通過“智軌時代”校本課程探討STEM教育在教育機器人社團活動中的作用

〔摘" "要〕" 本文研究了基于教育機器人的小學創新教育案例。當前小學教育機器人呈現多樣化發展趨勢，STEM教育理念日益流行，基于STEM教育理念使用教育機器人開展小學社團活動已成為創新教育的重要手段。本文通過“智軌時代”校本課程案例，探討了STEM教育在教育機器人社團活動中提升學生科學素養、技術素養、工程素養與數學素養的作用。課程設計包括理解智軌運行原理、解決基礎技術問題、設計與開發工程模型，并貫穿于數學素養的應用。實踐表明，教育機器人不僅能培養學生的創新能力，還能促進學生的個性發展和身心健康。創新教育是教育發展的主體目標，STEM教育是實現這一目標的重要方法，教育機器人是培養小學生創新能力的重要工具。

〔關鍵詞〕" 小學科學；STEM教育；教育機器人；學生社團；創新教育

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標識碼〕" A" " " " 〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）14" " 0103-03

基礎教育是高等教育的基石，小學生的創造力是最不受束縛的，許多突破性的想法都源于兒時的天馬行空。當前，小學教育機器人呈現多樣化的發展趨勢，機器人教育以學生社團為主要形式，STEM教育理念日益流行。在小學創新教育中，基于STEM教育理念使用教育機器人進行機器人教育的小學社團活動，已成為小學階段創新教育的重要手段。

一、關鍵詞界定

創新教育是一個高度復雜的系統工程，往往需要綜合運用多種學科知識。小學創新教育的核心是在全面實施素質教育的過程中，為迎接知識經濟時代的挑戰，著重研究與解決在基礎教育領域如何培養小學生的創新意識、創新精神和創新能力的問題。

STEM教育是圍繞科學、技術、工程與數學學科知識與能力開展的，著重提高學生的STEM素養，優化學業成績，進而為創新型人才的成長奠定基礎。STEM教育是創新教育的重要方式。

教育機器人是由生產廠商專門開發的以激發學生學習興趣、培養學生綜合能力為目標的機器人成品、套裝或散件。教育機器人因為適應小學階段的機器人教育，對學生的科學素養、技術素養、工程素養與數學素養的培養和提高起到了積極的作用，在眾多小學得以推廣，以其“玩中學”的特點深受少年兒童的喜愛。由于教育機器人數量的限制，小學階段的機器人教育多以社團活動形式為主。

小學社團是學生在自愿基礎上由興趣愛好相近的學生組成的團體，在教師的指導下，組織開展健康、積極有益的活動。

二、“智軌時代”案例

隨著宜賓第一條智軌示范線的建設和試運行，“智軌”成了我們生活中的熱點。智能軌道快運系統簡稱“智軌”，通過自動循跡與軌跡跟隨技術，控制列車沿著標線行駛。按照教育應與實際生活相結合的原則，2018年筆者以此為契機自主編寫了“智軌時代”校本課程，通過模擬的智軌場地，指導學生解決“自動駕駛”“站點停靠”“安全行駛”等實際問題。以下主要以“智軌時代”校本課程案例探究STEM教育如何在教育機器人社團活動中提升學生的科學素養、技術素養、工程素養與數學素養，培養學生的創新意識、創新精神和創新能力。

（一）用科學素養理解運行原理

科學素養注重運用科學知識理解自然界并參與影響自然界的過程。在本課程案例的前面課，筆者專門設計了實踐作業：通過自己收集資料、實地考察，了解宜賓智軌的建設、運行情況，然后小組匯總，形成組內共識，并用自己的語言解釋智軌車運行的科學原理。在社團活動教學中，通過小組分別匯報、交流，教師適時引導，共同制定要完成“智軌時代”模型必須學習的基礎知識目標：學習灰度傳感器、超聲波傳感器；巡線的思路及方法。通過這兩課的學習，使社團的學生運用已學的教育機器人知識理解了智軌運行的科學原理，并激發了學生積極參與制造“智軌時代”模型的熱情和信心，讓他們養成了運用科學知識理解身邊的事物并參與影響身邊事物的科學素養。

