面向创客教育的高中机器人教学与实践研究

贾金元+武小龙+武国伟

[摘 要]根据当前高中机器人教育教学和研究的现状，构建了一种面向创客教育的高中机器人课程教学模型，以平面四连杆的内容为教学案例，详细提供了该模型下机器人课程的教学设计流程，对高中机器人教学进行了尝试和探索。

[关键词]STEM；创客；高中；机器人

STEM与创客教育进入学校，是基础教育新课程改革的一个趋势，机器人项目作为STEM与创客教育的一种综合实践载体，其价值已逐步获得很多基础教育学校的认可，当前社会各界广泛关注的STEM与创客教育中有部分内容就是围绕机器人的设计与制作展开的[1]。全国各级各类有条件的学校通过校本选修、社团研学等形式开展了多种多样的机器人教育活动。经过十多年的教学和实践，高中机器人教育教学取得了长足的发展，但是从机器人教育的发展趋势和课程的组织形式上看，还存在明显不足。大部分学校开设机器人教学侧重竞赛，没有意识到要向学生传递一种理念。美国在K-12教育阶段已经将机器人列入科学技术课程的学习内容。据统计，美国麻省理工大学每9个学生中就有1个参加过美国FIRST非盈利性机构主办的FIRST比赛。这一赛事给学生提供了一个平台，使学生能够运用知识和智慧把在课堂上学到的科技概念运用到现实工程师问题的解决中。高中机器人教学应该注重动手能力和创新思维能力培养，切实培养学生的創造力和STEM思维。

一、相关背景介绍

1.STEM教育与创客教育

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）与数学（Mathematics）的首字母的组合，它源自美国国家科学委员会（NSB）的报告，它的提出响应了20世纪后期美国教育的改革，强化了美国科技创新人才培养战略。美国K-12教育阶段在历经几十年的探索和改革后，在教育目标、STEM课程、STEM师资、评价等方面已经形成了一个较为完整的体系，它将严肃的学术概念与现实生活中的课程相结合，通过跨学科教育，使学生应用已学习的科学、技术学、工程学和数学知识于特定环境中，创造性地解决问题。美国的STEM教育在大学申请、课程设置、学生实践活动等方面具有明显的特点，对于我国的新高考、创客教育和创新型人才培养等方面有重要启示。

创客教育是创客文化与教育的结合，在《中国创客教育蓝皮书》中首次系统定义了“中国特色创客教育”的具体内涵：“创客教育”基于学生学习兴趣，以项目学习和任务学习的方式，强调理论联系实际，将科学、技术、工程、电子、机械、编程、设计、艺术、人文等多种学科充分融合，以解决生活中实际问题作为教学出发点，让学生通过掌握各种最新科技、设备、工具、软件和材料的使用来进行动手造物的训练，让学生从被动接受知识转变为亲手将自己的想法变为现实的创造性学习模式，培养跨学科解决问题的能力。

可见创客教育与STEM教育有很多相似之处，但创客教育更加强调一种教育理念，鼓励学生享受创造与分享的快乐。STEM教育作为一种最初自上而下培养理工科人才的国家教育战略，成为了实践创客教育的一种最好的载体。 在国内，当创客教育和STEM教育提出并在学校中开始践行后，很多学校并未严格区分两者的不同。

2.机器人教学

机器人教育旨在培育学生的创新素养，为创新型人才的培养奠定基础。它融合了工程设计、机械制造、程序设计、开源硬件、三维设计、图像识别和人工智能等先进技术，代表了现代高新技术发展的前沿[2]。教育部颁布的《普通高中技术课程标准（实验）》，设立了“人工智能初步”选修模块，把机器人教学内容纳入到信息技术、研究性学习课程中[3]。在《高中信息技术课程标准（修订版）》中，进一步突出了STEM教育的重要性，利用创客教育和STEM课程的最新理论与实践成果丰富和改善机器人课程教学，可算顺理成章。目前，国内已有数百所学校开展了机器人教学，主要以机器人教学和机器人竞赛的形式展开[4]。国内目前的高中竞赛主要有VEX挑战赛、FIRST主办的竞赛（FLL、FTC、FRC）、中国青少年机器人竞赛等。

在CNKI学术数据库中分别以“机器人”“机器人教学”“机器人教育”“高中机器人教学”为主题进行近5年文献的搜索可以发现，针对机器人教学方面的课程设计和教学研究相对较少，而高中机器人教学更较少涉及（见表1）。同时，从研究层次来看，大部分作者来自高校的工程学领域，专门研究与工业机器人相关的专业知识和技能，很少涉及到普通教育阶段的机器人教育。从教学模式上看，主要集中于项目教学和基于问题的教学。在国家层面还没有统一的中小学机器人教材和教学目标，目前各学校都是根据自己的硬件条件进行合理选择并有侧重地教学。

总结起来，目前机器人教学存在的问题主要体现在三个方面。

一是在教育目标层面，重竞赛，轻动手和应用。高中机器人教学的主要目标是培养学生的创新精神和动手能力。各种各样的机器人竞赛活动是促进机器人理念普及的主要方式，但是个别机构的竞赛存在商业因素干扰过多、竞赛内容固定、缺乏创造性、科技含量不高的问题。有些厂家甚至给学校提供方案的时候就把参赛的机器人做好，学生只是利用课余时间进行操作训练，对机器人的搭建和构造原理没有进行深入了解，过于重视比赛成绩，显然有悖于开设这门课程的初衷。

二是在课程定位层面，机器人课程在高中阶段大多数以选修课的形式存在。随着STEM和创客理念的发展和课程改革的深入，高中机器人教学没有将普及机器人理念和教育作为必修课程来实施。而国际班的学生在申请海外大学时发现，国外大学正在越来越看重STEM学习背景。机器人教育并不要求每一个学生都要去制作或者建设机器人，而是要让学生明白机器人基本的理论和知识。为了从实质上推动机器人教育，根本途径之一是将机器人教学引入课堂。

三是在教育理念支持层面，目前机器人教学还缺乏完整的课程方案和教学模式、教学评价等。课程的教材编写、教学设计以及评价方法都是由机器人产品制造商提供参考，使得机器人教育理念与实践的视野还不够宽广，机器人教育的氛围不够浓厚，在教学模式的探索创新方面还缺乏建树，与各个学校的实际情况有很大出入。有些学校有教师无设备，有些学校有设备无师资，机器人教学还没有走出一条内涵式的发展道路。endprint