中學機器人教育與STEAM教育融合探索

劉瑋松　劉海東　焦曉武　金石梅

摘 要 機器人技術迅速發展，很多中學相繼開設機器人教育課程，但由于機器人教育正處在初級發展階段，我國中學機器人教育課程中還有很多問題有待解決，尤其突出的問題是機器人教育功利性強，教育研究視野不寬廣。針對存在的問題，通過將機器人教育與STEAM教育相融合，從教學目標、教學內容、教學策略、教學評價四方面探索機器人教育的新思路。

關鍵詞 機器人教育；STEAM教育；中學；互聯網+

中圖分類號：G630 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）20-0011-03

Probe into Integration of Robot Education and STEAM Educa-tion in Middle School//LIU Weisong， LIU Haidong， JIAO Xiaowu， JIN Shimei

Abstract The rapid development of robot technology， many schools have carried out the robot education curriculum， but because the

robot education is in the primary stage of development， the robot course in middle school education in our country has many problems，

especially the problem of robot education is utilitarian， from the per-

spective of educational research is not broad， aiming at these pro-blems， the robot STEAM education and education integration， from

the teaching objectives， teaching content， teaching strategies， tea-

ching evaluation four aspects to explore new ideas for robot education.

Key words robot education； STEAM education； middle school； internet plus

1 引言

在“互聯網+”時代，教育與技術全面融合，中學機器人教育有了很大發展，已經有很多中學開展了機器人教育課程，但建設中還存在很多問題，例如：教育目標重模仿實驗，重基礎輕應用；教育內容重技術輕整合；教育研究與實踐視野不夠寬廣[1]；教育模式以競賽為主，尚未普及[2]；

等等。當前正風靡于美國、韓國、英國等國家和地區的STEAM（Science，科學；Technology，技術；Engineering，

工程；Art，藝術；Mathematics，數學）教育依托新技術轉變教學理念和教學模式，正好適合解決中小學機器人教育存在的問題[3]。通過將科學、技術、工程、藝術和數學五方面進行整合，體現了對現實世界的全面理解，順應了時代的發展，反映了新時代對人才的要求。將機器人教育和STEAM教育相融合是十分有意義的[4]，因此提出將機器人教育和STEAM教育相融合，探索機器人教育新思路。

2 STEAM教育

STEAM教育由美國弗吉尼亞科技大學學者Yakman在研究綜合教育時首次提出，即加強美國K12關于科學、技術、工程、藝術及數學教育[3]，專門用于建立動手類創造性課程。STEAM教育實施最有效的策略，是從跨學科、跨領域的角度，從開展實踐、促進專長發展的角度，以及從真實情境中的問題解決角度，將其融入現有課程中。不僅可以使學生迅速接受新改變，而且便于進行及時調整，使學生學習起來更加輕松，同時也能方便教師掌握。

3 機器人教育存在的不足

近年來，隨著基礎教育課程改革的不斷深入，我國中學機器人教育有了很大發展，但客觀來說，仍然處于初級階段，普及率很低[2]，且大都以功利性競賽為主，在教育目標層面側重模仿實驗，重基礎輕應用[5]；在教育內容層面側重學科本位，重技術輕整合；教育理念支持不足，一直沒有提出教育理念和準則[6]，機器人教育無法更深入開展；教育發布不均衡、發展不平衡，西北地區相對于南方發達地區，機器人教育起步較晚，相關教學活動很少。

4 機器人教育與STEAM教育融合的必然性

當前應試教育根深蒂固于家長、教師和學生的心中，大多數人認為機器人教育是一種課外活動，是為了娛樂學生而存在的，并不是一門真正獨立的完整學科。他們認為，學生應該更注重課本知識的學習，而不是過多地參與這種活動。這就使得機器人教育課程難以順利有效地開展，進而學生也就很難有興趣參與其中，遏制了學生想象力和創新力的發展。而STEAM教育強調以學生為中心，將科學、技術、工程、藝術及數學進行融合，開展教學活動。在機器人教學過程中綜合運用多方面內容進行教學，讓學生在機器人教育中不僅可以學習到先進的機器人技術，而且可以學習到各個方面的知識，通過實際操作，培養創新意識和能力。最終打破上述僵局，幫助家長、教師和學生理解機器人教育的重要性，讓機器人教育沖破原有的束縛，解決當前機器人教育中存在的現實問題。

