STEM教師能力提升模式探究

張宇婷 秦健 邵夢秋

10.3969/j.issn.1671-489X.2022.04.022

摘 要 STEM教師在STEM人才培養(yǎng)中扮演著至關(guān)重要的角色。目前，各個國家的STEM人才培養(yǎng)一直處于低供給狀態(tài)，無法滿足社會對此類人才的需求。基于此，提出STEM教師能力提升模式，包括學(xué)什么、如何學(xué)STEM知識和教什么、如何教STEM相關(guān)課程兩個階段。以基于AI KIT的AI探索賽為例，闡述該模式在具體實踐中如何有效實施，以期為一線STEM教師提供參考思路。

關(guān)鍵詞 STEM教育；STEM教師；機器人；AI KIT；人工

智能

中圖分類號：G655 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）04-0022-04

0 引言

《教育信息化“十三五”規(guī)劃》明確提出：有條件的地區(qū)要積極探索信息技術(shù)在眾創(chuàng)空間、跨學(xué)科學(xué)習(xí)（STEAM教育）、創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應(yīng)用[1]。“中國STEM教育2029行動計劃”提出對未來十余年STEM教育的展望，要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與科學(xué)探究能力[2]。因此，開展STEM教育，優(yōu)化人才結(jié)構(gòu)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，已經(jīng)成為21世紀(jì)教育領(lǐng)域的重要發(fā)展任務(wù)。STEM教師是開展STEM教育的關(guān)鍵因素，然而，當(dāng)前STEM教師普遍缺少STEM素養(yǎng)、跨學(xué)科整合能力以及STEM課程設(shè)計與開發(fā)能力等。因此，在信息技術(shù)飛速發(fā)展、人才需求不斷增大的時代浪潮下，如何提升STEM教師能力是需要關(guān)注的問題。

1 核心概念界定

1.1 STEM教育

20世紀(jì)80年代，美國有學(xué)者首先提出STEM教育[3]，這種能夠培養(yǎng)學(xué)生動手、創(chuàng)新、綜合運用多學(xué)科知識能力的教育迅速成為國際教育領(lǐng)域的研究熱點，學(xué)術(shù)界對STEM教育展開較為熱烈而深入的研究，不同的學(xué)者對STEM教育有著不同的看法。盡管對STEM的定義存在一定的差異與分歧，但也存在很多共同點。STEM教育具有以下特點：

1）以項目式學(xué)習(xí)為主要學(xué)習(xí)方式，能夠吸引學(xué)生參與跨學(xué)科活動，不斷地發(fā)現(xiàn)問題，通過探究合作解決問題，從而不斷更新構(gòu)建知識體系[4]；

2）在STEM課程將機器人、3D打印等技術(shù)引入課堂，讓學(xué)生動腦動手創(chuàng)造出具有創(chuàng)意的作品，促進(jìn)學(xué)生對STEM知識的理解，從而引發(fā)并促使學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)[3]；

3）在STEM活動中，學(xué)生通過合作來把控項目的進(jìn)度，教師角色變成學(xué)生的幫助者、引導(dǎo)者[4]。

1.2 STEM教師

1.2.1 STEM教師概述 STEM教師是STEM教育的關(guān)鍵要素，其能力水平的高低直接影響STEM人才的培養(yǎng)質(zhì)量。目前，STEM教師還沒有明確定義，在實際的STEM教育教學(xué)中，STEM教師常常以真實問題或任務(wù)驅(qū)動教學(xué)，用相應(yīng)的教學(xué)儀器演示并講解相關(guān)結(jié)構(gòu)和原理，引導(dǎo)學(xué)生小組分工合作完成結(jié)構(gòu)創(chuàng)造與算法設(shè)計，體驗工程設(shè)計流程，解決真實問題。《STEM教師能力等級標(biāo)準(zhǔn)（試行）》中指出：STEM教師能力核心要素包括STEM價值認(rèn)同感、STEM學(xué)科知識、跨學(xué)科整合能力、STEM教學(xué)實施能力和多元化評估能力[5]。基于此，本文認(rèn)為STEM教師就是具有跨學(xué)科整合能力、計算思維，能夠合理使用STEM教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生利用跨學(xué)科知識去解決問題、完成任務(wù)，使學(xué)生創(chuàng)造力在內(nèi)的核心素養(yǎng)得到提高的一類教師。

