STEAM 教育理念下中小学机器人课程教学模式探究

张琳涓

摘 要：自美国格雷特·亚克门（ Georgette Yakman） 教授及其团队提出STEAM 教育之后，STEAM就得到国内外专家的认可。2014 年，亚克门教授应邀到上海发表 STEAM 教育主题演讲，之后STEAM 教育理念便引入中国并逐渐被国人所接受[1]。STEAM 教育是培养综合性人才的一种创新教育模式，对学生的计算思维、创新思维、合作学习等都具有积极作用，文章在 STEAM 教育的理念下，设计机器人教育课程的教学模式，并在此模式的指导下，在西安市高新第六小学五年级学生的“mBot”课程中进行教学实践，取得了良好的结果。

关键词：STEAM 教育；中小学机器人课程；教学模式；教学实践

中图分类号：G622 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2018）20-0026-04

随着信息技术的不断发展，单一的学科教学已经无法满足社会发展的需求，STEAM教育理念的出现将传统的课堂转变为综合性课堂，使学生在课堂上有机会去接触更多的学科。《教育信息化“十三五”规划》的通知中提到跨学科学习（STEAM 教育）、创客教育等新的教育形式能够促进学生的全面发展，学校应大力推崇[2]。在中小学阶段，机器人教学是体现STEAM 教育理念的主要方式之一，如乐高机器人、mBot小车等，本研究主要是对STEAM 教育理念下中小学机器人课程教学模式的研究，STEAM 教育注重学生运用跨学科思维解决实际问题的能力，注重学生的创新能力和团队合作能力，笔者基于这些特点对机器人课程进行研究，并构建出相应的教学模式。

一、STEAM教育理念与中小学机器人教育的结合

1.STEAM教育的内涵

STEAM教育是一种整合科学、技术、工程、艺术和数学的学科教学，强调跨学科的整合，强调知识的融会贯通，但它不仅仅是将各个学科的知识简单地整合在一起，更重要的是将各个学科不同的实践过程和精神内涵进行融合，是一种创新的学科融合，能够让学生主动获取知识，寻求解决问题的方法，能小组合作去完成任务，最终可以提高学生解决问题的能力、创新思维能力和合作学习的能力，让学生能够更好地融入到班级中， 提高其学习兴趣。

2.中小学机器人教育现状

随着信息技术的不断发展，机器人不仅仅局限于工业和一些研究领域，已开始进入教育行业，机器人教育通常是指通过组装、搭建机器人，并给予适当的编程，激发学生学习兴趣、培养学生综合能力。机器人教育中运用到的技术主要有电子传感器、计算机软硬件、人工智能等先进技术，为学生能力、素质的培养承载着新的使命。机器人技术综合了多学科的发展成果，也给中小学信息技术课程增添了新的活力，培养学生学习编程的兴趣，更好地锻炼了学生的计算思维能力和创新能力。然而由于此学科的特性，各校对机器人教育并无定式，近年来，机器人竞赛对中小学机器人教育的发展起到了一定的推动作用。据调查，各个学校都以各种形式开展了机器人教育活动，但都以竞赛的形式为主。

（1）过分注重竞赛本身，忽视了学生能力的培养

就机器人教育课程而言，笔者除了进行文献检索，也进行了一些实际考察。从今年开始，西安市的中小学都要求开展机器人教育课程，但是大部分学校都是以竞赛的形式来开展，举办机器人竞赛的主要目的是希望学生通过比赛能更好地了解机器人教育，学到更多的知识。但是近几年，由于企业的介入，用竞赛的方式去普及学生机器人方面的知识并没有得到较好的结果[3]，一方面是机器人竞赛要求较高，学生参与度低，即使有学生去参加，也很难在短时间内了解机器人教育的真正意义；另一方面，竞赛所使用的机器人产品集成度较高，没有给学生太多机会去动手操作，学生的实践能力和创新思维能力都没有得到较好的培养。

（2）没有专门的课程设置，机器人教育尚未普及

目前中小学开展机器人教育的形式主要有选修课、兴趣班、活动课、信息技术课程等几种形式，主要是以兴趣为主。造成这种情况的主要原因是教学目标不强，小学、初中各阶段的目标划分不够明确，缺乏科学的教学设计，没有统一的教材，也缺乏对机器人教学模式和评价方式的研究，由此可知机器人教育并没有得到普及。

（3）师资力量薄弱

实施 STEAM 教育需要一支有学科经验的高素质的教师队伍，但中小学大部分学校都没有这方面的教师，在当前的中小学教师培训中也没有针对STEAM 教育方面的培训[4]。因此建立有效的 STEAM 师资培养机制，加强 STEAM的师资队伍建设，已成为我国 STEAM 教育发展亟待解决的关键问题。

