渗入STEM教育理念的机器人教学思路

◇潘 亮（甘肃：临洮县第一实验小学）

随着STEM 教育政策的颁布，中国逐步进入STEM 教育体制变革当中。基于现有学习模式、知识传播方式与时代需求无法匹配的问题，传统教育的弊端日渐显现，因此进行跨学科素养培养、整体提高学生的综合素质的课程变革刻不容缓。

一、STEM教育理念和机器人教学的内涵

（一）STEM教育理念

STEM 教育理念是Science、Technology、Engineering、Mathematics 四门学科的简称，意味着多学科的相互融合，提倡培养多方面优秀的综合型人才。由美国政府率先提议，强调跨学科培养并提高学生的综合素养，从而加强其社会竞争力。STEM 教育理念是跨学科教育融合而成的对于课程进行变革的一种全新理念，打破了学科教育的界限，将四个不同学科相互结合进行教育。近些年来，STEM 又加入Arts（人文艺术），由STEM 变为包容性更强、跨度更广的教育新概念——STEAM。

（二）机器人教学

机器人，简义为一种可人工编程的并由人类赋予其可模拟人类行为动作的一种多功能操作机。它以电子设备电路为硬件基础，以计算机程序设计为要件，传感器、算法、机械结构缺一不可，感知、决策、执行分门别类，看似机械但又能感知外界，如实地模拟出人的动态行为。而机器人教学融合了多方面的学科知识，是一门需要理论充分结合实践的实践课程。小学机器人教学中，机器人教育主要分为四步：导入环节、建构模型、图形化编程、智能操控。通过搭建、编程、运行进行机器人的构造和组建。除机器人构建之外，更重要的是培养学生在机器人教学课堂上的多方面能力。

二、传统教育存在的问题

小学基础教育作为学生整个教育生涯的起始点，也是整个教育的基石，它奠定了学生时代的教育基础。STEM 教育理念中的机器人教学实践是小学阶段STEM 教育的主要方式之一，旨在提高学生的跨学科综合素养、建立多学科思维方式、多角度理解解决问题、创新和思维能力的拓展、综合素质能力的提升。这对于小学生今后的发展大有裨益。

（一）学生方面的因素

1.注重知识理论，缺乏实践能力

我国一直以来都强调素质教育，但是长期应试教育的弊端还是无法根除，知识理论的传授仍然占据大量的时间，极大地压缩了动手实践的空间。懂得理论和会使用是两个完全不同的概念，只有将理论和实践相结合，才能将理论的作用发挥到最大。基于STEM 理念的机器人教学更强调学生动手实践，光有理论知识是无法深入了解并学会这门学科的。

2.主观能动性不足，缺乏学习兴趣

由于课程设置单一、单方面的知识普及和灌输，导致现如今大多数学生都是被动地接受知识，对于学习没有兴趣，纯粹为了学习而学习。没有自发地对学习进行探究、对未知进行探索，很多人对于知识的理解浮于表面，即被动接受的那一部分。当然，应试教育的局限性其实也决定他们拥有这层知识就足够了。没有驱动力的鞭策导致学生自主学习能力大幅下降，无可厚非。不主动学习，不去构建属于自己的完整的知识体系，永远被动地接受知识，是永远无法对知识有属于自己的认知范畴和理解的。

（二）教师方面的因素

1.专业知识水平的局限

STEM 教育理念下的机器人教学的普及是要由高素质的专业教师完成的，哪怕国家已经着重推动STEM 教育理念深入课堂，但是现如今并没有STEM 教育理念方面的专业性培训，很多地区也没有相对应的培训条件。这意味着小学课堂上的STEM 教育是不完全专业的，很容易对学生的教育产生误导。因此建设一支专业性强的教师团队是十分必要的，而且由于机器人教学学科交叉性极强，也需要配备相对应的专业老师，对学生进行系统的教学项目规划。

2.缺乏创新因素

传统教育的理念深入人心，长时间的传统教育哪怕在新的思潮喷涌而出、迅速普及的当下，也无法完全被抛弃。尤其是教师这个越老越吃香的行业，阅历和资历决定了一个教师的发展空间，长期的教学经验是教师的资本，传统教育方法是他们一直以来的教学方式，无法基于目前教育现状进行创新式教育，一直囿于传统教育思路的束缚。在现如今课程变革的大浪潮下，进行STEM 创新教育迫在眉睫，作为教师更需要把握时代的教育需求，对传统教育方式取其精华去其糟粕，融入新兴的教育理念，进行课堂的完全式变革。

三、机器人教学的总体策略

（一）理解渗入STEM教育理念的机器人教学

提升学生综合素养并将教学理念真正融入课堂，需要全体师生对STEM 教育理念有更深入了解，需要体会小学机器人教学的核心理念。STEM 是综合通融的教学方式，它突破了学科界限，更强调团队的分工和整体的协同合作，需要有真正解决实际问题的能力。在机器人课程教学中，不仅仅需要教导学生如何进行机器人的开发和执行，以专门课程形式去教导学生掌握机器人相关的基本知识和基本技能，更重要的是，在动手实操的过程中，开阔自己的视野、创建多学科思维，进行多元知识体系建设和知识融合。比如，3～6年级的一系列机器人课程，从动手做的《智能机器人》到整体结合的《创意编程》到最后的《一起来学人工智能》，呈现系列课程的教育体系，深入浅出、循序渐进地将学生一步步引入机器人学习的课堂，给他们的机器人学习构建了一个初步蓝图。

