STEM教育視角下小學(xué)機(jī)器人課程實踐研究

孫明 張惠清 鐘雯雯

摘要：STEM教育理念指導(dǎo)下的小學(xué)機(jī)器人課程是提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生對科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科知識的興趣的有效途徑。文章通過文獻(xiàn)分析和實踐探索，為進(jìn)一步改善機(jī)器人教學(xué)提供了相應(yīng)的參考，以期促進(jìn)機(jī)器人教育的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：STEM教育；機(jī)器人；項目教學(xué)

中圖分類號：G622.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）27-0144-02

在“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”的時代背景下，越來越多的小學(xué)開展了“STEM”創(chuàng)客教育，努力提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生對科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科知識的興趣。機(jī)器人課程因其學(xué)科交融性和實踐操作性，被認(rèn)為是培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)的有效途徑，它幫助教師將工程設(shè)計、科學(xué)過程、技術(shù)素養(yǎng)和數(shù)學(xué)置于能讓學(xué)生參與并理解的情境中，具有較高的教育實踐價值。

一、STEM教育與機(jī)器人課程

以美國為首的西方發(fā)達(dá)國家最早提出旨在提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的STEM教育理念，將科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科內(nèi)容組合形成有機(jī)整體，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實踐能力。

STEM教育的核心特點是跨學(xué)科融合，通過將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等多學(xué)科的融合，增強(qiáng)知識在實際生活中的應(yīng)用，提高學(xué)習(xí)效率；學(xué)中做的動手實踐是STEM教育的特色，學(xué)生通過設(shè)計和制作實物來展現(xiàn)對知識的應(yīng)用；STEM教育以任務(wù)或項目形式進(jìn)行團(tuán)隊協(xié)作，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊意識和協(xié)作能力；STEM教育引導(dǎo)學(xué)生以探索的方式對所學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行研究，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索未知的好奇心。

機(jī)器人課程作為STEM教育的重要載體，國內(nèi)外對于其促進(jìn)STEM學(xué)科整合及學(xué)生STEM素養(yǎng)提升已開展了內(nèi)容廣泛的研究。美國國家科學(xué)基金（NSF）支持下的教師經(jīng)驗研究項目在其專設(shè)的K-12階段教育（從幼兒園到12年級的教育）網(wǎng)站上提供了諸多已經(jīng)付諸實施的機(jī)器人教學(xué)案例成果，案例包括課程計劃、測試題目、評價量表、探索工具簿等多種形式的資料。國內(nèi)機(jī)器人教育起步較晚，但發(fā)展迅速。北京市景山學(xué)校最早將機(jī)器人教學(xué)作為常規(guī)課程進(jìn)行教學(xué)。2004年，中小學(xué)信息技術(shù)教育專業(yè)委員會召開了“第一次全國中小學(xué)機(jī)器人教育研討會”，成立了“機(jī)器人學(xué)組”，制定了《中小學(xué)智能機(jī)器人課程指導(dǎo)意見（討論稿）》，為今后我國機(jī)器人教育提供了一個明確的方向。2011年，中國教育技術(shù)協(xié)會信息技術(shù)教育專委會制定了《義務(wù)教育信息技術(shù)課程綱要（征求意見稿）》，明確地把機(jī)器人列入信息技術(shù)課程，這標(biāo)志著我國中小學(xué)信息技術(shù)課程進(jìn)入一個嶄新的發(fā)展階段。

二、海華小學(xué)的機(jī)器人課程實踐

海華小學(xué)高度重視培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，在上級教育主管部門的支持下，投資建設(shè)專門的創(chuàng)客空間，配備了較為完善的機(jī)器人教育器材，并同吉林大學(xué)珠海學(xué)院合作開展機(jī)器人課程教學(xué)。

