基于STEAM的機(jī)器人教育課程實(shí)踐探究

李雪芳

摘 要：STEAM代表科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Arts）、數(shù)學(xué)（Mathematics），STEAM教育是一種新型教學(xué)模式，采用綜合性教學(xué)方式將各方面知識(shí)整合到一起。機(jī)器人教育課程中包含機(jī)械、電子、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化等多個(gè)學(xué)科內(nèi)容，因此可以將二者相結(jié)合，構(gòu)建全新機(jī)器人教育模式，提高學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力?；诖?，本文分析了STEAM教育與機(jī)器人教育之間的聯(lián)系，提出了基于STEAM的機(jī)器人教育體系，以及可行的教育實(shí)踐方案，以期為相關(guān)工作者提供參考，從而使學(xué)生全面發(fā)展綜合素質(zhì)，成為服務(wù)于社會(huì)的可用之才。

關(guān)鍵詞：STEAM教育;機(jī)器人教育;課程實(shí)踐

STEAM教育理念的核心是將科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)以及數(shù)學(xué)五個(gè)互相關(guān)聯(lián)的科目緊密融合在一起，使學(xué)習(xí)的主要科目與現(xiàn)實(shí)的關(guān)聯(lián)性加強(qiáng)。STEAM教育作為新型的教學(xué)模式，具有很強(qiáng)的體驗(yàn)性、創(chuàng)新性、合作性、自主性，將其與機(jī)器人教育相結(jié)合，可以更好地適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)對(duì)人才的全方位需求，順應(yīng)機(jī)器人教育領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展方向。因此可以通過(guò)構(gòu)建完善的基于STEAM的機(jī)器人教育課程體系，使學(xué)生處于STEAM教育理念的五門(mén)核心學(xué)科構(gòu)建的綜合教學(xué)情境中，對(duì)機(jī)器人知識(shí)進(jìn)行充分的學(xué)習(xí)和掌握，并且將其延伸至科學(xué)、藝術(shù)、工程等多個(gè)不同領(lǐng)域之中，全面提高其綜合素養(yǎng)。

一、基于STEAM教育理念的機(jī)器人教育體系構(gòu)建

當(dāng)前階段，我國(guó)缺少可參考的機(jī)器人教育創(chuàng)新理論和實(shí)際教學(xué)案例，機(jī)器人教育領(lǐng)域內(nèi)尚未形成完善教學(xué)體系?，F(xiàn)有的機(jī)器人教育體系存在一定問(wèn)題，如：教學(xué)資源缺失、教學(xué)融合度不高、教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)不新穎，等等。為針對(duì)這些問(wèn)題做出有效解決，使機(jī)器人教育行業(yè)不斷健康發(fā)展，我國(guó)許多相關(guān)工作者做出了研究和探索，并且取得了一定研究成果，如發(fā)明創(chuàng)造性教學(xué)模型、VEX機(jī)器人教學(xué)模式等，雖然這些研究觀點(diǎn)有不同之處，但都為本文的研究和探索提供了一定的參考與借鑒。STEAM教學(xué)方式可以有效將幾門(mén)分離開(kāi)來(lái)的學(xué)科整合在一起，使某一學(xué)科的教育不再僅僅局限于這一學(xué)科本身的內(nèi)容，而是結(jié)合其他學(xué)科進(jìn)行拓展。機(jī)器人教育本身就涉及許多學(xué)科的知識(shí)，如：電子信息、自動(dòng)化、機(jī)械工程等，因此，可以將其與STEAM教育有機(jī)結(jié)合，對(duì)機(jī)器人教育中現(xiàn)存的問(wèn)題做出研究，提出行之有效的解決辦法。本文中構(gòu)建的機(jī)器人教育體系，是基于STEAM教學(xué)理念之上的，因此具有綜合性、設(shè)計(jì)性以及個(gè)性化等特點(diǎn)，對(duì)于開(kāi)發(fā)和整合教學(xué)資源、優(yōu)化教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)、促進(jìn)學(xué)生自主創(chuàng)新等有很大助益，具體搭建的教學(xué)體系框架如圖1。

