STEM視野下小學(xué)機(jī)器人教育的特點(diǎn)及啟示

李 明

（福建幼兒師范高等專科學(xué)校信息科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007）

1 引言

STEM代表Science、Technology、Engineering、Mathematics，源于美國(guó)，被世界多國(guó)的教育實(shí)踐證明能夠有效幫助培養(yǎng)學(xué)生掌握適應(yīng)未來(lái)的關(guān)鍵能力，有利于推動(dòng)科技創(chuàng)新、人才培養(yǎng)。世界多國(guó)從國(guó)家戰(zhàn)略的角度制定了STEM發(fā)展戰(zhàn)略、政策等，在學(xué)前教育、基礎(chǔ)教育、高等教育、職業(yè)教育中廣泛開(kāi)展了促進(jìn)STEM教育和專業(yè)人才培養(yǎng)的課程及項(xiàng)目，積極探索和發(fā)展STEM素養(yǎng)。

2016年，我國(guó)教育部《教育信息化“十三五”規(guī)劃》指出：“有條件的地區(qū)要積極探索跨學(xué)科學(xué)習(xí)（STEAM教育）”。教育裝備研究與發(fā)展中心2016年工作要點(diǎn)中，把STEAM課程作為創(chuàng)新創(chuàng)造教育研究的中心工作，各省市的教育部門紛紛采取措施支持STEM教育的發(fā)展。2017年，教育部《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中指出：“倡導(dǎo)STEM跨學(xué)科學(xué)習(xí)方式，以項(xiàng)目學(xué)習(xí)、問(wèn)題解決為導(dǎo)向組織課程”。《2019中小學(xué)機(jī)器人教育調(diào)研報(bào)告》指出，中小學(xué)機(jī)器人教育的課程實(shí)施與教學(xué)實(shí)踐、教材與STEM理念在深度對(duì)接的過(guò)程中，面臨諸多的挑戰(zhàn)。故借鑒國(guó)際上優(yōu)秀的STEM課程對(duì)于我國(guó)推動(dòng)STEM課程發(fā)展具有重要的意義。美國(guó)STEM教育起步早，且其理論的研究和實(shí)際應(yīng)用已相對(duì)完善，因此本課題對(duì)美國(guó)小學(xué)階段的STEM課程體系和與機(jī)器人教育相關(guān)的優(yōu)秀課例進(jìn)行了梳理、分析，為當(dāng)前的機(jī)器人教育提供具有現(xiàn)實(shí)意義的建議和啟示。

2 國(guó)內(nèi)外機(jī)器人教育現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外小學(xué)階段機(jī)器人教學(xué)現(xiàn)狀

在美國(guó)，機(jī)器人與編程教育課程在幼兒園、中小學(xué)課堂上備受歡迎。早在1986年，麻省理工學(xué)院(以下稱MIT)就開(kāi)始與丹麥樂(lè)高公司合作，研發(fā)并推出了可編程的積木式機(jī)器人。MIT媒體實(shí)驗(yàn)室的終身幼兒園項(xiàng)目是專門為青少年兒童多樣化的學(xué)習(xí)需要而開(kāi)發(fā)和研制軟件、機(jī)器人教具等[1]。目前MIT已發(fā)布了涵蓋K12到大學(xué)階段的機(jī)器人課程。美國(guó)其他的一些智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室也在探索和設(shè)計(jì)機(jī)器人教育課程，例如卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)(以下稱CMU)的機(jī)器人學(xué)院，以ROBOTC作為基礎(chǔ)，發(fā)布了從K12到大學(xué)階段的機(jī)器人技術(shù)專業(yè)課程體系[2]。美國(guó)多個(gè)州的中小學(xué)都將機(jī)器人教育活動(dòng)的內(nèi)容納入了技術(shù)教育課程體系中，例如南卡羅來(lái)納州在技術(shù)教育課程體系中，要求學(xué)生了解自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)器人和人工智能技術(shù)等[3]；在猶他州的K12核心課程設(shè)置中，要求學(xué)生對(duì)機(jī)器人技術(shù)有所認(rèn)識(shí)和了解[4]；紐約州的Chapin學(xué)校在2～5年級(jí)的學(xué)段課程中都開(kāi)設(shè)了ROBOTICS[5]；賓夕法尼亞州發(fā)布了K-12 ROBOT課外活動(dòng)方案[6]。還有一些學(xué)校，廣泛組織學(xué)生參加各類機(jī)器人競(jìng)賽，通過(guò)這種方式達(dá)到科技教育的目的。