1.充分利用高校教育資源。小學(xué)獨立開展機(jī)器人教學(xué)，存在缺少專業(yè)教師、缺乏專門教材、缺少教學(xué)經(jīng)驗等現(xiàn)實困難。海華小學(xué)通過與吉林大學(xué)珠海學(xué)院合作，利用高校教育資源和豐富的機(jī)器人教學(xué)經(jīng)驗，結(jié)合自身特點，建設(shè)了一支專兼職結(jié)合的教學(xué)團(tuán)隊，開發(fā)了較為完善的機(jī)器人課程，探索出特色鮮明的機(jī)器人教育模式。

海華小學(xué)組織信息技術(shù)課程教師與高校相關(guān)專業(yè)教師組成教學(xué)團(tuán)隊，參照國內(nèi)外小學(xué)機(jī)器人教學(xué)的經(jīng)驗，共同開發(fā)機(jī)器人課程。在課程實施階段，由高校組織機(jī)械、電子、計算機(jī)高年級學(xué)生組成輔導(dǎo)團(tuán)隊，參與課堂教學(xué)，指導(dǎo)小學(xué)生動手實踐。課堂上基本上能夠保證每四五名小學(xué)生有一名大學(xué)生現(xiàn)場指導(dǎo)，確保了實踐教學(xué)的效果。

在實施機(jī)器人課程的過程中，海華小學(xué)的教師積累了豐富的教學(xué)經(jīng)驗，并定期到高校接受機(jī)器人和信息技術(shù)的系統(tǒng)培訓(xùn)，擴(kuò)展了知識，提升了能力，為更廣泛地開展機(jī)器人教學(xué)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

2.基于STEM理念的項目教學(xué)。STEM教育提倡團(tuán)隊協(xié)作的項目化教學(xué)，項目教學(xué)是以在一定時間內(nèi)創(chuàng)作作品、解決現(xiàn)實問題為目標(biāo)，組織學(xué)生運(yùn)用多學(xué)科知識、借助多樣化資源進(jìn)行合作探究學(xué)習(xí)的教學(xué)模式，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，教師根據(jù)學(xué)生的特點重新整合教學(xué)內(nèi)容，精心設(shè)計教學(xué)項目，讓學(xué)生在項目中自主建構(gòu)知識。海華小學(xué)的機(jī)器人課程以4—5人為一組構(gòu)建項目小組，通過“基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)→小組項目作業(yè)→小組創(chuàng)新實踐”三個教學(xué)階段，指導(dǎo)學(xué)生了解機(jī)器人相關(guān)知識，掌握圖形化編程軟件的應(yīng)用技能，培養(yǎng)學(xué)生勇于質(zhì)疑、敢于嘗試的創(chuàng)新精神，激發(fā)他們對科學(xué)技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣。例如，在交通工具制作項目中，教師指導(dǎo)學(xué)生組裝尋跡小車，通過八個課時的學(xué)習(xí)與實踐，使學(xué)生了解了交通工具、智能芯片、電機(jī)和傳感器等知識，體驗并掌握了機(jī)械組裝、電子電路連接、計算機(jī)編程等技能。教師引導(dǎo)學(xué)生團(tuán)隊從課程任務(wù)的分析規(guī)劃、搭建編程、場地測試、調(diào)制改進(jìn)過程分工合作，共同完成作業(yè)，創(chuàng)造自己夢想中的未來汽車。合作學(xué)習(xí)的過程，既能增加同學(xué)之間的友誼，使其體驗到合作的樂趣，同時又能集思廣益，拓展思維，展現(xiàn)每個人的聰明才智，還能讓同學(xué)們意識到團(tuán)體的重要性，學(xué)會與人合作。

3.機(jī)器人教學(xué)活動的評價與反思。海華小學(xué)的機(jī)器人課程，通過一學(xué)期的積極探索，形成了較為完善的教學(xué)方案，培養(yǎng)了穩(wěn)定的教師團(tuán)隊，促進(jìn)了學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的提升。機(jī)器人課程班的學(xué)生始終保持對科學(xué)技術(shù)的濃厚興趣，自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力大大提高，初次參加省市科技競賽就取得較好成績，吸引了更多的學(xué)生希望參加機(jī)器人課程學(xué)習(xí)。

