中小學機器人教育教學效益提升策略研究

關鍵詞：機器人教育；STEAM教育；教學策略；教學案例；教學效益

0 引言

教育部頒發的《教育信息化2.0行動計劃》明確指出要將信息技術和智能技術深度融入教育的全過程，并強調了機器人作為發展智能教育的重要舉措[1]。隨著人工智能技術在全國范圍內受到越來越多的關注，機器人教育也逐漸成為教育界的焦點。機器人教育作為一門綜合性課程，是智慧教育和STEAM教育實施的重要載體，對促進學生的全面發展具有重要意義[2]，因此，中小學及各培訓機構在課程設置中都逐漸增加了機器人課程的比重。然而，在機器人教育的實際教學過程中，許多教師更關注學生是否能夠完成既定的學習任務，或是否能制作出符合預期的作品，并以此作為評價學生的唯一標準。這種單一的評價方式對促進學生深度的知識加工和高階思維發展影響甚微。因此，在開展機器人教育教學的過程中，要緊跟教育發展趨勢，基于具體的教育情境，運用適切的教學策略，實現更優的教育教學，提升教學效益。

1 機器人教育的發展及內涵

1959年，第一臺工業機器人誕生于美國，機器人的發展歷史由此開始。隨著技術的不斷發展，如傳感器技術的成熟和人工智能技術的日新月異，機器人在越來越多的領域發揮著重要作用。機器人發展呈現出的智能化、人性化趨勢，與未來教育環境的特點不謀而合。社會、學校以及教師等教育主體也逐漸認識到利用機器人開展教育的重要價值，并開始嘗試開設機器人課程。

機器人教育，作為一種以機器人為核心教學內容或教學工具的教學活動，從課程即活動的觀點來看，其實質是一門能促進學生全方面發展的綜合性課程。Gerecke等人指出，機器人教育不僅融合了信息技術、機械和動化技術等多學科知識，更著重于培養學生在設計、搭建、編程和調試機器人的過程中所需要的設計能力、分析解決問題能力、創新能力和計算思維等[3]。綜上，機器人教育即以機器人為主要教學載體，旨在提升學生綜合能力成長的一門綜合性課程。

2 機器人教育在教育中的作用

機器人教育的教育性能日益凸顯，正逐漸成為中小學相繼開設的重要課程。這與其適應未來教育發展趨勢，能夠有效融合現有教育理論，在實際教學中促進學生發展密不可分。

2.1 作為智慧教育和STEAM 教育實施的載體

機器人教育的出現，讓智慧教育逐漸融入低齡學生的學習生活。人工智能等技術的不斷發展，對傳統社會組織形式造成了巨大沖擊。在智能時代即將到來之際，各類新興技術與教育教學過程的融合日益加深，智慧教育應運而生，并逐漸成為教育實踐者和研究者關注的焦點。在科技與教育的系統性融合過程中，學習環境亟須轉型和升級，以構建以數據驅動、個性化、情境化為主要特征的智慧教育生態[4]。機器人作為智能技術的集成產物，融合了多種復雜技術形成一個“黑箱”，使用者無需深入了解其中的運行機制和底層邏輯，就可以實現對機器人的操作。此外，可視化編程的出現大大減少了使用者在計算機編程語言符號上的認知負荷，高深復雜的編程指令不再是計算機專業人士的專屬領域。兒童也可以利用計算機完成富有創意的作品，從中體驗學習的樂趣。因此，機器人教育在推動智慧教育發展的同時，也為低齡學生提供了更為豐富、有趣的學習體驗。

機器人教育實現了多門學科基礎知識的有機融合。通過機器人這一載體，將看似零散、無序的知識點系統地整合在一起，形成一門獨立的學科，成為中小學和青少年培訓機構實施STEAM 教育的重要形式。STEAM教育被認為是整合傳統數學、科學、工程和技術等學科教育的重要方向，不僅是提升科學、技術、工程、藝術和數學學科品質的重要工具和策略，還承載了教育領域對培養綜合素質人才的教學期待[5]。然而，STEAM教育的跨學科性和綜合性特點使得其在傳統的單門學科課程的實施中面臨諸多挑戰。在追求學科教學目標的過程中，教師往往難以抽出更多精力從學科融合的角度去設計教學。因此，機器人教育的出現顯得尤為重要。機器人教育與STEAM教育在特點上具有極大的相似性，STEAM教育在理論上指引著促進學生全面發展的教學方向，而機器人教育則是在教學實踐中促進學生能力的多方面能力提升。二者相輔相成，共同推動著教育領域向著更加綜合、多元的方向發展。