圖1 基于STEAM教育理念的機(jī)器人教育模式

（一）建立多層次、差異化的教學(xué)體系

基于STEAM的機(jī)器人教學(xué)體系以分層次、差異化為教學(xué)目標(biāo)，以興趣驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)為指導(dǎo)理念，將教學(xué)體系構(gòu)建完善，具體有以下階段：

1.機(jī)器人基礎(chǔ)課程教學(xué)

第一階段教學(xué)內(nèi)容為機(jī)器人相關(guān)基礎(chǔ)課程，學(xué)生需要在相應(yīng)的活動(dòng)主題下，學(xué)習(xí)機(jī)器人的執(zhí)行器、傳感器以及控制器的相關(guān)內(nèi)容，利用配套的器材和用具，搭建結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能多樣化的機(jī)器人裝置與模型，讓學(xué)生通過(guò)這一教學(xué)內(nèi)容理解基本的機(jī)器人概念，為編程、創(chuàng)新等能力的長(zhǎng)久發(fā)展與進(jìn)步打下良好基礎(chǔ)，使學(xué)生基本體會(huì)STEAM教育的內(nèi)涵。在教學(xué)目標(biāo)的設(shè)置上，應(yīng)結(jié)合生活中的實(shí)際案例，使學(xué)生在引導(dǎo)下對(duì)機(jī)器人知識(shí)與機(jī)械工程知識(shí)、電子信息知識(shí)形成初步的理解與整合，使學(xué)生解決生活實(shí)際問(wèn)題的能力得到提高，整體的創(chuàng)新思維能力得到有效培養(yǎng)和鍛煉，為今后的長(zhǎng)期學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

2.機(jī)器人編程的基礎(chǔ)

這一階段的教學(xué)主要需要讓學(xué)生充分掌握基本的機(jī)器人編程課程，讓學(xué)生通過(guò)熟練運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，利用機(jī)器人編程和傳感技術(shù)搭建機(jī)器人，并用圖像化的編程控制所搭建機(jī)器人的硬件設(shè)備，搭建出的機(jī)器人可以參與基礎(chǔ)的工程搭建活動(dòng)和教學(xué)活動(dòng)中，這一階段的教學(xué)可以提高學(xué)生思維邏輯水平和實(shí)際動(dòng)手能力。

3.個(gè)性化項(xiàng)目教學(xué)

該階段教學(xué)重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生將機(jī)器人技術(shù)整合的能力，挑戰(zhàn)具有一定難度的項(xiàng)目，如：智能巡線機(jī)器人、智能小車(chē)行人跟隨、智能小車(chē)圖像識(shí)別等，以解決現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際問(wèn)題作為目標(biāo)，使機(jī)器人教育中的部分問(wèn)題得到解決，使學(xué)生整合科學(xué)、技術(shù)、工程等不同學(xué)科知識(shí)的能力得到提高，并可以有效將其運(yùn)用至機(jī)器人的實(shí)際設(shè)計(jì)與搭建工作中。

該教學(xué)體系對(duì)于課程的安排充分體現(xiàn)了差異化設(shè)計(jì)，通過(guò)此舉將不同層次的機(jī)器人技術(shù)分別置于不同程度的STEAM教學(xué)中，使學(xué)生循序漸進(jìn)地了解并學(xué)習(xí)到相關(guān)知識(shí)，使認(rèn)知水平存在差異的學(xué)生也能融入教學(xué)體系的不同階段。這種分層次的教學(xué)方式，可以使學(xué)生的學(xué)習(xí)符合自身水平，使其整體的思維能力和動(dòng)手能力得到有效提高。

