(dòng)手實(shí)操的過(guò)程中，開(kāi)闊自己的視野、創(chuàng)建多學(xué)科思維，進(jìn)行多元知識(shí)體系建設(shè)和知識(shí)融合。比如，3～6年級(jí)的一系列機(jī)器人課程，從動(dòng)手做的《智能機(jī)器人》到整體結(jié)合的《創(chuàng)意編程》到最后的《一起來(lái)學(xué)人工智能》，呈現(xiàn)系列課程的教育體系，深入淺出、循序漸進(jìn)地將學(xué)生一步步引入機(jī)器人學(xué)習(xí)的課堂，給他們的機(jī)器人學(xué)習(xí)構(gòu)建了一個(gè)初步藍(lán)圖。

（二）利用高校STEM資源

由于小學(xué)資源有限，沒(méi)有條件去組建STEM教育方面的專(zhuān)業(yè)教師團(tuán)隊(duì)，甚至有些學(xué)校因地域限制，沒(méi)有教材課本和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。因此在小學(xué)課堂上開(kāi)展機(jī)器人教學(xué)，可以聯(lián)合當(dāng)?shù)氐母咝?，利用高校的資源和師資條件，借助高校的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際教學(xué)的幫助，學(xué)習(xí)STEM 相關(guān)方面的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)自己學(xué)校的特點(diǎn)組建并培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)的師資力量，設(shè)置相匹配的專(zhuān)業(yè)性、系統(tǒng)性的課程方案，探索屬于自己的教學(xué)道路。參考其他小學(xué)的機(jī)器人教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)經(jīng)典和特色相結(jié)合的機(jī)器人課程，打造專(zhuān)有的小學(xué)機(jī)器人課程的基礎(chǔ)設(shè)施。如果沒(méi)有周邊或是當(dāng)?shù)馗咝５馁Y助，也可以向當(dāng)?shù)亟逃鞴懿块T(mén)尋求資金或是物力、人力的幫助。在開(kāi)展小學(xué)機(jī)器人教育的過(guò)程中，要找對(duì)方法，懂得尋求外力的幫助，這好過(guò)自己盲目摸索試錯(cuò)，能夠?qū)崿F(xiàn)事半功倍的效果。

（三）整合STEM項(xiàng)目設(shè)計(jì)

在進(jìn)行STEM 教育理念設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們需要考慮到STEM 教育理念的具體目標(biāo)，選定最相匹配的STEM 機(jī)器人項(xiàng)目。明確機(jī)器人載體的具體構(gòu)建是第一步，考慮該載體的功能和日常應(yīng)用，并考慮后續(xù)的場(chǎng)景設(shè)計(jì)和方案計(jì)劃。機(jī)器人引導(dǎo)教學(xué)，比如，在“探月工程”主題設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于模擬“月球車(chē)”在月球表面進(jìn)行探測(cè)，可以專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)一個(gè)相關(guān)的教學(xué)活動(dòng)，要求該“月球車(chē)”機(jī)器人有相應(yīng)的探測(cè)功能，能夠正常運(yùn)行到達(dá)指定地點(diǎn)并進(jìn)行探測(cè)，體會(huì)我國(guó)探月工程中的一些基本問(wèn)題解決方式。確定STEM 教育理念下的機(jī)器人教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，進(jìn)行簡(jiǎn)單的機(jī)器人任務(wù)布置，搭建一個(gè)月球車(chē)探測(cè)的具體場(chǎng)景，能夠幫助學(xué)生很快進(jìn)入機(jī)器人設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)狀態(tài)，更好地融入機(jī)器人學(xué)習(xí)當(dāng)中。

四、滲入STEM教育理念的機(jī)器人教學(xué)思路

STEM 教育理念下的機(jī)器人教學(xué)，強(qiáng)調(diào)動(dòng)手實(shí)踐能力，要求對(duì)知識(shí)進(jìn)行整合且能夠解決實(shí)際問(wèn)題。在實(shí)際設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人的過(guò)程當(dāng)中，我們需要確定具體的實(shí)踐項(xiàng)目主題并界定主題目標(biāo)，要貼近現(xiàn)實(shí)生活并體現(xiàn)學(xué)科交融性，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，以提升學(xué)生的跨學(xué)科綜合素養(yǎng)。

