STEM理念下機器人教學創新設計與探索

黎清萬 何斌

摘要：實踐證明，STEM教育理念在培養學生綜合素養以及創新人才方面具有積極作用。機器人教育是科技教育的重要內涵之一，要想突破傳統的搭建技能和控制論知識，面向智能時代科技人才培養需求，創新教學模式是必經之道。本文闡述了STEM教育理念下的機器人教育融合創新設計與探索。

關鍵詞：STEM；機器人教學；創新教學模式

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2024）01-0081-04

在國家對未來社會主義科技人才提出進一步需求的背景下，突破以結構搭建技能和控制論知識為綱領的傳統教學，面向智能時代，融合STEM教育理念，創新中小學機器人教學模式具有重要的實踐意義。中小學機器人教學主要指的是以機器人學相關知識、原理、技能為核心內容的基礎教育學科學習活動。機器人學科的內涵包括傳統的機械原理、編程原理、傳感器應用以及新時代大環境下的數據技術、智能技術、物聯網技術、人文社科等，其中涵蓋了數學、物理、信息科技（包括人工智能領域）、語言文學、人文哲學（思想政治）等學科，在某些研究領域，還涉及生物學、腦科學、材料科學等?？梢姡鐚W科融合是機器人教學固有的屬性，而STEM教育理念在近年來被證明在跨學科教學中具有可行性、有效性和前瞻性。由此，筆者探索了深度融合STEM理念的“一核雙融六環節”創新教學模式（下文稱“126模式”），形成了相應的研究成果并開展了推廣驗證。

機器人STEM創新教學模式的設計

機器人教學的目標是培養學生核心素養，與STEM理念的深度融合可謂天作之合。STEM并不是單純把多學科通過初步的設計整合到一節課或一系列的課堂教學中，而是需要以學生解決實際問題能力的需求，形成各學科深層次的關聯網絡，通過活動幫助學生主動建構綜合認知體系，該體系在學生分析、評價、綜合、創新等高階思維活動中發揮作用?！?26模式”（如圖1）正是基于上述理論基礎設計的。下面，對“126模式”進行具體闡述：

1.以學生為核心的跨學科設計

在新時代背景下，綜合性全面發展人才培養目標從“社會參與”“文化基礎”“自主發展”三個維度提出了要求，明確了學生才是學習活動的核心，教師在教學中要遵循以下幾個原則：

①要以育人目標為主旨，以課程標準要求為基點，制訂合理、明確的教學目標，并為預期目標制訂詳細、可落實、可測可評的評價量規，尤其需要注意加強學生思維評價的預設。

②要圍繞學生選用、優化或生成學習內容，設計生活化、實踐化的主題情境，學生以某種關鍵角色參與情境，在主動學習活動中獲得認知與高階思維訓練。

③要針對學生必備品格、關鍵能力、價值觀念開展多元評價，其中，評價內容包括概念理解、實踐技能、學習方法、思維體現等，評價方式包括生生互評、家校共評、數字化學習平臺自評（過程數據記錄、分析）、教師導評。

2.情境化項目學習的知識技能與高階思維雙融合規劃

STEM理念與機器人教學的融合創新，是在生活問題情境預設下，學生經歷項目化學習過程，在認知與思維兩個方面收獲提升，即必備品格與關鍵能力的雙融合。雙融合的落實，高階思維是關鍵亦是難點，教師可通過進階式問題鏈實施引導，通過分享式對話體現，通過評價他人或教授他人得以強化。

3.跨學科融合六環節教學實施策略

六環節是基于5E教學模式的一種優化，在“情境參與”“探究學習”“解釋理解”“拓展應用”“分析評價”之外增加“課內競賽”環節，并簡化為“問一問”“搭一搭”“學一學”“比一比”“創一創”“享一享”。學生在六環節中“做中學、學中創，獲得進步，感受快樂”。其中，“學一學”并不獨立呈現在教學資源中，而是融入“問一問”“搭一搭”“比一比”等環節，這樣做的目的是真正實現在問題解決的過程中實現事實性認知的獲得。