3.STEAM教育理念与中小学机器人教育结合的优势

STEAM教育理念就是将多个学科的知识深入融合在一起，在课堂上学生可以采取合作、探究等多种学习方式，目的是培养学生的实践操作能力和创造能力。机器人教育则为STEAM教育提供了一个新的实践平台，学生通过搭建组装零件，然后进行编程，使得机器人最终能够完成相应的指令，所以机器人教育很好地体现了STEAM教育的理念。并且就人才战略来看，在中小学开展融入STEAM理念的機器人教育将推动我国人才向多元化的方向发展，为国家建设提供人才支持支撑。

二、STEAM 教育理念下中小学机器人教育课程教学模式的建构

相关理论表明，人类的学习正走向创造化，与传统教育相比，STEAM 教育理念下学生不仅仅是知识的接收者，而是在原有认知的基础上成为知识的创造者，它强调跨学科，强调创造，让学生能够改变原有的学习方式，更加主动快乐地学习，这也是各学校能够接受机器人教育进入学校的关键因素[5]。笔者曾在西安市高新六小实习一年，经过自己的实际教学，结合学生学习情况，并且与该校教师不断研讨，针对中小学机器人教育目前存在的一些问题，构建了一种STEAM 教育理念下中小学机器人教育的教学模式，如图1所示。

该模式具体分为 5 个部分：

1.教学目标

首先了解学生具体的学习情况，在学生认知的基础上对不同学科的知识进行整合，让学生能够更加全面地掌握知识，对于不同的任务都能较好地完成知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三方面的教学目标。

2.教学过程

（1）教师方面。就教师而言，首先是分配学习小组，根据班级人数确定小组个数，机器人教学有搭建和编程两个部分，所以教师在分组时尽量做到平衡，使各小组完成任务的时间不要相差太大。其次教师要明确项目任务，对于任务的说明，教师可以从学生日常生活出发，对学习任务进行情境创设，进而引入课堂学习。最后教师要提供相应的学习资料，该资料包括课堂任务所需，同时教师也可以提供一些拓展知识，丰富学生的思想，引发学生的好奇心，让学生能够对课程更加感兴趣。

（2）学生方面。就学生而言，从教师创设的情境中发现本节课需要解决的主要问题，明确该问题之后，小组之间合作交流，并制定解决问题的方案。

3.创新与制造

运用教师所讲的专业知识和搭建机器人所运用的专业工具，采用小组合作的方式进行成品的组装并完成相应编程任务，进而完成项目制作。

4.成果展示

所有学生完成任務后，各小组派出一名学生进行汇报，讲述在制作过程中遇到的问题及运用到的关键技术路线，教师与全体学生要认真听取汇报。

5.评价与反思

（1）评价方法主要包括自评、互评与师评。每个小组汇报结束后，说出相比于别的小组的优势与劣势；全班学生汇报完之后要进行交流与分享，让学生互相评价，展示学生的动手能力，同时提高学生的表达能力；在学生陈述之后，教师进行适当点评，实事求是，把学生实际的表现反馈到教学中，并进行适当的奖赏，提高学生对课程的兴趣，进而促进机器人教育的持续发展。

（2）反思主要包括教师和学生两部分。教师主要反思教学设计是否完善、教学目标是否完成、学生对本节课的内容是否感兴趣等，学生主要反思自己本节课的学习情况、小组作业的完成情况和编程的熟练程度等等。

三、STEAM 教育理念下的中小学机器人教育课程的教学实践

本研究的研究对象是西安市高新第六小学五年级学生。将 STEAM 教育理念下中小学机器人教育的教学模式运用到实际的教学中，让学生对这门课程感兴趣，同时希望该模式的实践能够对以后STEAM教育的发展做出铺垫，对教师的课堂教学有所帮助。本研究主要借助于机器人教育中的Makeblock mBot，这是一款为素质教育而生的适用于低年级学生的“机器人小车”，适合初学者学习 STEAM 领域的知识，学生通过合作即可完成相应的任务。mBot主要分为硬件和软件两个部分，硬件是一些标准化的电子零件，主要供学生拼接，完成小车的组装；而软件部分则是通过编程，让小车实现相应的功能。Makeblock mBot的推出是跨时代性的，学生可以在做中学，在玩中学，开放学生的思维，让学生的创意天马行空，也能够让学生体会到编程的乐趣。本研究以“光感小车”为例，阐述该模式下具体的课堂教学情况。

1.教学目标

学校开设mBot课程的总目标是培养学生的创新能力、动手操作能力和计算思维能力，通过教学，学生能够掌握mBot小车的结构特点，小组完成简单的小车组装、编程和调试，培养学生的实践能力和动手操作能力。并且信息技术新课标规定要培养学生的计算思维，培养计算思维最好的表现形式是程序设计，对于小学生来说可视化编程是其最好的选择。从小接触编程，能够培养学生的计算思维，提高学生分析问题解决问题的能力，让学生更好地适应社会的发展和科技的进步。通过对不同学科知识的学习，学生能够多角度思考问题，合理使用工具和方法来完成相应任务，形成一个实事求是的科学态度和崇尚科学的价值观[3]。具体的教学目标如表1所示。