（一）確定實(shí)踐項(xiàng)目主題

在具體的機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐當(dāng)中，設(shè)計(jì)一個(gè)有針對(duì)性、功能性的機(jī)器人。設(shè)計(jì)機(jī)器人的前期，需要確立實(shí)踐項(xiàng)目主題。主題的選擇可以是生活瑣事，也可以是時(shí)態(tài)熱點(diǎn)，或國(guó)家大事。在進(jìn)行項(xiàng)目選擇和確立的時(shí)候，需要認(rèn)真觀察生活，根據(jù)自己的生活經(jīng)驗(yàn)，對(duì)生活取樣，進(jìn)行項(xiàng)目主題的選擇。要貼近生活，能夠解決實(shí)際問(wèn)題，也要符合自己的興趣愛(ài)好并考慮設(shè)計(jì)難度。假設(shè)設(shè)計(jì)一個(gè)智能澆花機(jī)器人，能夠解決現(xiàn)如今很多人忙于工作生活、無(wú)暇照看花草的問(wèn)題。

（二）界定實(shí)踐主題目標(biāo)

在確定好需要實(shí)踐的主題之后，需要調(diào)研分析該主題需要實(shí)現(xiàn)的具體目標(biāo)，對(duì)于該主題所涉及的所有學(xué)科知識(shí)進(jìn)行搜尋和整合。可以在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行與主題相關(guān)資料的尋找，調(diào)研其他相關(guān)項(xiàng)目，分析優(yōu)缺點(diǎn)，借鑒其優(yōu)點(diǎn)，避免并思考解決其缺點(diǎn)的方法，進(jìn)行創(chuàng)造性思考分析，將思考融入實(shí)踐。具體思考該項(xiàng)目需要實(shí)現(xiàn)哪些目標(biāo)，思考此項(xiàng)目需要哪些資源能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)目標(biāo)。同時(shí)進(jìn)行項(xiàng)目的功能性思考，對(duì)功能實(shí)現(xiàn)的步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)。比如，在智能澆花機(jī)器人設(shè)計(jì)上，便可分為四部分：?jiǎn)?dòng)—循跡—澆水—自動(dòng)關(guān)機(jī)。同時(shí)設(shè)計(jì)土壤濕度傳感器，測(cè)試土壤濕度，判斷是否需要澆水，需要澆水時(shí)自動(dòng)開(kāi)機(jī)澆水，實(shí)現(xiàn)一定濕度時(shí)，自動(dòng)關(guān)機(jī)。

（三）整合并儲(chǔ)備目標(biāo)資源

在設(shè)計(jì)智能機(jī)器人的時(shí)候，涉及的學(xué)科知識(shí)和資源非常多，是多學(xué)科、多實(shí)踐的極具挑戰(zhàn)性的作業(yè)。在動(dòng)手實(shí)操前，需要準(zhǔn)備好支持實(shí)踐的材料并翻閱相關(guān)的書(shū)籍，即技術(shù)類(lèi)的資源和輔助類(lèi)的資料，包括一些軟硬件設(shè)施、電子電路以及軟件編程工具、學(xué)習(xí)類(lèi)書(shū)籍等。比如，上述智能澆花機(jī)器人需要的是Arduino 開(kāi)源硬件、傳感器以及一些與智能澆花機(jī)器人相關(guān)的設(shè)計(jì)編程類(lèi)書(shū)籍和網(wǎng)站等。

隨著國(guó)家越來(lái)越重視教育行業(yè)的改革和發(fā)展，以及相關(guān)政策的頒布，對(duì)學(xué)科本質(zhì)和科學(xué)素養(yǎng)越發(fā)重視，在教育行業(yè)刮起了一股STEM 熱。而小學(xué)機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐是其中的重要組成之一，小學(xué)教育的重要性決定了小學(xué)機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐需要更強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)，要開(kāi)展并安排好基于STEM 教育理念的小學(xué)機(jī)器人實(shí)踐教育。在STEM 教育理念之下的機(jī)器人教學(xué)，應(yīng)當(dāng)具有目標(biāo)性、場(chǎng)景性、整合性，要有具體的清晰的實(shí)行計(jì)劃和專(zhuān)業(yè)的STEM 教育團(tuán)隊(duì)。在STEM 教育理念下，拓展學(xué)生的思維，加強(qiáng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，讓學(xué)生跨學(xué)科全方面發(fā)展，是時(shí)代的教育要求，也是今后教育的發(fā)展方向。