基于STEAM教育理念的机器人课程教学模式构建

崔向平，冉竹君，张子豪，周庆国

(1.兰州大学 高等教育研究院，甘肃 兰州 730000；2.兰州大学 信息科学与工程学院，甘肃 兰州 730000)

随着全球科学技术的不断发展，创新型人才和应用型人才的培养成为当前国家教育发展的重点方向之一.2018年，教育部印发《教育信息化2.0行动计划》，提出“充实适应信息时代、智能时代发展需要人工智能和编程的课程内容”[1]，STEAM教育和机器人教育成为了当前信息化教育的重点研究方向.STEAM是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、艺术(Art)和数学(Mathematics)五个英文单词的缩写，分别对应五门学科，是一种多学科融合的教育理念.“互联网+”时代下，信息、学习、认知都在不断发生变化，各领域之间信息的融合、认知的交流以及学习的无处不在，使得当前教育的形式发生了改变[2].STEAM教育的跨学科学习引起了高等教育发展模式的变革.机器人教育作为能够培养学生创意意识、思维能力等综合素养的教育方式，正在逐步走进一线课堂.2017年7月，国务院发布了《新一代人工智能发展规划》，对中小学阶段开展人工智能科普活动提出了发展规划[3]，开展机器人教育成为了我国目前信息化教育的必经之路.然而，我国目前STEAM 教育开展的研究对象始终以中小学生为主，STEAM教育理念用于机器人课程的教学模式构建也主要集中在基础教育阶段，高等教育领域的机器人教育与STEAM教育理念融合开展的课堂教学研究较少.因此，如何构建STEAM教育理念下的机器人课程教学模式，如何选择合适的工具设计适配高校课堂的机器人教学活动，都还需要开展更多的探讨.

1 “STEAM+机器人教育”相关问题解析

STEAM教育作为一种教育理念，具有跨学科性、创新性，在实际应用中通常以项目式开展学习活动，在学习者完成项目任务的过程中培养其创新能力和计算思维.它能综合各个学科的知识点，使学生从理论到实践全面发展.

机器人教育则是我国近年来极力推广的教育形式之一，我国学者对于机器人教育内涵的研究主要基于两个方面：一是作为教学辅助存在，另一方面则是作为教学内容存在.作为教学辅助存在时，研究者将机器人看作是教学辅导者，即通过教育机器人达到优化教学效果的目的[4].当机器人作为教学内容存在时，机器人教育的定义则是学习机器人的基本知识与技能[5].在本研究中，笔者主要讨论以机器人知识作为课堂教学内容的机器人教育.

课堂教学中，机器人教育具有多学科交叉融合性，在STEAM教育理念的指导下能更有效地完成培养目标.实际上，“STEAM+机器人教育+高等教育”的关注度并不算低，但由于高等教育是一个复杂的系统，新鲜事物的发展将会面临诸多挑战.例如我国STEAM教育的理论基础主要来自国外理论的引进，高等教育领域的STEAM教育发展也大多注重实验室的创建，导致STEAM教育在高等教育中并没有相对完整的理论框架，高校中的机器人教育也因此没有受到有效指导.

综上，在STEAM教育理念的指导下为高校机器人课程提供相对合适的教学模式，并以此指导教学实践的开展，是解决上述问题的关键.

2 基于STEAM教育理念的机器人课程教学模式的构建

2.1 模式构建的可行性分析

2.1.1 机器人教育与STEAM教育理念结合的可行性与优势分析

机器人教育的目的在于培养学习者在动手能力、计算思维能力和解决问题能力等各方面的综合素养.STEAM教育理念则是将科学、技术、工程、艺术、数学五个学科的知识融合，以培养学习者计算思维能力、创新能力等综合素养.因此，在STEAM教育理念下开展机器人教育，能够从更多维度激发机器人在教育教学中的作用，使得学习者在机器人的相关学习中能够更加深入有效地理解多学科的知识，并提高所学知识与实际操作融合的程度.