1.2.2 STEM教師短缺 在人工智能時代，學(xué)校對STEM教師有著強烈的需求，然而相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有的STEM教師隊伍無論從數(shù)量上還是質(zhì)量上都不能滿足STEM教育需求[6]，原因有以下幾點。

1）STEM教育涉及科學(xué)、工程、數(shù)學(xué)、藝術(shù)等多個學(xué)科，帶有整合的特殊性，這就需要STEM教師具有整合多門學(xué)科知識的能力，而大多職前教師教育存在的問題是多種素養(yǎng)在不同的課程中分開培養(yǎng)，沒有構(gòu)成體系化的內(nèi)容，因此，大多數(shù)STEM教師缺乏跨學(xué)科的專業(yè)背景支持。

2）近年來，STEM教師相關(guān)的職業(yè)能力培訓(xùn)如火如荼地開展，但是依然存在在職STEM教師培訓(xùn)不完善、缺乏持續(xù)的專業(yè)培養(yǎng)的問題，導(dǎo)致STEM

教師隊伍質(zhì)量低。

3）在職教師成長相對比較緩慢，相應(yīng)的激勵政策和人文關(guān)懷缺乏，使得STEM教師的專業(yè)發(fā)展得不到有效支持。

STEM教育要得到蓬勃發(fā)展，離不開STEM教師強有力的助推。因此，未來社會需要更多具有創(chuàng)新意識與計算思維、跨學(xué)科整合能力的STEM教師，提升STEM教師的STEM素養(yǎng)和教育教學(xué)能力迫在眉睫。

2 STEM教師能力提升模式理論基礎(chǔ)

本文提出提升STEM教育知識儲備、跨學(xué)科知識整合能力、STEM課程設(shè)計與實施能力的實施模式，以指導(dǎo)與提升STEM教師的素養(yǎng)，從而在教學(xué)實踐中助力學(xué)生STEM素養(yǎng)的提升。

2.1 以項目式學(xué)習(xí)為媒介

項目式學(xué)習(xí)（PBL）包括基于問題的學(xué)習(xí)和基于項目的學(xué)習(xí)，兩者既具有一定的共性，也存在一定的差異，以學(xué)習(xí)方式的跨學(xué)科性和多元性特質(zhì)逐漸成為STEM教育的首要媒介。通過基于項目的跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動，學(xué)生不僅可以習(xí)得重要的STEM知識，還可以結(jié)合其他知識和技能進(jìn)行實際應(yīng)用。通過真實的問題或者任務(wù)進(jìn)行引導(dǎo)，讓學(xué)生制訂計劃、確定方案、討論、協(xié)作等，這是一種主動的、創(chuàng)新的學(xué)習(xí)，更是一種綜合的、面向?qū)W生實際生活問題的學(xué)習(xí)，重視學(xué)習(xí)的過程而非學(xué)習(xí)的結(jié)果[7]。

2.2 樹立主動學(xué)習(xí)意識，聚焦關(guān)鍵能力生成

在互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展及教學(xué)資源泛濫的今天，學(xué)生對于陳述性知識和簡單的專業(yè)技能的學(xué)習(xí)已非難事，較低層次的教學(xué)內(nèi)容已無法滿足社會對人才的需求。因此，作為培養(yǎng)STEM人才的助推者，STEM教師不能只停留在簡單STEM知識和技能的掌握的上，而是要樹立主動學(xué)習(xí)意識，積極利用教學(xué)資源，積極參與專業(yè)學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)研修社區(qū)，不斷地拓展廣度、發(fā)掘深度、延展高度，并且要明確在完成階段性學(xué)習(xí)后需要達(dá)到的能力水平，例如，培養(yǎng)分析能力、評價能力、質(zhì)疑能力、反思習(xí)慣、創(chuàng)新意識等高階目標(biāo)的達(dá)成，以及信息收集能力的培養(yǎng)。