機(jī)器人課程在實施過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些亟待解決的問題。首先是教師隊伍建設(shè)，授課教師缺乏系統(tǒng)的機(jī)器人教育培訓(xùn)，其在師范院校期間接受的是按照學(xué)科專業(yè)分類后的專業(yè)教育，很難適應(yīng)基于學(xué)科整合的機(jī)器人課程，而且教師數(shù)量無法滿足學(xué)生學(xué)習(xí)的需求。其次是教材缺乏，機(jī)器人課程作為新設(shè)課程，目前尚無統(tǒng)編教材，上課所使用的大多是培訓(xùn)教材或教育機(jī)器人公司自編教材，內(nèi)容深淺不一，并不能完全適應(yīng)小學(xué)機(jī)器人教育的需求。再次是教具問題，國外的小學(xué)機(jī)器人教育多采用樂高、VEX等公司的產(chǎn)品作為教具，但這些產(chǎn)品普遍價格較高，在短時間內(nèi)難以大規(guī)模推廣。國內(nèi)產(chǎn)品雖然價格較為便宜，但質(zhì)量參差不齊，缺少配套教程，不能滿足機(jī)器人教學(xué)的需求。最后是目前小學(xué)開展機(jī)器人課程的動機(jī)一方面是落實國家義務(wù)教育方針、政策，另一方面是組織學(xué)生參加各種機(jī)器人類比賽或科技比賽。參賽獲獎的目標(biāo)導(dǎo)向，直接影響其急功近利的思想，往往在課程實施過程中受到各種賽事的安排影響，影響教學(xué)效果。

三、機(jī)器人課程改進(jìn)建議

1.豐富機(jī)器人課程的內(nèi)容?；陧椖拷虒W(xué)的機(jī)器人課程有助于學(xué)生創(chuàng)造能力、問題解決能力、團(tuán)隊協(xié)作能力、溝通交流能力及批判性思維能力等綜合能力的提升，教學(xué)效果備受學(xué)生的喜愛。但項目教學(xué)對教學(xué)內(nèi)容和教師的要求較高，小學(xué)難以依靠自身條件完全滿足以上要求，應(yīng)當(dāng)與高校、科研院所以及機(jī)器人產(chǎn)業(yè)保持緊密聯(lián)系，共同開發(fā)、豐富機(jī)器人課程的內(nèi)容。一方面是設(shè)計更加適合中國學(xué)生特點的課程包，既要有一定的深度、廣度和前瞻性，又要簡單易學(xué)；另一方面要開發(fā)更加符合小學(xué)年齡段智力和動手能力的教具，比如機(jī)械和電子結(jié)構(gòu)的連接方式盡可能采取插拔式和磁吸式，編程方式盡可能采取圖形化編程，價格要更加便宜，以便于普及推廣。

2.培養(yǎng)專業(yè)的師資隊伍。根據(jù)信息技術(shù)教育和機(jī)器人教育的時代要求改革和完善師范教育，跨學(xué)科跨專業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)機(jī)器人教育的專業(yè)人才，建立健全機(jī)器人教育教師的職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和教學(xué)規(guī)范，形成機(jī)器人教育教師終身學(xué)習(xí)、終身培訓(xùn)的新機(jī)制。

3.探索互聯(lián)網(wǎng)+教育的新模式。機(jī)器人教育不僅僅是課堂教學(xué)，更多的是課下的學(xué)習(xí)和實踐。要充分利用和發(fā)揮好互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的優(yōu)勢，開發(fā)更多的在線學(xué)習(xí)資源，形成線上線下聯(lián)動的學(xué)習(xí)機(jī)制，讓學(xué)生由被動灌輸式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換為主動探索式學(xué)習(xí)。利用互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將教學(xué)機(jī)器人與在線教學(xué)平臺進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，使每個學(xué)生手里的機(jī)器人不僅僅是學(xué)習(xí)的“道具”，更是學(xué)習(xí)的“導(dǎo)師”，使學(xué)生愛上學(xué)習(xí)，愛上機(jī)器人，愛上科技創(chuàng)新。

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