（二）以技術素養解決基礎問題

技術素養也就是使用、管理、理解和評價技術的能力。在學生明確了“智軌時代”模型的學習基礎目標后，專門設計了學習灰度傳感器、超聲波傳感器和巡線的思路及方法的課程，從技術的層面支撐“智軌時代”課程的完成。探索學習使用灰度傳感器識別地面軌跡；使用超聲波傳感器識別障礙；利用單灰度、雙灰度實現“自動駕駛”的功能；利用超聲波實現“安全行駛”的功能。在學習這一系列技術的過程中，筆者使用虛擬教育機器人進行教學，目的是讓學生能夠先熟練完成流程圖、使用編程實現巡線，從技術層面理解智軌車自動循跡與軌跡跟隨，為實地操作打下堅實的技術基礎。

（三）在設計中提升學生工程素養

案例中，科學素養在于認識智軌、解釋智軌運行的客觀規律；技術素養則是利用虛擬機器人學習智軌運行的巡線技術和安全行駛技術。科學素養和技術素養是內在的，必須以工程素養作為表象體現。工程素養即對技術工程設計與開發過程的理解，提升工程素養以實現對“智軌時代”的控制、解決實現模型過程中遇到的各種狀況，利用實體教育機器人實現“智軌時代”模型的設計、組織、編程、調試。教育機器人活動的設計、組裝、編程、調試這四個過程不是簡單的遞進式關系，而是隨著發現問題、解決問題的深入在這四個過程中不斷跳躍。學生學習時需要不斷地思考，不斷地實踐操作，不斷地解決問題又發現新的問題。比如在安裝“智軌時代”紅綠燈模型的時候，首先提出第一階段的任務：編程實現一組紅綠燈的交替閃爍。在這一任務完成后提出第二階段的任務：觀察某一路口紅綠燈的運行狀態，怎樣才能使一組紅綠燈適合實際使用？讓學生明白要考慮路口的車流量，哪一條路車流量大就需要給其更多的時間，并且紅綠燈要安裝在醒目處。最后引導學生提出新的問題，在一個十字路口最少得有四組紅綠燈，而且它們的運作必須配合得天衣無縫。應該怎么實現呢？就是在這樣的重復之下，不斷地更新設計、升級組裝、優化編程、實踐調試，提升學生運用科學知識理解智軌并參與影響智軌的過程，提高學生使用巡線技術、理解流程和相互評價技術的能力，最終完成對“智軌時代”的工程設計與開發過程。

（四）運用數學知識提升學生數學素養

數學作為技術與工程學科的基礎工具，始終貫穿于本課程案例中。數學素養即引導學生發現、表達、解釋和解決教育機器人數學問題的能力。在案例的實現過程中，需大量運用數學知識提升學生的數學素養，測量計算灰度閾值實現軌跡的識別、測量超聲波探測距離、計算路口通過時間完成紅綠燈模型的設計、計算速度完成機器人弧度轉彎、編寫流程圖等。如在實現“站點停靠”的功能時，要求組內充分討論、分工，各司其職，進行充分論證與計算再行動。需計算出每一個站點需要停運的時間，計算出在彎道時為使行駛平穩需要的速度差，計算在路口轉向時需要的馬達不同數值，計算在模型上有多輛智軌車行駛時互不干擾的時間差。通過在科學層面上解釋和理解這些數值，從技術層面上檢驗并修改，通過工程不斷調試實現，最終才能形成一個比較完美的具體模型。

三、實踐中的創新

結合STEM課程明確培養學生創新能力目標的定義，更加確定基于教育機器人的創新教育對小學生的重要影響。

（一）注重對學生創新能力的培養

手腦結合能力。教育機器人的教學活動主要包含了設計、編程和組裝、調試，學生只有開動自己的思維列車進行設計，利用所學知識動腦編程，才能賦予機器人的大腦以思想。賦予了機器人思想，還需要給機器人一個身體，這時就需要動手進行組裝。調試更是對學生手腦協調能力的鍛煉。比如在進行實體跨欄賽機器人教學時，既要讓學生在編程時動腦實現機器人如何保持在賽道內、如何跨過障礙，還需要學生在組裝搭建時動手，在不斷地觀察運行軌跡、調試中獲得手腦的協調發展。

