STEM教育下的可视化编程机器人课程开发研究

何家辉

摘 要：随着科学技术水平的提升，机器人课程已经成了一项重要的科研内容，而对于基础教育来说，可视化编程机器人课程的开发已经成了教育界所关注的重点教学内容之一，因此，就STEM教育下的可视化编程机器人课程开发进行研究，分析STEM教育理念，阐述开设可视化编程机器人课程的重要性，提出课程开发的具体模式，希望能够为相关人士提供帮助。

关键词：STEM教育;可视化;编程机器人;课程开发

在如今的时代背景下，越来越多的小学开展了STEM创客教育，以提升学生的科学素养，激发学生对科学、技术、工程和数学等学科知识的兴趣。机器人课程因其学科交融性和实践操作性，被认为是培养学生科学素养的有效途径，它帮助教师将工程设计、科学过程、技术素养和数学置于能让学生参与并理解的情境中，具有较高的教育实践价值。因此，为了能够促进学生的全面发展，应该在STEM教育理念下开发课程，以此建立更加完善的机器人课程体系。

一、STEM教育下的可视化编程机器人课程开发现状分析以及STEM教育的内涵

1.研究现状

目前，随着STEM教育的深入发展，其内涵得到了更深一步的扩充，教育价值也越来越明显，在如今的小学教育中，利用STEM理念进行整合教育已经成了小学阶段的主要内容。在这种情况下，如何实现跨学科教育，将STEM教育中的四门学科的课程进行整合也成了教学难点与教学重点。对于数学学科来说，从小学到高中都有非常完善的课程标准，但立足于STEM教育中所涉及的四门主要学科的角度进行分析，我国课程标准的建设依然存在明显的滞后性，所以应该在STEM教育下寻找更加有效的教育教学方式和途径。

在我国如今的小学教育中，可视化编程机器人课程的开发依然处于一个发展时期，重点培养学生的逻辑思维能力与动手能力，但是在一部分STEM教学实践中，却依然没有凸显出工程设计与科学探究，更多则是采用项目学习的方式完成实践教学。同时在部分地区与学校的STEM教学中，无论是教学的主题，还是项目的开发与设计，甚至是内容的选择与目标的确定，都存在比较大的随意性，无法将STEM教育与其他各大学科进行融合，在这种情况下，无法实现对学生综合培养的教学目的。因此，在STEM教育下开发可视化编程机器人课程，已经成了小学教学阶段的核心内容之一。

2.STEM教育的内涵解析

STEM具体指的就是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）以及数学（Mathematics）四个词语的首字母英文缩写，这也说明STEM属于一种多学科融合的新型教育模式。在STEM的视角下，主要的教学目的就是培养学生的综合性实践能力以及思维创新能力，从而逐渐提高学生的综合能力，对学生的核心素养进行全方面的培养，使学生能够更好地适应未来行业与岗位的需求。在STEM教育视角下，开发可视化编程机器人课程指的就是深入地分析学生的现实需求，而后明确课程教育目标，合理地选择课程教育内容，并采用适当的方法实施课程，在完成课程后也要对课程的开展情况进行系统性与有序性的评价。现如今，随着教育事业的改革与发展，为了能够进一步提高教学水平与教学效果，必须要及时优化课程的开发情况，确保课程的开设可以与时俱进。

二、在可视化编程机器人课程开发中融入STEM教育的重要意义

1.转变教育理念，提高教学效果

虽然国家在教育方面的投入逐年增多，但是在实际的小学教学中，仍然会出现教育理念停滞不前的情况。对于小学教学来说，最终的目的就是促进学生健康成长，不仅要求学生具备充足的理论知识，也要对学生的动手能力与思维能力进行全面的培养，从而为学生的日后发展奠定良好的基础。但是结合实际情况进行分析，很多小学的教育教学工作中，依然将传统的教育教学理念作为主导，教师在课堂教学中占据着主导地位，而且“灌输式”教学模式也屡见不鲜，在这种情况下就会导致学生接受知识的效率比较低，降低了整个课堂的教学效果与教学质量。为了能够转变这一情况，必须要把握新时代教育业的发展契机，转变教育理念，将学生作为课堂的主体与核心，真正地将课堂还给学生，从而进一步提高教学效果。

在实际的课程开发过程中，融入STEM教育理念，不仅可以打破传统教学观念的束缚，而且也能够真正地将主动权还给学生，使学生成为课堂教学的主体，以此提高学生动手实践的能力，让学生可以获取更多的知识，促进学生的全面发展与成长，而这也就充分地体现了STEM教育理念的重要作用和先进之处。