2.1.2 机器人教育中使用可视化编程工具Blockly的可行性

2012年6月，谷歌公司发布了完全可视化的编程语言Blockly，它将变量、表达式、程序设计的基本结构等编程概念以积木块的形式呈现，使用者可以通过类似玩拼图玩具的方式构建出程序[6]，其运行环境简单便捷，适用于各类人群.除此之外，Blockly作为一个完全开源的编程工具，用户还可以根据自己的编程需要对Blockly工具进行自定义设计.这款可视化工具一方面不需要使用者编写冗长的代码，能在一定程度上降低编程学习的门槛；另一方面，它与针对儿童的可视化编程工具不同，在算法、逻辑以及开发方面都更具优势.因此，Blockly可视化编程语言作为工具在高校的机器人课程中使用是非常可行的.

2.2 机器人课程教学模式的理论基础

2.2.1 多元智能理论

多元智能理论由美国哈佛大学的加德纳博士提出，他认为每个人都具备一些智能，包括语言、逻辑、空间、运动、音乐、人际、内省和自然智能，但是其组合方式和发挥的程度不同[7].因此，教育需要为学生提供合适的环境和训练，使得每个学生都能得到发展.

在机器人教育的过程中发掘学生的多元智能，使得学生在完成一个机器人项目的过程中找到自己的优势和强项，一方面鼓励了学生的全面发展，另一方面也培养了学生的合作能力和交流能力.因此多元智能理论是机器人教育中教学模式设计的重要理论基础.

2.2.2 PBL项目式教学方法论

基于项目的学习(Project-based Learning，PBL)，是通过设计围绕某一个项目进行的学习任务，融合多个学科知识，在小组合作的形式下，通过对基本问题、方案计划、探究实践、最终产品和评价反馈设计并实施等一系列的探究活动，并将探究成果进行表达和交流的教学模式[8].

基于项目的学习包括问题驱动、真实情景、跨学科知识、合作能力以及形成最终产品五个方面，既强调工程的价值，又保证学生对数学以及科学等多学科相关知识的理解，是典型的跨学科STEAM教学模式之一.

2.2.3 5E教学法

5E教学法是由美国生物学课程研究会基于Atkin-Karplus学习环提出的探究式STEAM教学模式，该模式的理论基础是建构主义学习理论，它包括引入(Engagement)、探究(Exploration)、解释(Explanation)、阐释或延伸(Elaboration or Extension)和评价(Evaluation)五个部分[9].在5E教学法中学习者通过探究活动解决问题，构建对新概念的认知，教师作为支持者为学习者提供个性化的指导，最后通过师生答疑等方式展示学生的探究结果，教师对学生的探究结果进行解释，帮助学生理解探究的意义，最终完成新知识的构建，并在整个教学过程中对学生的学习反馈、探究积极性以及最终方案进行评价.

2.3 构建基于STEAM教育理念的机器人课程教学模式

根据多元智能理论中所提到的每个人所具备的不同智能，结合STEAM教育理念的特点，本研究将教学内容从五个方面进行分解融合，即科学、技术、工程、艺术、数学.此外，STEAM教育与机器人教育都涉及到以项目为驱动的教学形式，参考项目式教学方法论中项目的设置、完成等一系列过程，将教学内容概括为两项项目任务，即“机器人项目”和“Blockly可视化编程项目”.在5E教学法的指导下，以建构主义学习理论为基础，将教学流程设计为在探索中发现问题并解决问题.最终结合高等教育中机器人教育的特点，本研究提出基于STEAM教育理念的机器人课程教学模式，如图1所示.

图1 基于STEAM教育理念的机器人课程教学模式

该模式的教学目标为培养学生的动手能力、创新能力和计算思维能力等综合素养；教学内容包括“机器人项目”和“Blockly可视化编程项目”，以及STEAM教育理念的五个维度(科学、技术、工程、艺术和数学)；通过问题的提出→探究和实践→交流和解释→新知识构建→评价与反馈的教学流程完成机器人课程教学.

