面向創客教育的高中機器人教學與實踐研究

賈金元+武小龍+武國偉

[摘 要]根據當前高中機器人教育教學和研究的現狀，構建了一種面向創客教育的高中機器人課程教學模型，以平面四連桿的內容為教學案例，詳細提供了該模型下機器人課程的教學設計流程，對高中機器人教學進行了嘗試和探索。

[關鍵詞]STEM；創客；高中；機器人

STEM與創客教育進入學校，是基礎教育新課程改革的一個趨勢，機器人項目作為STEM與創客教育的一種綜合實踐載體，其價值已逐步獲得很多基礎教育學校的認可，當前社會各界廣泛關注的STEM與創客教育中有部分內容就是圍繞機器人的設計與制作展開的[1]。全國各級各類有條件的學校通過校本選修、社團研學等形式開展了多種多樣的機器人教育活動。經過十多年的教學和實踐，高中機器人教育教學取得了長足的發展，但是從機器人教育的發展趨勢和課程的組織形式上看，還存在明顯不足。大部分學校開設機器人教學側重競賽，沒有意識到要向學生傳遞一種理念。美國在K-12教育階段已經將機器人列入科學技術課程的學習內容。據統計，美國麻省理工大學每9個學生中就有1個參加過美國FIRST非盈利性機構主辦的FIRST比賽。這一賽事給學生提供了一個平臺，使學生能夠運用知識和智慧把在課堂上學到的科技概念運用到現實工程師問題的解決中。高中機器人教學應該注重動手能力和創新思維能力培養，切實培養學生的創造力和STEM思維。

一、相關背景介紹

1.STEM教育與創客教育

STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）與數學（Mathematics）的首字母的組合，它源自美國國家科學委員會（NSB）的報告，它的提出響應了20世紀后期美國教育的改革，強化了美國科技創新人才培養戰略。美國K-12教育階段在歷經幾十年的探索和改革后，在教育目標、STEM課程、STEM師資、評價等方面已經形成了一個較為完整的體系，它將嚴肅的學術概念與現實生活中的課程相結合，通過跨學科教育，使學生應用已學習的科學、技術學、工程學和數學知識于特定環境中，創造性地解決問題。美國的STEM教育在大學申請、課程設置、學生實踐活動等方面具有明顯的特點，對于我國的新高考、創客教育和創新型人才培養等方面有重要啟示。

創客教育是創客文化與教育的結合，在《中國創客教育藍皮書》中首次系統定義了“中國特色創客教育”的具體內涵：“創客教育”基于學生學習興趣，以項目學習和任務學習的方式，強調理論聯系實際，將科學、技術、工程、電子、機械、編程、設計、藝術、人文等多種學科充分融合，以解決生活中實際問題作為教學出發點，讓學生通過掌握各種最新科技、設備、工具、軟件和材料的使用來進行動手造物的訓練，讓學生從被動接受知識轉變為親手將自己的想法變為現實的創造性學習模式，培養跨學科解決問題的能力。

可見創客教育與STEM教育有很多相似之處，但創客教育更加強調一種教育理念，鼓勵學生享受創造與分享的快樂。STEM教育作為一種最初自上而下培養理工科人才的國家教育戰略，成為了實踐創客教育的一種最好的載體。 在國內，當創客教育和STEM教育提出并在學校中開始踐行后，很多學校并未嚴格區分兩者的不同。

2.機器人教學

機器人教育旨在培育學生的創新素養，為創新型人才的培養奠定基礎。它融合了工程設計、機械制造、程序設計、開源硬件、三維設計、圖像識別和人工智能等先進技術，代表了現代高新技術發展的前沿[2]。教育部頒布的《普通高中技術課程標準（實驗）》，設立了“人工智能初步”選修模塊，把機器人教學內容納入到信息技術、研究性學習課程中[3]。在《高中信息技術課程標準（修訂版）》中，進一步突出了STEM教育的重要性，利用創客教育和STEM課程的最新理論與實踐成果豐富和改善機器人課程教學，可算順理成章。目前，國內已有數百所學校開展了機器人教學，主要以機器人教學和機器人競賽的形式展開[4]。國內目前的高中競賽主要有VEX挑戰賽、FIRST主辦的競賽（FLL、FTC、FRC）、中國青少年機器人競賽等。

在CNKI學術數據庫中分別以“機器人”“機器人教學”“機器人教育”“高中機器人教學”為主題進行近5年文獻的搜索可以發現，針對機器人教學方面的課程設計和教學研究相對較少，而高中機器人教學更較少涉及（見表1）。同時，從研究層次來看，大部分作者來自高校的工程學領域，專門研究與工業機器人相關的專業知識和技能，很少涉及到普通教育階段的機器人教育。從教學模式上看，主要集中于項目教學和基于問題的教學。在國家層面還沒有統一的中小學機器人教材和教學目標，目前各學校都是根據自己的硬件條件進行合理選擇并有側重地教學。

總結起來，目前機器人教學存在的問題主要體現在三個方面。

一是在教育目標層面，重競賽，輕動手和應用。高中機器人教學的主要目標是培養學生的創新精神和動手能力。各種各樣的機器人競賽活動是促進機器人理念普及的主要方式，但是個別機構的競賽存在商業因素干擾過多、競賽內容固定、缺乏創造性、科技含量不高的問題。有些廠家甚至給學校提供方案的時候就把參賽的機器人做好，學生只是利用課余時間進行操作訓練，對機器人的搭建和構造原理沒有進行深入了解，過于重視比賽成績，顯然有悖于開設這門課程的初衷。

二是在課程定位層面，機器人課程在高中階段大多數以選修課的形式存在。隨著STEM和創客理念的發展和課程改革的深入，高中機器人教學沒有將普及機器人理念和教育作為必修課程來實施。而國際班的學生在申請海外大學時發現，國外大學正在越來越看重STEM學習背景。機器人教育并不要求每一個學生都要去制作或者建設機器人，而是要讓學生明白機器人基本的理論和知識。為了從實質上推動機器人教育，根本途徑之一是將機器人教學引入課堂。

三是在教育理念支持層面，目前機器人教學還缺乏完整的課程方案和教學模式、教學評價等。課程的教材編寫、教學設計以及評價方法都是由機器人產品制造商提供參考，使得機器人教育理念與實踐的視野還不夠寬廣，機器人教育的氛圍不夠濃厚，在教學模式的探索創新方面還缺乏建樹，與各個學校的實際情況有很大出入。有些學校有教師無設備，有些學校有設備無師資，機器人教學還沒有走出一條內涵式的發展道路。endprint