團隊合作能力。機器人結構的復雜性決定了這一活動必須是一個團結協作的過程。在學習中，學生只能通過合理分工、協商流程才能共同完成任務。通過學習他們很快會發現，當自己在編程或者搭建時遭遇思維定式的時候，有了團隊的力量，經常能夠很快地解決問題。從而促使他們更愿意融入團隊之中，發揮集體的能量。

知識的學習與應用能力。機器人教學涉及語文、數學、科學等綜合實踐能力，在學習中，所學的知識既可以幫助學生更快、更好地完成任務；反過來，他們也會經常性地發現，實現了機器人的任務也會促進他們對其他學科的學習。

（二）注重對學生個性發展的影響

個性是每一個人的標識，機器人的學習更是一個能夠充分體現學生個性的過程。對同一個任務，在編程的時候可以有幾種甚至幾十種方式實現，在搭建的時候更會有成百上千樣的變化。例如在進行循跡機器人教學的時候，有的學生會在設計和編程時把循跡的重點放在左側的傳感器上，而有的學生則會選擇首先判斷右側的傳感器進行設計和編程，再根據所設定的程序搭建出風格迥異、富有個性的循跡機器人。當然，這都能夠完美地完成循跡任務。在每一次機器人的基本任務完成之后，筆者都會讓學生按照自己的意愿裝飾自己的機器人，最后給他們時間展示程序、演示自己的個性機器人，充分尊重他們的個性，肯定他們的個性，讓他們以自己的不同為傲。科學發展史中的大量事實說明，那些具有獨特創造力的科學家，總是有一些與眾不同的東西，恰恰是這種“不同”，才是極為寶貴的。因此可以說，尊重個性即是保護創新能力，消滅“不同”的個性，其實是在扼殺社會的創新能力。

（三）注重對學生身心健康的影響

教育機器人的學習是一個長期的、遞進的過程，涉及計算機、機械、電子、通信、控制、聲、光、電、磁等多個學科領域多種門類的知識。這就要求學生必須對各領域知識廣泛涉獵，并且做到持之以恒，才能取得一些成就。機器人的設計、搭建、編程和調試過程，正是鍛煉學生身體和意志，培養學生堅韌、不言放棄精神的過程。當學生完成一個學習任務之后，回顧自己把一個個零散的配件搭建成具有某一能力的機器人，把自己的思想通過編程賦予到機器人上得以實現，這樣成功的體驗足以讓他們引以為傲。每當社團展示、其他社團的學生圍觀著讓他們演示講解某一機器人時，他們是自信的、自豪的，讓人仿佛看到了他們充滿正能量的小宇宙在不斷迸發。他們在下課了還沒有完成任務時依然保持著的堅定眼神和躍躍欲試，他們在攻破難關完成任務之后的歡呼雀躍，使人深受感染，教師不由自主地為他們感到驕傲，也為自己驕傲。在社團實踐活動中，他們能夠充分地獲得滿足感；在團隊合作中能夠積極地溝通，善于正確地評價自我，做到誠心地贊美和善意地批評；在自身修養中能夠具有自制力，保持自身人格、個性的完整性。這樣的經歷對于小學生來說非常難得，對于其身心健康的培養彌足珍貴。

創新教育是教育創新發展的主體和終極目標，STEM教育是落實創新教育的具體方法和途徑，教育機器人是實施STEM教育，培養小學生創新意識、創新精神和創新能力的重要工具，社團活動是小學生創新教育的主要形式。通過基于教育機器人的創新教育，我們不僅能夠培養學生的創新能力，還能促進他們的個性發展和身心健康，為他們的全面發展奠定堅實的基礎。

參考文獻

[1]李維明.關注發展，實踐課程[J].中國信息技術教育，2018（5）：13.

[2]王學禮.基于STEM教育理念的機器人教學實踐探究[J].教育科學論壇，2018（32）：53-54.

[3]夏莉穎，鐘柏昌.試論STEM教育的兩種取向與四種方法[J].中小學數字化教學，2018（9）：8-11.

[4]朱祥烈，岳佳麗.以STEM教育推進課程創新的實踐探索[J].教育科學論，2018（32）：31-33