2.3.1 教学目标——培养具有综合素养的人才

在高等教育中培养学生的数字化意识和创新意识，为社会提供应用型人才是当前高校机器人教育的重点方向.因此，该教学模式下的机器人课程的目标是培养具有动手能力、创新能力、计算思维能力等综合素养的人才，针对高校学生的学习特征和目前高校以实验室创建为主的现状，其具体目标为：①能够说出机器人的基础知识；②能分析机器人各个程序之间的逻辑关系；③学会使用机器人解决实际问题；④提高学生的计算思维能力、创新能力，激发学生对机器人科学的兴趣.

2.3.2 教学内容——Robot +Blockly+STEAM

本研究构建的教学模式中教学内容主要包括两个项目和一个理念.两个项目分别为“机器人项目”和“Blockly可视化编程项目”，一个理念则是STEAM教育理念，主要表现为科学、技术、工程、艺术、数学五个维度.

“机器人项目”，即Robot：机器人项目活动的设计是将机器人相关的知识点融合在某一项目中，学生在完成项目的过程中，通过自行探索获得知识.教师作为支持者在这一过程中对学生进行指导，帮助学生对知识进行整理和重新构建，最终达到学习目标.

“Blockly可视化编程项目”：Blockly可视化编程工具作为高校机器人教育中最适用的编程工具之一，能够从各方面与机器人教育融合.设计Blockly可视化编程项目一方面能够培养学生的计算思维和创新能力，另一方面能够作为一种模拟情景为机器人项目提供“课前辅导”.

以上两个项目并不是彼此分离的状态，Blockly可视化编程项目是作为机器人项目的基础和辅助存在的.

科学：科学指让学生理解机器人及其相关学科的概念，了解机器人运作的相关原理.在这一过程中，让学生对机器人概念的理解不停留于表面，帮助学生在学习过程中运用科学方法，从而激发学生对科学的兴趣.

技术：帮助学生从机器人的设计、搭建、使用等实际操作层面学习机器人技术.帮助学生了解机器人各项按钮、开关之间的逻辑关系.除此之外，使用Blockly编程语言让学生通过更加简单的方法学会编程，并且能够将编程技术应用到机器人实践中，以此锻炼学生的计算思维能力，提高学生的技术素养.

工程：通过完成项目培养学生的工程思维.学生完成所设计的项目需要从设计、探索、实验、交流多个角度反思、完善自己的方案.在这一过程中，提高学生解决问题的能力.同时，团队合作与交流也是工程思维中不可或缺的一部分，学生能够在小组合作的过程中训练合作意识和交流能力.

艺术：艺术指提高学生的审美能力、人文素养等.在机器人教育中帮助学生从美术、音乐等方面重新认识机器人，以此激发学生的创作灵感.此外，Blockly可视化编程语言中涉及到对音乐和美术的训练，帮助学生从编程中获得灵感，并且能够将其应用到机器人的设计与搭建中.

数学：提高学生的数学水平是机器人教育的基础目标.数学是科学、技术、工程的基石，在机器人课程中需要帮助学生学习数学知识，锻炼学生的逻辑思维.同时，利用Blockly编程工具为学生提供算法学习平台，在更加生动和贴合实际的教学中培养学生的计算思维能力.

2.3.3 教学流程——建构主义下的探究学习

本研究以建构主义学习理论中的5E模型为基础，将教学流程设计为问题的提出、探究和实践、交流和解释、新知识构建、评价与反馈五个部分.

问题的提出是课堂的引入环节，每节课程围绕一个机器人或Blockly可视化编程项目完成，项目的核心即解决实际生活中的某个具体问题.在这一环节，教师需要创设学习情境，调动学生的参与性与积极性，引发学生对于科学、技术、工程、艺术、数学五个维度的知识的思考.