2.3 案例教學(xué)法

案例教學(xué)法是19世紀(jì)70年代由美國哈佛大學(xué)時任法學(xué)院院長克里斯托弗所創(chuàng)。它不同于傳統(tǒng)的教學(xué)方式，以課本為中心，以灌輸式的方式從概念到概念進(jìn)行講解。案例教學(xué)法一個最為突出的特征是案例的運用，案例是包含問題或者說疑難情境在內(nèi)的真實發(fā)生的典型性事件[8]。在教學(xué)過程中，教師將內(nèi)化的知識整合至案例中，讓學(xué)生通過討論、合作、師生交流等方式學(xué)習(xí)案例背后的理論、概念，既有利于學(xué)生問題解決等能力的培養(yǎng)，又使教師整合學(xué)科知識的能力得以提升。

3 提升STEM教師能力路徑設(shè)計

為使STEM教師在獲得STEM教育知識儲備的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對其進(jìn)行內(nèi)化、重構(gòu)，開發(fā)STEM課程，并能在課堂教學(xué)中靈活實施，能在“做中學(xué)”“學(xué)中做”的過程中有效指導(dǎo)學(xué)生，從而同步培養(yǎng)計算思維、跨學(xué)科解決問題的能力，本文基于上述理論基礎(chǔ)，構(gòu)建一個提升STEM教師能力的模式，如圖1所示。該模式一共分為兩個階段：第一個階段以提升STEM教師跨學(xué)科知識整合能力，獲得STEM知識儲備為主；第二階段以提高教師STEM課程開發(fā)和實施能力為主。兩個階段從STEM教師學(xué)什么、如何學(xué)STEM相關(guān)知識到教什么、如何教STEM相關(guān)課程，幫助STEM教師按照循序漸進(jìn)的原則提升職業(yè)能力。

第一階段：學(xué)什么、如何學(xué)

STEM教師能力提升模式的第一個階段即STEM教師為提升素養(yǎng)可以學(xué)什么、如何學(xué)。當(dāng)前各種STEM機器人比賽種類眾多、形式繁多，為STEM教師提升能力提供了極大便利。STEM教師應(yīng)以此為契機，積極發(fā)揮主動意識，充分利用現(xiàn)有賽事，以各類賽事中真實挑戰(zhàn)或比賽場景中的問題為導(dǎo)向，通過賽事培訓(xùn)、觀看往屆資料等方式，為解決真實問題或挑戰(zhàn)，學(xué)習(xí)關(guān)于人工智能、電子電路、程序編寫、算法設(shè)計等專業(yè)知識與技能；在此基礎(chǔ)上，融入競賽技巧，運用前一步所學(xué)知識，設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)問題解決的實踐項目流程，從而在自我模擬中完成項目。在此過程中，教師能熟悉且掌握STEM相關(guān)的知識技能與競賽技巧，有助于提高跨學(xué)科知識整合能力，加強STEM知識儲備。

第二階段：教什么、如何教

當(dāng)下，STEM教師能力缺失表現(xiàn)的另一個方面是開發(fā)和實施STEM課程的能力薄弱。因此，第二個階段具體指導(dǎo)STEM教師在掌握一定STEM專業(yè)知識與技能之后，解決教什么和如何教的問題。