（二）利用高校STEM资源

由于小学资源有限，没有条件去组建STEM教育方面的专业教师团队，甚至有些学校因地域限制，没有教材课本和教学经验。因此在小学课堂上开展机器人教学，可以联合当地的高校，利用高校的资源和师资条件，借助高校的经验和实际教学的帮助，学习STEM 相关方面的教学经验。根据自己学校的特点组建并培养专业的师资力量，设置相匹配的专业性、系统性的课程方案，探索属于自己的教学道路。参考其他小学的机器人教学经验，开发经典和特色相结合的机器人课程，打造专有的小学机器人课程的基础设施。如果没有周边或是当地高校的资助，也可以向当地教育主管部门寻求资金或是物力、人力的帮助。在开展小学机器人教育的过程中，要找对方法，懂得寻求外力的帮助，这好过自己盲目摸索试错，能够实现事半功倍的效果。

（三）整合STEM项目设计

在进行STEM 教育理念设计的时候，我们需要考虑到STEM 教育理念的具体目标，选定最相匹配的STEM 机器人项目。明确机器人载体的具体构建是第一步，考虑该载体的功能和日常应用，并考虑后续的场景设计和方案计划。机器人引导教学，比如，在“探月工程”主题设计过程中，对于模拟“月球车”在月球表面进行探测，可以专门设计一个相关的教学活动，要求该“月球车”机器人有相应的探测功能，能够正常运行到达指定地点并进行探测，体会我国探月工程中的一些基本问题解决方式。确定STEM 教育理念下的机器人教学项目设计，进行简单的机器人任务布置，搭建一个月球车探测的具体场景，能够帮助学生很快进入机器人设计的学习状态，更好地融入机器人学习当中。

四、渗入STEM教育理念的机器人教学思路

STEM 教育理念下的机器人教学，强调动手实践能力，要求对知识进行整合且能够解决实际问题。在实际设计一个机器人的过程当中，我们需要确定具体的实践项目主题并界定主题目标，要贴近现实生活并体现学科交融性，在设计的过程中，能够及时发现问题、解决问题，以提升学生的跨学科综合素养。

（一）确定实践项目主题

在具体的机器人教学实践当中，设计一个有针对性、功能性的机器人。设计机器人的前期，需要确立实践项目主题。主题的选择可以是生活琐事，也可以是时态热点，或国家大事。在进行项目选择和确立的时候，需要认真观察生活，根据自己的生活经验，对生活取样，进行项目主题的选择。要贴近生活，能够解决实际问题，也要符合自己的兴趣爱好并考虑设计难度。假设设计一个智能浇花机器人，能够解决现如今很多人忙于工作生活、无暇照看花草的问题。

（二）界定实践主题目标

在确定好需要实践的主题之后，需要调研分析该主题需要实现的具体目标，对于该主题所涉及的所有学科知识进行搜寻和整合。可以在网络上进行与主题相关资料的寻找，调研其他相关项目，分析优缺点，借鉴其优点，避免并思考解决其缺点的方法，进行创造性思考分析，将思考融入实践。具体思考该项目需要实现哪些目标，思考此项目需要哪些资源能够实现相关目标。同时进行项目的功能性思考，对功能实现的步骤进行设计。比如，在智能浇花机器人设计上，便可分为四部分：启动—循迹—浇水—自动关机。同时设计土壤湿度传感器，测试土壤湿度，判断是否需要浇水，需要浇水时自动开机浇水，实现一定湿度时，自动关机。

（三）整合并储备目标资源

在设计智能机器人的时候，涉及的学科知识和资源非常多，是多学科、多实践的极具挑战性的作业。在动手实操前，需要准备好支持实践的材料并翻阅相关的书籍，即技术类的资源和辅助类的资料，包括一些软硬件设施、电子电路以及软件编程工具、学习类书籍等。比如，上述智能浇花机器人需要的是Arduino 开源硬件、传感器以及一些与智能浇花机器人相关的设计编程类书籍和网站等。

随着国家越来越重视教育行业的改革和发展，以及相关政策的颁布，对学科本质和科学素养越发重视，在教育行业刮起了一股STEM 热。而小学机器人教学实践是其中的重要组成之一，小学教育的重要性决定了小学机器人教学实践需要更强的专业素质，要开展并安排好基于STEM 教育理念的小学机器人实践教育。在STEM 教育理念之下的机器人教学，应当具有目标性、场景性、整合性，要有具体的清晰的实行计划和专业的STEM 教育团队。在STEM 教育理念下，拓展学生的思维，加强学生的综合素质，让学生跨学科全方面发展，是时代的教育要求，也是今后教育的发展方向。