（二）教學(xué)具有側(cè)重點(diǎn)，引領(lǐng)、整合為要

STEAM機(jī)器人教學(xué)體系應(yīng)具有側(cè)重點(diǎn)，雖然在運(yùn)用該體系開(kāi)展教學(xué)時(shí)需要學(xué)生在接受機(jī)器人教育的同時(shí)，還要對(duì)各種其他相關(guān)學(xué)科的知識(shí)有一定的掌握，再將其他學(xué)科的知識(shí)運(yùn)用至機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制作中，使得制造出的機(jī)器人可以更好地解決生活中的實(shí)際問(wèn)題。因此，在STEAM機(jī)器人教學(xué)體系的構(gòu)建中應(yīng)全程貫穿引領(lǐng)與整合的教育理念，在三個(gè)階段的教學(xué)工作中應(yīng)各有其不同的教學(xué)側(cè)重點(diǎn)。在基礎(chǔ)課程階段，學(xué)生往往對(duì)機(jī)器人的認(rèn)識(shí)不足，缺少相關(guān)的知識(shí)作為支撐，且欠缺應(yīng)有的動(dòng)手能力，但這一階段的學(xué)生興趣強(qiáng)烈，較容易接受新知識(shí)。因此該階段應(yīng)選擇生動(dòng)有趣、生活化的機(jī)器人項(xiàng)目，融入基礎(chǔ)的機(jī)械工程內(nèi)容和電子信息內(nèi)容，提高學(xué)生的興趣和參與感。例如：在搭建機(jī)器人的執(zhí)行器時(shí)，其機(jī)械部分，學(xué)生可以初步認(rèn)識(shí)輪軸、滑輪、齒輪、杠桿以及摩擦力和麥克納姆輪等基礎(chǔ)機(jī)械原理，并通過(guò)實(shí)踐產(chǎn)生一定理解，從而提高其學(xué)習(xí)興趣。

（三）與高校合作為機(jī)器人項(xiàng)目實(shí)踐的開(kāi)展提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐

經(jīng)過(guò)基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)和初步的實(shí)踐鍛煉后，可以在此時(shí)開(kāi)展更加深層面的教學(xué)工作，深層次教學(xué)工作應(yīng)以項(xiàng)目作為指導(dǎo)，將主要精力集中在實(shí)踐應(yīng)用方面。但是中學(xué)的師資力量通常難于支撐學(xué)生有效地開(kāi)展實(shí)踐，為了保障這方面工作順利有效地展開(kāi)，與高校合作，提供智庫(kù)保障，為機(jī)器人項(xiàng)目實(shí)踐開(kāi)展提供技術(shù)支撐，可以提供在內(nèi)容和形式上均有一定創(chuàng)新的課程，大力支持學(xué)生參與到項(xiàng)目的學(xué)習(xí)中去，解決生活中的問(wèn)題，從而提高學(xué)生的創(chuàng)新應(yīng)用能力。

二、基于STEAM教育理念的機(jī)器人教育實(shí)踐方案

（一）構(gòu)建三層教學(xué)體系，促進(jìn)知識(shí)整合

1.豐富層次內(nèi)容

在設(shè)置教學(xué)內(nèi)容時(shí)，應(yīng)針對(duì)三個(gè)不同的教育層次分別設(shè)置不同的教學(xué)內(nèi)容，第一層次中，學(xué)生可以通過(guò)參與嵌入式課程教學(xué)，學(xué)習(xí)機(jī)器人相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)等。第二層次中，需要充分結(jié)合第一層次所學(xué)的知識(shí)，對(duì)機(jī)器人構(gòu)建的不同硬件所需要的不同編程知識(shí)進(jìn)行了解和掌握，將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)學(xué)知識(shí)傳授給學(xué)生，學(xué)生可以將這些知識(shí)直接應(yīng)用到機(jī)器人的搭建中，降低了程序出現(xiàn)混亂錯(cuò)誤情況的發(fā)生。第三層次中，教師應(yīng)時(shí)刻關(guān)注學(xué)生是否具備利用教學(xué)內(nèi)容處理生活中的實(shí)際問(wèn)題的能力，使課程設(shè)置接近生活，服務(wù)于生活，讓學(xué)生可以運(yùn)用多種學(xué)科的專(zhuān)業(yè)技能，將知識(shí)充分整合在一起。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

可以開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，將最新開(kāi)發(fā)出來(lái)的知識(shí)領(lǐng)域與新型教學(xué)方式應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)工作中，在教學(xué)中融入多種學(xué)科的尖端知識(shí)與技術(shù)，讓學(xué)生在改革后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中充分吸收知識(shí)，完成相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)，從而提升教學(xué)創(chuàng)新性。教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)全程對(duì)其進(jìn)行觀察和記錄，發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題要及時(shí)對(duì)其進(jìn)行解決。