1）設(shè)計教學(xué)案例。STEM教師結(jié)合項目式學(xué)習(xí)過程與解決比賽問題過程，自主設(shè)計結(jié)合教學(xué)實際的案例，制作講解賽事相關(guān)原理或結(jié)構(gòu)的教具，結(jié)合真實生活問題和賽事規(guī)則重整課程內(nèi)容。

2）形成課程或指導(dǎo)學(xué)生參賽。STEM教師根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平與特點，結(jié)合設(shè)計的教學(xué)案例，創(chuàng)設(shè)STEM教學(xué)場景，引導(dǎo)學(xué)生運用信息技術(shù)，通過算法、數(shù)據(jù)和模擬對真實問題進(jìn)行分析、計算、設(shè)計、決策與實現(xiàn)，在不斷的實踐中迭代改進(jìn)，形成系列課程或教材，可指導(dǎo)有興趣的學(xué)生參賽。

這樣，學(xué)生的STEM知識儲備、技能得到提升，可以有效提高競賽水平，也可反作用于競賽，推進(jìn)機器人競賽、人工智能競賽向更尖端發(fā)展。

4 STEM教師能力提升模式的有效實施

按照STEM教師能力提升路徑，以基于AI KIT的AI探索賽為例，闡述該路徑的實踐設(shè)計。

4.1 AI KIT與AI探索賽

4.1.1 AI KIT AI KIT是一款采用英特爾NUC

mini主機、RealSense深度傳感器攝像頭以及Movi-

dius神經(jīng)元計算模塊等智能硬件的人工智能教育套件。它是一個將人工智能技術(shù)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用和機器人相結(jié)合的實踐學(xué)習(xí)平臺，學(xué)生可以開發(fā)語音識別互動功能，實現(xiàn)人與機器人、機器人與機器人進(jìn)行智能語音對話；可以開發(fā)視覺互動功能，讓機器人追蹤人物、球或動物等；可以開發(fā)定位導(dǎo)航功能，讓機器人自主規(guī)劃路徑；可以實踐深度學(xué)習(xí)技術(shù)，讓機器人識別文字等。此外，平臺的高兼容性可以實現(xiàn)Python、C/C++、Java等語言的編程學(xué)習(xí)及實驗。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生結(jié)合人工智能機器人的每個功能進(jìn)行學(xué)習(xí)和實踐，產(chǎn)生破解智能機器人背后奧秘的成就感，極大提高進(jìn)行人工智能領(lǐng)域?qū)W習(xí)和實踐的興趣。

4.1.2 AI探索賽 AI探索賽是一項結(jié)合機器人以及人工智能技術(shù)的競賽，2020年高中高校組的主題為智能管家，將場景設(shè)置在家庭環(huán)境中，讓機器人代替人類做更多的事。比賽分為物品尋找賽和物品分類賽，要求機器人完成對物體的識別、分類及投放任務(wù)。在這個過程中，參賽隊要自主搭建機器人以及機械臂，撰寫工程筆記，并基于ROS系統(tǒng)完成AI探索挑戰(zhàn)賽程序的編寫。搭建的機器人尺寸以及使用的硬件需符合比賽要求，并能完成規(guī)則指明的挑戰(zhàn)，如智能機器人能夠自主建圖及導(dǎo)航，顏色識別、條碼識別、物體識別，機械臂能夠抓取，能夠程序控制放置物體。

4.2 STEM教師能力提升的實踐設(shè)計

第一階段重在提升STEM教師跨學(xué)科知識整合能力，通過以下步驟，逐步增加STEM知識儲備。

1）分析。在該賽事中以物品尋找賽和物品分類賽指定的任務(wù)為導(dǎo)向，教師結(jié)合往期比賽經(jīng)驗對以往案例和參賽視頻進(jìn)行觀看和分析。

2）學(xué)習(xí)。AI探索挑戰(zhàn)賽涉及ROS機器人系統(tǒng)、Python編程以及人工智能技術(shù)、機器學(xué)習(xí)等，所以教師需要提前學(xué)習(xí)并掌握此類科學(xué)文化知識。