2.2 有效提升學生的綜合素養

機器人教育開展涉及多學科知識的整合，展現出明顯的綜合性特點，因此成為提升學生綜合素養的重要途徑。學生在利用機器人完成相關作品的制作或解決相關問題的過程中，需要圍繞特定目標，在多學科知識背景下進行綜合分析，形成合理方案，并在實踐與方案修改的循環過程中探索性地完成任務。在這一過程中，學生不僅需要明確并掌握每個知識點，還需要通過實踐驗證自己的想法和設計的可行性。由此可見，學生的學習過程涵蓋了知識記憶、思維訓練記憶和具身學習等多個層面。大量的研究也表明機器人教育對學生的積極作用。如Benitti[6]研究發現機器人在促進學生STEAM科目的學習、思維能力、科學探究能力、社交能力以及問題解決能力等方面具有顯著作用，龔禮林[7]的研究不僅進一步證實了這些觀點，還揭示了機器人在培養學生自我調節能力、元認知能力以及人際交往能力方面的卓越成效。此外，楊凝[2]還發現教育機器人在支持學生素養和能力發展（如問題解決、自我效能、計算思維和創造力等）方面的積極作用。這些研究成果為機器人教育在培養學生綜合素養方面的有效性提供了有力支撐。

3 機器人教育存在結果性傾向的實踐教學

盡管機器人教育的教育價值已得到各教育主體的廣泛認可，但我國尚未從國家層面對機器人教育的標準作出統一規定。此外，由于并非所有的學校都具備開設機器人教育這門課程的條件，也并非所有教師都能深刻認識機器人教育對學生發展的重要作用，在機器人教育開展的過程中，仍存在著諸多形式化的問題。許多教師只關注學生的作品制作完成情況，學生也只是將機器人課程看作一般的學校任務對待，缺乏對課程深層意義的探索。這種現狀導致了機器人教育質量的顯著下降，無法充分發揮其應有的教育價值。

3.1 教師教學過程以結果為導向

機器人教育在我國的發展尚不成熟，很多教師缺乏相應的教學經驗和教學素養，導致了機器人教育往往過于注重作品的完成，呈現出功利性的教學傾向。目前，我國還尚未制定統一的機器人教育課程標準，使得機器人課程的定位、目標、內容、評價、課時安排等都缺乏明確依據。因此，機器人教育的開展多局限于局部地區的校本課程，仍處于摸索嘗試階段[8]，徐多等人指出我國機器人教育發展過程中面臨師資缺乏、監管不足等問題[9]。在實際教學過程中，由于缺乏理論指導和教學參照，教師們往往依賴廠家附贈的說明書式的材料進行教學，只要學生能夠按照說明完成相應的操作，制作出作品，就認為達到了教學目的。這種教學方式忽視了對學生深層次思維能力和創新能力的培養，無法充分發揮機器人教育的潛力。

3.2 學生學習以完成任務為目標

學生接觸機器人教育時，初始是由興趣驅動。但在學習過程中，逐漸傾向于任務驅動，這導致學生們因過于關注任務的完成而缺乏創造性和探究性的參與。教師的唯目的性引導，也使得學生在機器人教學課堂中僅是跟隨教師的步驟完成作品，削弱了機器人教育在為學生提供特殊學習體驗和培養學生綜合能力等方面作用。機器人教育逐漸異化為與一般的操作課、手工課等無顯著區別的課程形式，無法充分發揮其應有的教育價值和潛力。此外，當前機器人教育的主要對象是中小學生[7]，在機器人的造型設計上要求學生具有較高的設計素養，但在實際情況中，學生往往在已有的定型產品或作品范例的基礎上進行簡單的修改[8]，學生的設計深度和創造力的發展僅停留在較淺的層次。

綜上，機器人教育作為技術和時代發展的產物，對提升教育質量有巨大的促進作用，但在機器人教育的實踐中還存在流于形式，難以發揮其特點等問題。因此，教師在開展機器人教學時，需對教學過程進行更為細致和深入的設計，以充分挖掘和發揮機器人教育的潛力，促進學生全面發展。

4 機器人教育教學策略

改善以結果性評價為導向的教育實踐，已成為教育發展中亟待解決的重大議題。中共中央、國務院發布的《深化新時代教育評價改革總體方案》對改進結果性評價和完善綜合性評價提出了明確要求。在機器人教學的過程中應當，教師應當更多關注學生學習的過程和綜合性成長，在激發學生求知欲、促進深度學習、教學目標設定、重難點演示操作、適切的課堂評價等方面結合具體的教學情景，運用適當的教學策略提升機器人教育教學效率。本研究從課程導入、理論教學、任務驅動、操作示范和評價反饋等多個環節，提出了具有針對性的教學策略建議（如圖1） ，確保學生能夠在學習過程中獲得良好的學習體驗。并以Clbbot 機器人教學為例，指出了具體的教學應用。