探究与实践是学生完成项目的过程，知识的获取以及技巧的掌握都在这一过程中完成.学生针对提出的问题进行探究活动，通过观察、设计、实验等方式完善解决该问题的方案.在这一过程中，学生能够建立不同知识点之间的联系，从多个学科角度解决问题，这是学生构建新知识的重要前提.

交流与解释是帮助学生理解新知识，巩固已有知识的重要环节.学生通过展示交流自己的方案，将已有的经验转化为对新概念的理解.教师为学生提供正确的引导，并对新概念进行解释，帮助学生吸收新知识.

新知识构建是学生理解应用新知识的关键环节.在教师的引导下，学生对在探究过程中获得的新的经验和知识进行更深入学习延伸，完善自己的知识架构.

评价与反馈始终贯穿在课堂模块中.学生在探究过程中对自己的方案进行评价，学生通过交流对彼此的问题进行反馈，教师对学生的方案和实践过程进行评价.评价的内容更注重学生的探究过程、参与程度，并不局限于学习的结果.

2.3.4 教学评价——多元化评价方式

STEAM教学评价注重学生的学习过程，一般从课堂参与、课后作业、实验日志等多方面进行多元化评价.该教学模式的教学评价在STEAM教育理念的指导下进行，涉及到机器人相关知识点，且更加注重动手能力、创新能力以及计算思维能力等方面.具体而言，一方面对教学过程中学习者参与的真实情况进行记录，并形成完整的评价体系；另一方面则是对最终的教学效果进行评价，可以采用量表、作品分析等形式进行.

3 基于STEAM教育理念的机器人课程教学模式应用效果

笔者将该教学模式与高校课程《基于机器人的实践方法》相结合，以Blockly可视化编程语言为工具，设计机器人相关学习活动.课程从算法程序和机器人搭建两方面训练学生的计算思维能力、创新能力和动手能力.笔者在这一过程中对学生进行观察并做记录，最后对其学习效果和成绩进行了分析.

通过观察发现学生的课堂参与度有显著提高，课堂讨论活动中学生的积极性也有所增加.通过分析学生的小组作业报告及最终成绩得知学生在该教学模式下对课程内容的理解程度以及对机器人的兴趣都有明显提高，具体表现为：学生所提交的小组报告内容丰富；对所学内容有自己的思考，且形式多样；能够通过图片、代码、文字以及视频等形式展示自己的方案，同时学习成绩普遍达到80分以上，其中90～100分占80%以上.

综上所述，STEAM教育理念下的机器人课程教学模式能够从学习过程中激发学生对所学内容的兴趣，增加对所学知识的理解程度，并从与同伴交流、整理研究报告、小组汇报等方面提升了学生的综合素养，以此达到提高教学效果的目的.

4 结束语

本研究通过对“STEAM+机器人”相关问题的解析，在STEAM教育理念的指导下，整合了多元智能理论、项目式教学方法论以及5E教学法的优势和特点，构建了适合高校机器人课程的教学模式，并将该教育模式应用到实际课程中检验其有效性.该模式从教学目标、教学内容、教学流程和教学评价等方面为当前高校机器人课程教学提供模式参考.教学目标为培养学生的动手能力、创新能力和计算思维能力等综合素养；以STEAM教育理念的五个维度(科学、技术、工程、艺术和数学)以及两个项目活动——“机器人项目”和“Blockly可视化编程项目”作为教学内容；通过问题的提出→探究和实践→交流和解释→新知识构建→评价与反馈的教学流程完成机器人课程教学；采用注重学习过程的多元化评价方式.另外，本研究目前存在的不足为该模式在实际课堂中进行实践的次数较少.在未来的研究中，笔者将致力于把该模式更多地应用到实际课程中，进而验证其可操作性和有效性.