3）項目設(shè)計。教師需要圍繞該項目制訂方案，并參照以往的比賽經(jīng)驗對AI機器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計、搭建和程序設(shè)計。

4）模擬演練。根據(jù)項目設(shè)計對該比賽進(jìn)行模擬演練，總結(jié)經(jīng)驗。

如表1所示，在此項目完成過程中，教師的科學(xué)、工程、數(shù)學(xué)、技術(shù)等知識儲備得到進(jìn)一步提升，跨學(xué)科知識整合能力得到增強。

第二階段以提高教師STEM課程開發(fā)和實施能力為主。將AI探索賽大項目劃分為不同的子任務(wù)落實到每節(jié)課的教學(xué)中，教師需要結(jié)合真實場景設(shè)計教學(xué)案例，學(xué)生需要體驗、掌握特定的知識模塊。各任務(wù)間相互聯(lián)系，知識與能力的層次隨著任務(wù)的推進(jìn)而提升。

課程面向高一學(xué)生，高中生應(yīng)當(dāng)具有獨立思考、問題解決以及創(chuàng)造能力[9]，并且具有一定的信息技術(shù)基礎(chǔ)。涉及人工智能的課程內(nèi)容設(shè)計應(yīng)偏重于創(chuàng)造創(chuàng)新，強調(diào)基本理念與原理的傳遞，注重創(chuàng)造力、想象力以及動手能力的提升[10]。基于這兩種現(xiàn)實需求，課程分為18個課時，具體如表2所示。

在課程中以項目式學(xué)習(xí)的流程，引導(dǎo)學(xué)生組建團(tuán)隊，學(xué)生首先從模仿入手，輔以相關(guān)教具；在熟悉掌握之后進(jìn)行小組分工合作，分析、設(shè)計完成機器人的結(jié)構(gòu)搭建和算法設(shè)計，同時記錄工程日志或?qū)W習(xí)反思。經(jīng)過七個主題的學(xué)習(xí)，學(xué)生將機器人與各類人工智能技術(shù)、開源硬件等結(jié)合起來，實現(xiàn)各類結(jié)構(gòu)、任務(wù)與算法的融會貫通，完成作品制作。，可以指導(dǎo)設(shè)計制作良好的學(xué)生參賽，形成理論—實踐—比賽三級一體化的教學(xué)模式。

5 結(jié)束語

鑒于STEM教師科學(xué)素養(yǎng)、計算思維以及創(chuàng)新意識等方面的能力素養(yǎng)普遍不高的問題，本文提出STEM教師能力提升模式，幫助教師了解學(xué)什么、如何學(xué)，教什么、如何教，并以AI探索挑戰(zhàn)賽為例具體說明。但在人工智能的浪潮下，面臨學(xué)習(xí)環(huán)境、方式的改變等不確定因素，如何推進(jìn)STEM教師職業(yè)素養(yǎng)和專業(yè)水平的提高，仍然是今后長期面臨的挑戰(zhàn)，還需要在實踐中結(jié)合更多的理論繼續(xù)探索、不斷完善。

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*項目來源：全國教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題教育部重點課題“機器人在中小學(xué)創(chuàng)客教育中的應(yīng)用研究”（基金編號：DHA150287）；中國大學(xué)教育MOOC愛課程平臺——教師教育專題“如何做創(chuàng)客教育”階段性研究成果（課程編號：0401i Course045）。

作者：張宇婷，陜西師范大學(xué)教育學(xué)院碩士研究生，研究方向為STEM教育、機器人與創(chuàng)客教育；秦健，陜西師范大學(xué)教育學(xué)院，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向為人工智能與機器人、通用技術(shù)、創(chuàng)客教育；邵夢秋，陜西師范大學(xué)教育學(xué)院碩士研究生，研究方向為創(chuàng)客教育、STEM教育、人工智能教育（710062）。