5 機器人教育與STEAM教育融合

機器人教育與STEAM教育融合應注意：重視科學、技術的實際意義，運用實際的例子，幫助學生發揮想象力進行創作；重視學生的情緒與社交，幫助學生在操作過程中培養情感態度和價值觀[7]；以科學解釋和嚴密的數學邏輯為基礎，幫助學生認清事物的原理，掌握關鍵技術，找到根本原因，解決問題；在操作和探究過程中注重藝術的發揮，培養學生對待事物的藝術感和審美能力。endprint

STEAM教育的五部分（科學、技術、工程、藝術和數學）既相互獨立又彼此聯系，將STEAM教育融入機器人教育課程，核心離不開教學過程中這五部分的相互綜合、相互作用。并且機器人教育處在初級階段，同樣離不開STEAM教育的補充和構建。同時，在機器人教育過程中要遵循STEAM教育的相關原則，但最終要以中小學機器人教育原則為主，探索出完善的中小學機器人教育課程體系。

在教學之前需要進行的是教學前期分析，需要分析學習者也就是學生的學習興趣、學習動機，分析機器人教育的軟硬件環境，如教室、機器人設備、相關軟件等，最終明確學習需要，制定相關教學環節。在融合前后都需要進行這些方面的分析，因此在此不做贅述。本文著重從教學目標、教學內容、教學策略、教學評價四個環節，融合STEAM教育的科學、技術、工程、藝術和數學等五方面進行探索設計。

教學目標 以學習者特征分析為依據，結合當前機器人教育重模仿實驗、重基礎輕應用的狀況，以三維目標體系為基礎，機器人教育與STEAM教育融合后的教學目標如下。

1）知識與技能：學生在創設的實際科學和技術情境中理解基礎理論知識，掌握具體操作技術，改變以往教師操作、學生模仿的教學模式，學生在實際情境中發揮想象力，自由設計，創作自己的作品，在實際動手操作過程中提升創新能力和科學素養。

2）過程與方法：學生在對實際問題的研究過程中，彼此之間進行交流合作，在探究過程中以科學的解釋和嚴密的數學邏輯為基礎，認清事物發展的原理，注重在探究過程中發展自己的能力，培養科學素養和創新意識，掌握機器人實際操作的基本過程，提升動手能力。

3）情感態度價值觀：通過在實際的科技情境中進行創新操作，消除學生與現代科技的隔閡，培養學生勇于創新的精神和與他人交流合作的能力，使學生真正感受到“玩中學、學中玩”，在得到“作品”的同時獲得寶貴的學習過程，在“作品”創作中提升審美能力，培養藝術感。

教學內容 基于機器人教育重技術輕基礎的現狀，本文從兩方面介紹機器人教育與STEAM教育融合后的教學內容[8]：一方面為當前機器人教育中的基礎學科內容，一方面為機器人教育與科學、技術、工程、藝術和數學教育緊密相關的內容。雖然在機器人教育中也涉及這些方面的內容，但都不夠深入和全面，內容相對匱乏。本文著重對第二部分內容深入組織，進行描述。

1）當前最新科學和技術概況、基本理論：學校和教育部門應實時關注當前社會上新出現的各種新科技，適時在課堂上為學生介紹新科技內容，讓學生時時刻刻跟上時代的步伐，避免閉門造車，和時代脫軌。

2）與機器人教育相關的倫理安全性信息：學校和教育部門適時對學生進行思想道德教育，幫助培養和糾正學生對于機器人的觀念，使學生樹立正確的人生觀和價值觀[9]，如機器人的發展和普及對人類生活帶來的便利和對人類生活帶來的倫理道德問題。

3）機器人發展的過程和數學邏輯基礎知識：學生學習機器人課程不能單單只是會操作，要能夠了解機器人的原理和核心，這對學生發揮想象力，創新創作出作品有很大幫助。

通過這部分知識的了解，學生也可以更深刻地了解科學技術與社會之間的關系，促進與當前時代相結合。

教學策略 改變以往模仿和直接任務驅動的教學策略，融合STEAM教育以學生為主體的模式，充分調動學生的積極性，給予學生充足的時間和空間去想象，增進他們對科學、技術、工程、藝術和數學教育之間相互融合的理解，以科學的解釋、嚴密的數學邏輯、藝術的美感、積極的態度思考和解決科學和技術問題，培養與人交流合作的態度和能力。例如：提供擴展知識內容，結合本節課所講授的內容擴展與其相關的內容，為學生創設新鮮真實的機器人情境，開闊學生視野，激發他們的學習動力；以日常生活中可以見到的機器人事物舉例，創設問題引發學生思考，解決實際問題，拉近學生與社會科技的距離，培養學生的創新能力；鼓勵學生將生活中的廢棄品進行創新加工并運用到機器人教育上，培養學生創新能力的同時，教育他們勤儉節約。