4.1 拓展性趣味導入，引發學生好奇心和求知欲

課堂的導入需要有一定的趣味性和拓展性。有效的課堂導入能讓學生快速進入上課狀態，提高教學效率[10]。針對中小學生活潑、開朗的性格特點，趣味性的導入往往更能吸引學生的注意力。機器人教育作為STEAM教育的重要載體，跨學科性是機器人教育的一個重要特征。教師在課堂導入時，可巧妙運用各類學科中有趣的小故事、小知識等進行拓展性導入，這樣不僅能滿足孩子的好奇心，又能讓孩子學習到更多的知識，從而推動學生的全面發展。

在Clbbot機器人教學的光線傳感器課程中，為有效導入新課內容，教師通過講授愛迪生發明燈泡的小故事和路燈晚上會自動亮起的事例進行導入。例如，教師可以這樣引導：“同學們，在人類發明出燈泡之前，我們夜間出行并沒有現在這么方便。你們知道是誰發明了燈泡嗎？燈泡又為什么可以在夜晚到臨時自動亮起來呢？這些現象背后，其實隱藏著光纖傳感器的神奇工作原理”。鑒于中小學生的大腦思維正處于具象思維到抽象思維的過渡時期，將導入內容和日常生活緊密聯系，更利于激發學生的學習興趣，促進學生思考。

4.2 簡易化理論透析，讓學生知其然更知其所以然

深入淺出地闡釋原理知識，有利于學生高階學習的發生。通過教師的講解，引導學生深入探索知識點的底層邏輯，有助學生實現更高階的學習目標。布魯姆的教育目標分類理論將知識掌握劃分為知道、理解、應用、分析、綜合、評價六個層次。如果學生不了解編程背后的原理知識，他們的學習將很可能停留在知道、理解、應用的低階層次，難以對學到的知識進行分析、綜合和評價，創新就更無從談起。因此，教師在講解知識時需要考慮學生的接受能力和認知水平，力求言簡意賅、條理清晰，避免冗長煩瑣的闡述，以確保教學效果的最優化。

Clbbot機器人教育中，巡線傳感器能讀取到的值為“0、1、2、3”四個數。這些數值背后隱含著巡線傳感器的工作原理，即由兩個紅外發射和接收器構成的復雜機制。其中，“0”表示接收到，“1”為沒有接收到，這兩種狀態通過不同的組合形成二進制數，再轉換為十進制數，才能成為在編程中用于條件判斷的值。如果教師未能深入且清晰地闡釋這一原理，學生將難以理解巡線傳感器工作過程。另一方面，考慮到教學效率和主題的聚焦性，教師不宜在二進制和十進制轉換上花費過多時間，以免偏離教學主旨，造成本末倒置的困境。因此，在講解時，教師應緊扣巡線傳感器的工作原理這一核心，以簡明扼要的方式闡述相關知識，確保學生在理解的基礎上能夠順利開展后續學習。

4.3 多層次任務驅動，兼顧全體學生發展

不同難度的學習目標適應不同層次學生的發展。學生的成長受遺傳和環境等多重因素的影響，以致不同學生在學習風格、興趣以及知識結構等方面呈現出顯著的個性化特征。在此基礎上，不同的學生在同一個知識點的學習上也表現出不同的學習能力，即學生的“最近發展區”是有差異的。因而在預設課程任務時，需要充分考慮到學生間的學習能力差異，并針對性地設置不同難度的學習任務。這樣做不僅有助于滿足學生的個性化學習需求，更能有效促進他們在各自的發展水平上實現最大化提升。

在指導學生通過編寫積木程序實現Clbbot機器人燈光閃爍效果的教學過程中，可以將學習任務進行如下層次化設計：（1） 基礎層級，要求學生實現同種顏色的燈閃爍，此階段主要要求學生掌握控制燈光積木塊的基本使用方法，并設置相應的參數值，完成程序上傳即可；（2） 進階層級，要求學生實現幾種固定顏色的燈光交替閃爍，這需要學生深入了解紅、綠、藍三原色的取值范圍以及顏色混合的基本原理；（3） 高階層級，要求學生實現隨機顏色的燈光閃爍，此階段學生需在掌握前兩層級知識的基礎上，進一步學習并應用“隨機數”的相關知識。通過這種遞進式的學習任務設計，不僅有利于將復雜知識點進行分解，降低學生的認知負荷，還能更好地適應不同學習層次學生的需求，促進他們的個性化學習和全面發展。