2.提高学生的学习能力，激发学生的学习兴趣

对于小学生来说，因为年龄、性格等因素的影响，无法对一件事保持长久的注意力，而且学生也尚未形成完善的逻辑思维体系，在这种情况下，如果依旧对学生采用传统观念下的教学模式与教学方法进行教学，则会影响到学生学习的积极性与兴趣，导致学生无法积极地参与到课堂教学中。而借助STEM教育理念开发可视化编程机器人课程，可以将不同学科的知识进行优化与整合，提高课堂教学的开放性，使课堂能够呈现出一种项目化的教学姿态，同时也可以在教学课程中引入人文艺术学科，从而使原本枯燥无味的课堂变得更加具有吸引力与生动性，这样一来，就能够有效地激发学生的学习兴趣，提高学生的学习能力。

三、在可視化编程机器人课程开发中融入STEM教育理念的可行性分析

将STEM教育理念融入可视化编程机器人课程开发中具体指的就是将各种学科知识进行统一化的合成，使原来比较独立的多门科目课程可以整合成为一门多种学科融合的项目化课程，从而有效地提高可视化编程机器人的教育水平与教学质量。而为了能够实现此目的与达到此要求，在进行可视化编程机器人课程开发的过程中，应该将STEM教育理念作为指导，将科学、技术、工程以及数学等相关学科的知识进行融合。在STEM教育理念下的可视化编程机器人课程，可以有效地提高学生的探究能力，激发学生的学习兴趣，帮助学生掌握更多的实践操作知识，比如帮助学生掌握对机器人的编程与调试等技术手段。同时，在STEM教育理念下，也可以帮助学生形成良好的思维习惯，有助于学生未来的发展。除此之外，利用STEM教育理念可以培养学生的空间想象能力与逻辑思维能力，以此为学生的日后发展奠定良好的基础。

四、STEM教育下可视化编程机器人课程开发的流程

1.选择课程开发的模式

在選择课程开发的模式时，需要重点考虑两个方面：一方面，应该将STEM教育理念与可视化编程机器人课程进行融合;另一方面，应该满足如今素质教育的需求，重点对学生的综合能力进行培养，并做好课程设计工作，制定相关的教学标准与教学制度，同时应根据学生的实际学习情况，采取多样化的评价方式对学生进行评价。

2.课程开发的步骤

（1）分析工作内容

根据学生的实际需要与课程标准的要求，设计教学内容，明确教学目的，重点培养学生的实际操作能力与创新思维，使学生可以开动脑筋、发挥想象力，从而实现小学可视化编程机器人课程教学的目的。

（2）分析教学内容

结合具体的任务内容，明确最终教学目标与能力目标，而后编制完善的教学单元或者教学模块，制订详细的教学计划，根据学生的学习情况以及其他多种客观条件，明确教学组织形式以及教学开展的具体方法。

（3）教学课程的开发

根据实际情况，对每一个教学课时编制详细的教案，确保课时安排的合理性，同时也要根据课时的情况合理地确定教材内容。

（4）教学的实施

按照制订好的教学计划与教学内容，组织开展课程教学工作。同时，在实际的教学过程中，也要不断总结教学的经验与教训，并做好详细的记录，而后完善教学体系，根据实际情况及时调整教学方法与教学内容，确保教学方法与教学内容能够更好地满足学生日后发展能力提升的要求。完成教学后，应根据课程评价标准对学生的学习结果进行综合性的评价，从而体现出STEM理念下可视化编程机器人课程发展的有效性。

比如，将《百变闪灯》课程的教学内容作为主体，引导学生自己动手进行制作，明确任务目的为：制作一个流水灯作品。在教师的帮助下，准备好Aduino主控板、面包板、发光二极管、导线、KT 板等制作材料。由教师统一发放制作工具，具体包括：移动电源（充电宝）、剪刀、水彩笔、螺丝刀等。并采用小组合作的形式，让学生自己设计制作流程，而后教师对学生提出的制作流程进行分析与总结，指出其中的不足之处，最后让学生自己动手完成操作。具体流程为：①小组设计图案并画在KT板上;②连接主控板与面包板之间的线路;③连接发光二极管与面包板之间的线路;④安装发光二极管;⑤通电调试。

在指导学生结合生活实际进行机器人作品设计时，可视化编程机器人课程的学习为他们展开多学科融合创作打下一个厚实的基础，将科学、技术、工程、数学等学科综合运用展开创作，解决实际问题。例如：学生设计的作品“智能紫外线消毒灯防护系统”，就是通过机器人传感器运用可视化编程，简单地实现解决生活中发生的紫外线消毒安全意外问题。在此也体现了可视化编程机器人课程的有效性。

总而言之，在如今的可视化编程机器人课程开发中，应该在STEM教育理念的指导下，组织学生进行学习，从而提高学生的综合能力，激发学生学习的积极性，促进学生全面发展。

参考文献：

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注：此文为广东省教育技术中心2018年度专项课题“在STEM教育下可视化编程机器人课程开发研究”（课题立项号：18JX07030）研究成果之一。