3.及時(shí)修正教學(xué)體系缺陷

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系投入應(yīng)用后，教師需要隨時(shí)觀察教學(xué)情況，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中的問(wèn)題及時(shí)修正，運(yùn)用一定手段和措施進(jìn)行改進(jìn)，將問(wèn)題解決后改進(jìn)整體教學(xué)體系，再反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使基于STEAM教育理念的機(jī)器人教育系統(tǒng)更加完善。

（三）建立STEAM機(jī)器人學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)

1.設(shè)置多樣化課程

要使STEAM背景下的機(jī)器人教育形成完善的教育生態(tài)系統(tǒng)，不能僅僅將學(xué)習(xí)過(guò)程局限于學(xué)校內(nèi)部?？梢耘c高校合作定期在外舉辦活動(dòng)，或開(kāi)展夏令營(yíng)、冬令營(yíng)活動(dòng)等多樣化課程內(nèi)容，在課程選擇上也要充分結(jié)合STEAM要求的多樣化發(fā)展。使學(xué)生能夠在不同課程、不同教學(xué)情境下體會(huì)機(jī)器人教育的樂(lè)趣，從而提高學(xué)習(xí)興趣。

2.與高校結(jié)合建立優(yōu)質(zhì)教育團(tuán)隊(duì)

目前階段大多數(shù)機(jī)器人課程的教師都是從基礎(chǔ)教學(xué)領(lǐng)域中走出來(lái)的，在許多方面無(wú)法符合STEAM教育理念多元化的要求，而高校的師資力量與機(jī)器人的資源豐富，因此，與高校合作可以培養(yǎng)具備專(zhuān)業(yè)STEAM素質(zhì)的教育團(tuán)隊(duì)，形成機(jī)構(gòu)自身的優(yōu)秀師資力量?jī)?chǔ)備，將各學(xué)科、各專(zhuān)業(yè)的教師相融合，使師資力量更加完善和壯大。

3.全方位創(chuàng)造學(xué)習(xí)環(huán)境

STEAM背景下的機(jī)器人教育課程要想順利開(kāi)展需要學(xué)校、家庭、學(xué)生自身等多方共同努力，學(xué)校和家庭需要為學(xué)生創(chuàng)造合適的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)校可以開(kāi)設(shè)相應(yīng)的教學(xué)項(xiàng)目，家庭內(nèi)部也可以創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的教學(xué)情境，使學(xué)生對(duì)機(jī)器人學(xué)習(xí)的興趣提高，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。

結(jié)束語(yǔ)

STEAM背景下的機(jī)器人教育課程重視學(xué)習(xí)過(guò)程中的能力提高，通過(guò)對(duì)STEAM背景下的機(jī)器人教育課程實(shí)踐的探究，構(gòu)建全新的機(jī)器人教育課程體系，對(duì)提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)和解決問(wèn)題的能力有很大幫助，可以為學(xué)生的人生發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]黃品霞.基于STEAM項(xiàng)目的虛擬機(jī)器人教育實(shí)踐探究[J].數(shù)碼設(shè)計(jì)（上），2021，10（4）：242.

[2]李慧敏.基于STEAM教育的小學(xué)機(jī)器人課程教學(xué)策略探究[J].中小學(xué)電教，2020（22）：138-140.

[3]劉恩霞，翟希元，孫站英.STEAM教育理念下的小學(xué)機(jī)器人課程教學(xué)實(shí)踐研究：以Arduino智能澆花機(jī)器人為例[J].新課程（小學(xué)），2019（10）：144-147.

[4]趙曉慧.基于STEAM教育的小學(xué)機(jī)器人教育課程開(kāi)發(fā)與實(shí)踐研究[J].科學(xué)咨詢，2020（3）：161.

本文系教育部福建師范大學(xué)基礎(chǔ)教育課程研究中心2019年度開(kāi)放課題：STEAM教育理念的高一機(jī)器人教育課程開(kāi)發(fā)（課題編號(hào)：KCZ-2019011）主要研究成果。

1921501705202