進階式機器人教學系統化教育方案

在“126模式”的底層支撐下，STEM理念與機器人創新教學方案應該是系統化的強調思維進階的整體方案。學生創新思維和高階思維的培養、品格和價值觀的培養，不可依賴于離散的課程體系，而是需要如鏈式步進機般的系列化課程體系——結構-動力-傳感-自動化-智能化，依次創設“創意機器人”“動力機器人”“傳感機器人”“編程機器人”“智能機器人”共5個課程（如圖2），每一個課程采用“126模式”組織學習內容及學習活動。

結構是機器人傳統意義上的入門基礎，要注重培養學生利用多種結構原理解決問題的工程思維；動力是以傳動機構為主的理解與應用探究，同時注重培養學生根據不同條件合理綜合分析不同的傳動機構解決問題的邏輯思維（科學S）；傳感技術是機器人自動化的感知能力基礎，除了培養學生理解不同傳感器的不同功能外，還要培養學生在“感知”概念上的抽象思維（技術T）；編程則是自動化最終實現的控制論核心內容，機器人教育必須注重培養學生的計算思維，即流程化問題解決策略及其實現（數理邏輯M）；智能化指的是應用當前人工智能技術如機器視覺、語音識別等實現機器人的自動化的自適應策略，需要關注學生人工智能素養的培養（STEM）。該方案強調學生經歷工程過程（工程E），各課程鏈式相連又層層遞進，覆蓋了機器人領域的基本內涵。

以跨學科問題解決情境組織學習內容

STEM理念與機器人教育融合創新，不是落于知識結構層面，而是落于思維素養層面，即工程流程中問題解決的過程層面?；趩栴}解決情境的設計，是其中的關鍵。學生以某種與情境緊密相關的主體身份參與問題解決，從規劃、探索、實施到評價反思、改進乃至創新，都作為核心角色發揮作用?！?26模式”中的一個核心，始于此處。在進階式機器人教學系統化教育方案中，動力機器人課程分別以“賽車工程師——賽車制作”“農械工程師——舂米機制作”“美食工程師——磨坊制作”“油田工程師——抽油機制作”“環衛工程師——掃地車制作”等16個角色和問題情境創設基于分析、綜合、創新的高級思維歷程，學生需要綜合應用機械原理、物理知識、生物知識、工程流程、數學知識以及人文分析等認知與技能，這些學科相互滲透、相互作用，最終解決問題，真正實現基于思維過程的深度融合創新。

下面，以動力機器人課程“舂米機”為例展開具體實踐。

課程名稱：設計制作“舂米機”電動機器人。

課程目標：通過跨學科融合的教學方式，學生經歷工程流程，了解物理杠桿原理、機械凸輪機構、數學齒輪傳動比計算、生物米粒結構等知識點，培養學生的問題解決能力和高階思維。

教學內容：①探究米粒生物結構，了解舂米機的工作原理和結構，觀摩舂米機的機械結構和傳動方式（科學S）；②應用物理杠桿原理，解釋力與距離的關系（科學S、技術T）；③探究凸輪機構的原理和應用，了解凸輪機構的結構和特點（技術T）；④探究皮帶傳動的原理和應用，總結大小齒輪傳動比計算的方法，能夠根據傳動比計算出合適的齒輪尺寸（數理邏輯M）；⑤分組設計制作“舂米機”電動機器人，要求在設計中運用所學知識，并進行演示和答辯（工程E）。

教學基本流程：

①問一問。教師向學生提出一些問題，如“舂米機的工作原理是什么”“凸輪機構和皮帶傳動有什么不同”等，鼓勵學生積極思考和回答問題。

②搭一搭。學生按照教師提供的圖紙和材料，自己動手搭建一個簡單的舂米機模型。在搭建過程中，可以結合自己的理解和想象，自由發揮，增加趣味性和實用性。

③學一學。教師向學生介紹物理杠桿原理、凸輪機構、皮帶傳動、大小齒輪傳動比計算等知識點，并通過實驗、視頻等多種形式進行演示和說明。同時，鼓勵學生互相討論、交流，共同學習和進步。