4.4 啟發式操作演示，展示樣例程序時關注重點難點

啟發式的程序操作演示有助于學生有效地將所學的知識外顯。機器人教育大多以編程為主[11]，而編程是培養學生邏輯思維和問題解決能力的重要手段，同時也是學生將理論知識轉化為實踐技能的關鍵途徑。經過簡明的理論知識講解后，學生雖然對如何編寫程序實現目標效果有了初步的認識，但由于程序編寫能力的差異，部分學生仍可能面臨知道目標卻不知如何著手的困境。因此教師的適切的操作演示顯得尤為重要。考慮到學生的疑惑并非遍及整個編程過程，因此教師的演示不必面面俱到。采用邊講解邊演示的方式更為合適，聚焦于編程的重點和難點，深入剖析程序的關鍵點，以此激發學生的思考，引導他們自主探索和解決問題。這樣的啟發式教學不僅有助于提高學生的編程技能，更能培養他們的創新思維和自主學習能力，為未來的深入學習和職業發展奠定堅實基礎。

在Clbbot機器人的紅外避障模塊教學中，學生已經具備巡線傳感器的先驗知識。二者的編程原理有相同之處，但是在硬件結構和工作原理上存在明顯差異。巡線傳感器將兩個紅外發射和接收器集成為一個硬件，最終輸出單一值。紅外避障則包含兩個相互獨立的硬件模塊，編寫程序時需要對每個避障模塊的監測值進行讀取判斷。此外，紅外避障模塊的靈敏度是可以調整的，不同的靈敏度測出的值不同，所以不同學生在機器人上運行相同的程序可能結果也不一樣。學生初次面對這類問題時往往束手無策，所以在講解程序時，教師應重點剖析這一部分的程序邏輯與知識要點。可采用對比教學法，將巡線傳感器作為先行組織者，通過對比分析兩者的異同，促進學生對紅外避障模塊編程原理的深入理解。

4.5 激勵型發展性評價，關注結果更關注學生成長

激勵型發展性評價能積極促進學生的正向發展。激勵型的評價反饋表達了教師對學生發展的良好期望和肯定，對學生的成長有積極的影響，即“羅森塔爾效應”。從多元維度審視，評價可以細分為多種類型，每種類型都有其特定的關注點與功能。發展性評價突出成長的過程，其目的不在于甄別而在于促進學生的成長發展[12]。同樣聚焦學生的發展，在發展性評價中融入鼓勵等積極因素往往能得到錦上添花的效果。但激勵不能是空泛的，發展性評價同樣不能泛泛而談。在評價學生時要切實流露出真情實感，保評價內容具體、真實、有針對性，體現出對學生的關注，否則可能會削弱評價的效果。

在Clbbot機器人教育課程結束時，根據學生學習過程中的課堂發言、任務完成度、出勤等表現對學生發放5至7枚紙質獎章，體現對學生學習過程的評價。在此基礎上，融入激勵元素，以期達到更加積極的評價效果。如先根據每位學生的日常表現發放4至6枚獎章作為基礎學習獎勵，剩下1至2枚獎章單獨分發給學生，并附帶鼓勵性評語。對于表現優秀的學生，給與充分的肯定和贊揚，如：“XX同學，在這次課程的學習中，你上課認真聽講，積極發言，尤其是在做XX 案例時很出色，這兩枚獎章是你優秀表現的額外獎勵，老師相信你在以后的學習中也會表現得相當出彩的。”對于表現欠佳的學生，則采取鼓勵與引導相結合的策略，如：“XX同學，雖然你在課堂上的注意力有待提高，在完成XX案例時進度較慢，但我們在單獨講解時感受到了你的認真態度。這枚獎章是對你學習態度的肯定，相信只要你稍加努力，成績定會有所提升。”這種評價方式不僅能體現教師對學生成長過程的關注，更有利于激勵學生的積極成長。但實際情況往往更加復雜，不同學生，評語也有差異。總之，在評價學生時，我們應注重過程性評價，結合事實依據，有理有據地給出評價，并充分體現出對學生的關愛和鼓勵。這樣的評價方式有助于促進學生的全面發展，提升教育質量。

5 結束語

機器人教育作為時代發展的產物，有著獨特的教育價值，受到廣大智能教育研究者的關注，在中小學課程中的地位日漸突出。中小學教師掌握一定的教學方法和策略不僅能順利開展教學活動，還有助于學生輕松有效地掌握知識、提升自我。本文結合幾個教學實例為廣大中小學教師開展機器人教育提供參考和建議，但教學有法而教無定法，在實際的教學情境中，教師需要根據實際情況靈活運用。