2.教学过程

（1）教师

本次教育实践的对象是西安市高新第六小学五年级的24名小学生，这个年龄段的学生比较好动，对未知领域充满好奇心，热衷于探索和发现新的事物。在教学过程中，教师的任务主要体现在三方面：①分配学习小组。在小组分配的原则上，教师不仅要考虑学生的智力因素，还要考虑到其非智力因素，通过对学生的观察和分析，全面掌握了学生学习的情况之后，以便为小组分配提供更好的依据，本研究将学生分为6组，每组4名。②项目任务确定。项目任务方面，学生学习活动内容的选择需要考虑现实的学习情境与确定的学习目标。在项目任务的选取方面需要注意两点：第一，每节课任务的选取都要与教育机器人载体紧密相关，就mBot小车而言，不同的配件组装起来的功能、用途等都不相同，要获得的知识与技能、过程与方法以及情感态度也会有较大的差异；第二，综合考虑课堂环境和学生的认知水平，如物理空间的现实条件、创设的情境、活动中采用的教学方法等都是影响项目任务确定的因素[6]。③提供学习资料。最后教师要提供给学生相应的学习资源，包括教学资源和学习环境的开发，教学资源主要包括PPT、微视频、软件安装包等，为学生的自主学习或合作学习提供必要的条件。学习环境的开发主要体现在物理环境和教学设备两个方面，本研究是在学校的STEAM教室授课，教室格局的布置、实验器材的摆放、使用与存储等都是需要考虑的重要因素。

（2）学生

学生的任务主要有明确项目任务和小组合作交流两个方面。就“光感小车”这节课而言，首先进行背景知识的讲解，创设具体的情境，播放相应的视频，引发学生思考，创设项目，进入分组式教学，学生以小组的形式完成相应的任务。表2呈现的是“光感小车”的教学过程。

3.创新与制作

项目制作，在教师的指导下，学生自己动手完成光感小车的组装和相应的编程；最后完成相关的作品，具体情况如表3所示。

4.成果展示

成果展示主要是让学生汇报作品，每个小组派一名学生进行汇报，将自己小组的创作过程以及创作过程中遇到的困难和解决的方法进行分享。

5.评价与反思

评价主要分为小组自评、组内互评和教师点评三个部分。教师主要从小组搭建机器人、小组成员的编程、组内的合作、小组成员的表达能力和对待问题的解决能力几个方面来点评，尤其要重视在这个创作的过程中学生是否有所收获，不要一味地关注作品是否完成。教师可以录制视频，之后认真研究视频，帮助学生提升。反思主要从教师和学生两方面展开，就教师而言，总结授课问题，例如本节课学生对“光感小车”硬件的基本功能掌握比較快，编程部分掌握较慢，因此需要进行合理的调整，本节课在搭建小车的过程中会有电路连接，有些小组出现连接错误的情况，以至于后续教学环节时间较为紧张，导致问题产生的原因是上课之前教师的预估不足，因此以后的课程中教师要从多个角度了解学生各方面的认知水平，进而进行合理的教学设计。就学生而言，要反思自己本节课的学习情况、小组合作的完成情况、编程的熟练程度等等，通过反思让自己各方面都有所提升。

四、结束语

当前我国中小学机器人教育整体水平较低，为了更好地适应社会的发展，为社会培养更多的高端人才，相关教育工作者要意识到机器人教育的重要性。本研究尝试将STEAM 教育与mBot小车相结合，构建出 STEAM 理念下中小学机器人教育的教学模式，并在高新六小进行了教育实践，发现此课程能激发学生的想象力，为学生学习提供了更广阔的空间，培养了学生的创造力和实践操作能力[7]。但也出现了一些新的问题，教师要思考如何更好地进行课程设计，让学生能够更好地进行探索和实践，基于发现的种种问题，还需要开展更多的理论研究与实践探究来加以解决。

参考文献：

[1]赵慧臣，陆晓婷.开展STEAM教育，提高学生创新能力——访美国 STEAM 教育知名学者格雷特·亚克门教授[J].开放教育研究，2016，22（5）：4-10.

[2]王巍，袁磊.幼小衔接阶段基于项目的 STEAM 课程教学模式研究[J].现代远距离教育，2018（3）：51-58.

[3]刘淑云，马燕，范文翔.创客理念下师范院校的机器人教学模式探究[J].现代教育技术，2016，26（7）：120-126.

[4]胡畔，蒋家傅，陈子超.我国中小学 STEAM 教育发展的现实问题与路径选择[J].现代教育技术，2016，26（8）：22-27.

[5]薄丽娜.STEAM教育理念下中小学创客课程教学模式的探究[J].中国教育信息化，2018（4）：36-39.

[6]马云霞.STEAM教育理念下师范院校机器人教学实践研究——以《人工智能》机器人实验课为例[D].西安：陕西师范大学，2017.

[7]郑贤.基于STEAM的小学《3D打印》课程设计与教学实践研究[J].中国电化教育，2016（8）：82-86.

（编辑：鲁利瑞）