以劉玉田主編的《用Arduino進行創造》（清華大學出版社，2014）一書中“5.3太陽能板方位控制”為例進行介紹。實現原理：通過雙刀雙擲繼電器，利用光敏電阻的特性使電機正轉、反轉和停止。教學策略：實踐探索法。

創設一個“高效太陽能充電器”情境，播放一些太陽能充電板的具體實例，讓學生自己思考如何才能最大限度利用太陽能能源，實現高效充電器的設計。分小組交流想法進行發表，發表小組討論的想法和具體實現過程中可能用到的實驗材料有哪些、生活中還有哪些地方可以根據自己的創意進行改進等，其他學生和教師對發表的想法進行補充。根據發表的創意性解決方案進行具體的操作實現，學生之間交流探索解決實現過程中遇到的問題，最后由教師進行補充和講解。在創作過程中應注意盡可能將實驗材料替換成環保材料或生活廢棄品，如電機可以采用舊的云臺，光敏電阻暗盒可以采用生活中常用的塑料盒替代，等等。

教學評價 STEAM教育以定性評價為主，評價學生的五大能力：探索學習能力；思考與問題解決能力；創意革新能力；溝通合作能力；積極人格與價值觀。因此，機器人教育與STEAM教育相融合后也應該以定性評價為主，圍繞學生的五大能力，強調使用更具過程性和個性化的評價形式。

教學評價不能只依據作品進行，要注重學生動手操作學習的過程和在操作過程中情感與態度的變化。例如：通過機器人教育中真實的動手操作實踐，學生可能變得對機器人教育更有興趣，更愿意了解和掌握機器人教育的相關知識，了解當前最先進的科學、技術、工程等；在作品創作過程中培養了藝術感和美感，鍛煉了交流合作能力；在基礎部分和動手操作環節的掌握中培養了嚴密的數學邏輯思維。學生在實際學習過程中在這些方面得到一定的提升，就可以說實現了教學目標，具備了一定的創新能力和科學素養。具體而言，教師可以從學生在學習過程中的態度、表現、藝術感、作品等方面來評價學生的學習效果[10]。

6 結論

將機器人教育與STEAM教育進行融合，不斷完善機器人教育是十分必要的，這是一個新思路、新方向，在一定程度上可以解決當前機器人教育面臨的困境，幫助培養中學生的創新能力和科學素養。而機器人教育也正處在激烈的變革時期，越來越多的新模式、新知識會加入機器人教育結構中，機器人教育會越來越成熟，體系會越來越完善，將更加健康地發展下去。

參考文獻

[1]鐘柏昌.中小學機器人教育的核心理論研究：機器人教學模式的新分類[J].電化教育研究，2016（12）：87-92.

[2]鐘柏昌.中小學機器人教育的困境與突圍[J].人民教育，2016（12）：52-55.

[3]王娟，吳永和.“互聯網+”時代STEAM教育應用的反思與創新路徑[J].遠程教育雜志，2016（2）：90-97.

[4]王益.融入STS教育理念的機器人教學探索[J].中國電化教育，2009（3）：90-92.

[5]鐘柏昌.“機器人教育”離課堂還有多遠？[J].中國信息技術教育，2016（9）：4-10.

[6]陳幼峰.小學生綜合能力培養的研究：基于機器人教育的實踐探索[D].南京：南京師范大學，2014.

[7]趙麗.新課程下情感態度與價值觀的培養[J].內蒙古師范大學學報：教育科學版，2007（4）：27-29.

[8]王麗娟.機器人教育對中學生自主學習能力培養的研究[D].石家莊：河北師范大學，2015.

[9]趙玉鋒.如何在思想品德教學中加強學生德育教育[J].讀寫算：教研版，2015（8）：1.

[10]張驍驍.初中信息技術評價改革的探討[J].東方教育，2014（2）：222.endprint