④比一比。將不同類型的舂米機模型進行比較和評估，包括其結構、性能、效率等方面的指標。引導學生分析和總結不同類型舂米機的優缺點，以及如何根據實際需求選擇合適的舂米機模型。

⑤創一創。學生可以根據自己的興趣和特長，設計和制作一款更具創新性和實用性的舂米機模型。在設計過程中，要充分考慮物理杠桿原理、凸輪機構、皮帶傳動、大小齒輪傳動比計算等知識點的應用，以提高舂米機的效率和精度。

⑥享一享。學生將自己設計的舂米機模型展示給其他同學或家長觀看，并分享自己的設計思路和成果。同時，也可以邀請其他同學或家長提出寶貴意見和建議，進一步完善和改進自己的作品。

在以上課例中，學生在秋收季節，作為“機械工程師”參與到農業自動化工作中，經歷工程探究與開發的過程。該課例共2課時，涉及學科包括生物、物理、數學、科學等。“126模式”有效幫助了學生認知的建構，使其發生于分析谷粒結構從而思考脫粒原理、選用杠桿原理從而實現脫粒動作、觀摩皮帶傳動特征及凸輪機構特征總結規律性傳動的實現方法、根據力度需求分析兩個不同齒輪傳動比對傳動效果的影響等主動性學習過程中，學生通過對話、實踐、創作、改進，鍛練思維能力。

多元化的STEM評價方式（如圖3）

在機器人系統化方案以及“126模式”下，評價對學生高階思維的落地有著重要的意義。這里的評價并非單純指教師對學生的評價或者教師對課堂的反思性自評，更多的是指以學生為核心開展的表現性評價和增值性評價。在系統化方案中，除了課程體系，還應該有配套的評價系統，采用工程筆記以及匯報答辯的方式開展，即STEM理念與機器人教學的融合創新，離不開系列化學習過程中面向學生的評價，該評價包括自評和他評。

此外，“126模式”本身就強調了評價的實施，主要通過“比一比”“享一享”兩個教學環節開展，同樣包括自評和他評兩種路徑。如上所述，評價的內容應該是多元的、跨學科的，充分體現STEM理念的育人價值。知識點目標評價落實在“搭一搭”的探索實踐中，即做中學，而不是單獨強化知識測評；技能目標評價落實在“比一比”課內競賽活動中；思維目標評價則在“創一創”和“享一享”兩項活動中通過對話、實踐觀測等開展。

“126模式”中的評價與傳統的5E教學模式的不同點在于評價量規在教學預期目標擬定后，得到細化并呈現給師生。而表現性評價除了學習平臺自動采集數據并分析數據的形式外，在基于問題解決的實踐經歷中，由學生自行開展，用于調整學習進程或發現學習疑惑而提出獲取幫助需求。增值性評價由師生共同完成，其主旨是厘清STEM跨學科學習中認知的豐富或深化程度，為進階探索或創新探索提供支持。

結束語

從核心目標定位到教學模式設計，從情境問題引導到綜合分析應用，從系統化方案規劃到具體教學的實施，在中小學機器人教育中以STEM理念開展創新教學探索，需要敏銳理解新時代人才需求的變化，深入理解跨學科融合教學的本質和需求，掌握有效的科技教育理論。在“126模式”設計與探索過程中，STEM理念與機器人教學的融合創新，緊密依托于建構主義和聯結主義教育理論，契合跨學科教學的真實需求，為培養新時代下具備“關鍵能力、必備品格、正確的價值觀”的創新人才提供了實踐借鑒價值。

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本文為廣東省教育研究院第二批STEM教育專項研究重點課題“基于STEM的機器人校本課程開發研究”（立項編號：GDJY-2020-S-a009）研究成果。