基于机器人教学游戏化的STEM教育课程研究

李锐

摘要：STEM是科学（Science），技术（Technology），工程（Engineering），数学（Mathematics）四门学科英文首字母的缩写语，是一种以项目学习、问题解决为导向的课程组织方式。因该教育有利于学生创新力的培养而受到各国重视。该课程的的载体很多，以机器人教学最能体现该课程的特点，同时借助学习游戏化机制，引入多种策略可使该课程更具系统性和可行性，能更好的将学生的心流引向目标。

关键词：机器人教学;游戏化;STEM教育

随着教育技术和教育理念的不断更新，学科融合，游戏化，人工智能等思想融入教育教学，并以其优势对教育教学的提高贡献着各自的力量，这种汇合将带给教育新的机遇与挑战。

一、国内外研究现状述评

近些年，以美国、英国、德国为代表的主要发达国家都从国家战略高度制定了STEM教育的政策与措施。1986年乐高教育与麻省理工正式开始合作，研发机器人及其相关课程。乐高机器人教育认同在玩中学的理念，依托建构主义理论，构建了一套游戏化学习的体系，提倡通过动手和动脑解决现实问题，让孩子在建构中学习和发展思维。这些理念与 STEM 教育所注重的跨学科学习、动手、小组协作等一致，在 STEM 教育这条路上，乐高机器人教育已经研究了20年，相比其他分支，无论是操作性还是研究基础，机器人教学都比较适合作为STEM教育课程的载体。

2010年中国教育部与乐高教育签订“技术创新人才培养计划”合作协议。2017年6月20日，中国教育科学研究院发布《中国STEM教育白皮书》，决定启动“中国STEM教育2029创新行动计划”。为基于机器人教学的STEM教育指明了方向。但由于基于机器人教育的STEM课程没有明确的指导性文件，教学机构良莠不齐，且多集中在比赛上，涉及课程研究的很少，很多机构课程对于知识的阐述与教学过程的研究缺乏系统性和完整性，所使用的教材对于机器人教学与STEM教育的融合涉及很少，且用于课堂的质量不高，基于机器人教学的STEM课程在我国的研究几乎为零。在知网中同时搜索关键词“机器人教学 STEM”只有五篇且均为课例，涉及课程的为0篇，在游戏化学习高速发展的形势下，机器人教学与游戏化相关的论文只有一篇，关于“游戏化 STEM”的搜索结果也为0篇。这对我国STEM教育的推广和创新人才的发展极为不利。

二、课程研究价值与意义

STEM教育在世界上作为国家人才发展战略受到广泛的重视。中国正在努力建设创新型国家，所以STEM教育在中国具有重要意义。STEM课程是解决我国现有教育体制下，对于创新力培养不足的良药，机器人教学是良药的最佳材料，再扩展到其他材料就变得更加容易。然而，STEM课程综合知识性强，学生学习的畏难情绪和教师教学能力不足等问题还一直困扰着STEM课程研究工作者，而教学游戏化正是解决这一问题的关键，从真实游戏任务入手的STEM课程更加容易操作，教师将在课程中作为“引领者”与学生共同探索。课程将学生的身心成长和思想成长，以及能力培养融合在了一起，通过机器人教学、游戏化思想和STEM教育三者的结合达到教学目的，对于培养我国的优秀人才有着一定的积极作用。

将游戏化思想融入以机器人教学为载体的STEM教育不但可以将这一课程的系统化表现的更加清晰，还为实现STEM教育的项目驱动提供了更强有力的教学激励与学习动力，让学生与教师乐在其中，受益在其中。这种课程设计不仅可以提升青少年的核心素养，还让STEM更加容易进入我们的每一所学校，并且尤其可以解决该课程教师因综合性太强而不易培养的问题，因为在这三者结合下的课程本身就是一个师生共同研究与探索并成长的过程，教师更像一名“领队”。在此基础上研究的STEM课程从简单任务到复杂任务，通过多方面研究要素的引入，可以带动团队互助与社会联动，将家庭，学校，社会，机构联系在一起。解决原有STEM课程的学段整体设计问题，利用游戏的运作机制解决STEM教育标准与评估机制的难题。以上研究價值将在一定程度上推动我国的创新人才课程的建立。

三、课程研究与实施设想

（一）研究目标

针对培养我国学生创造力和合作精神以及探索精神的STEM课程，需要借助机器人教学体系使该课程无论从教具，还是到课程教材的编写都找到一个适合的载体，加之游戏化的强大力量，探索出一种机器人教学游戏化模式下的方便可行的STEM课程教学策略。

（二）实施建议

1.从课程指导理论入手。通过相关的国内外政策文件与理论知识的研究，探索出适合该课程的标准与评价体系，并制定出基于游戏化的课堂运作机制。

2.以课程资源包的研究为基础。研究可以和现有教学体系融合的知识内容与拓展性知识内容作为知识系统包的形式以师生检索的方式呈现，并对完成与掌握情况进行数据跟踪。

3.建立课程教法。引入心流与番茄工作法等理论，在游戏化运行机制下研究教学方法和活动实施策略。

4.深化课程内容。整合国内外相关研究成果，结合学生实际与社会需要制定课程目标与章节项目，从项目出发，以任务的形式进行分解与安排，根据指导理论与教学模式安排教材内容与活动指导方案。研究将现实任务定位为游戏任务的合理途径，将重点任务具体化，结合生活与现实问题，建立经典问题与拓展问题。并对问题进行难易分层。

5.重视反馈与评价方式。可以结合学生的先天特点，参考优势教育的理论研究基础上，运用游戏化的运作机制，对参与课程学习的学生如何进行阶段性实时反馈与评价的问题进行研究与设计，并将激励方式量化。研究STEM课程过程中的记录反馈方式，不仅记录完成规定任务的数据，还记录过程性进展数据，结合人工记录与电脑记录同步进行。.

基于机器人教学游戏化的STEM教育课程不仅满足了社会的需要，还满足了学生的个性发展需要。借助心流理论，在课程设计中考虑学生专注力的分配机制，同时引入电子游戏的奖励机制与反馈机制，以及任务机制，确保了课程的评估效果与反馈结果。这种将机器人教学、游戏化学习、STEM教育三者有机结合的课程会将我们的教育带入一个我们期盼的新纪元。

参考文献：

[1][美]罗伯特·M·卡普拉罗、玛丽·玛格丽特·卡普拉罗和詹姆斯·R·摩根：《基于项目的STEM学习》，上海科技教育出版社，2016（1）

[2][美]玛格丽特·赫尼，[美]大卫·E·坎特：《设计.制作.游戏培养下一代STEM创新者》上海科技教育出版社，2015（12）

[3]赵中建：《美国STEM教育政策进展》，上海科技教育出版社，2015（11）

[4][美]简·麦戈尼格尔：《游戏改变世界》，北京联合出版公司，2016（9）

[5]高山：《乐高EV3机器人初级教程》，清华大学出版社，2014

课题：全国教育信息技术研究2017年度青年课题，课题名称：基于机器人教学游戏化的STEM教育课程开发研究，课题编号：176240001。