2019年，加拿大薩斯喀徹溫省發(fā)布“RoboX”計(jì)劃，通過(guò)培訓(xùn)教師、舉辦工作坊等方式，推廣編程和機(jī)器人技術(shù)[8]。日本高度重視機(jī)器人教育的低齡化和機(jī)器人知識(shí)的全民推廣，2008年出臺(tái)了“i-Japan戰(zhàn)略2015”，鼓勵(lì)中小學(xué)組織參加各類機(jī)器人設(shè)計(jì)和制作大賽，以提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)及機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用能力[9]；2015年發(fā)布的“日本機(jī)器人新戰(zhàn)略”，提出推廣機(jī)器人知識(shí)的全民普及化。在韓國(guó)，小學(xué)機(jī)器人教育以校內(nèi)課后班的形式進(jìn)行。自2010年起，韓國(guó)教育科學(xué)技術(shù)部開(kāi)始深入研究構(gòu)建韓國(guó)機(jī)器人學(xué)習(xí)系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)教育與科學(xué)技術(shù)交叉整合的科學(xué)有效性。

2.2 國(guó)內(nèi)小學(xué)階段機(jī)器人教育的發(fā)展現(xiàn)狀

2000年，北京景山學(xué)校率先舉辦了智能機(jī)器人的課外小組實(shí)踐活動(dòng)，在2002年進(jìn)行了智能機(jī)器人專業(yè)課程的教學(xué)實(shí)踐試驗(yàn)。隨后，陸續(xù)有中小學(xué)在校本課程中進(jìn)行了探索，嘗試“機(jī)器人活動(dòng)進(jìn)課堂”。2005年，哈爾濱市率先將《人工智能與機(jī)器人》技術(shù)實(shí)踐課程作為信息技術(shù)教育的一部分，正式將機(jī)器人課堂教學(xué)引入試點(diǎn)學(xué)校。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)有條件的學(xué)校都已進(jìn)行機(jī)器人教育的嘗試。教室環(huán)境下，師生針對(duì)某個(gè)特定主題，開(kāi)展學(xué)科整合應(yīng)用的探究活動(dòng)，完成學(xué)習(xí)任務(wù)。常見(jiàn)的做法是以校本課程、社團(tuán)活動(dòng)、綜合實(shí)踐課等方式，沒(méi)有普及到每位學(xué)生。此外，機(jī)器人教育師資通常由數(shù)學(xué)教師、信息技術(shù)教師等兼職，以競(jìng)賽為導(dǎo)向，組織學(xué)生展開(kāi)機(jī)器人操作、編程等綜合實(shí)踐活動(dòng)。據(jù)調(diào)查[10]，不少學(xué)生家長(zhǎng)認(rèn)為學(xué)校應(yīng)承擔(dān)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，組織學(xué)生參加相關(guān)競(jìng)賽活動(dòng)，這表明國(guó)內(nèi)家長(zhǎng)認(rèn)可STEM理念下多學(xué)科融合的機(jī)器人教育。

3 STEM與機(jī)器人教育的聯(lián)系

3.1 STEM教育

有關(guān)STEM教育的概念最早源于20世紀(jì)80年代，其中各學(xué)科含義及相互關(guān)系見(jiàn)表1。STEM含義一直在不斷擴(kuò)展和延伸。

表1 STEM學(xué)科含義及關(guān)系

3.2 STEM教育理念下的小學(xué)機(jī)器人教育

STEM教育指引下的機(jī)器人教育具備學(xué)科交叉的特點(diǎn)，更有助于學(xué)生對(duì)習(xí)得知識(shí)的有效構(gòu)建，重在學(xué)以致用。文獻(xiàn)[12]中，在幼兒園到二年級(jí)學(xué)段，利用KIWI機(jī)器人套件和圖形化編程完成機(jī)器人課程。結(jié)果表明，在幼兒園教育階段，孩子們就已經(jīng)能夠掌握基本的機(jī)器人和編程技術(shù)，而小學(xué)生能夠在相同的時(shí)間內(nèi)，利用機(jī)器人套件和編程語(yǔ)言，掌握更復(fù)雜的概念。

4 機(jī)器人教育課例分析

4.1 課例要素分析

機(jī)器人教育作為美國(guó)STEM教育國(guó)家項(xiàng)目計(jì)劃“項(xiàng)目引路”的重要內(nèi)容，在課程設(shè)計(jì)上有明確的教學(xué)要求和體系性。具體分析如下：

（1）創(chuàng)設(shè)以真實(shí)情境為主的導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，激發(fā)學(xué)生的探究興趣

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目導(dǎo)入大多是模擬真實(shí)生活中的情境或提出問(wèn)題，對(duì)于生活中的現(xiàn)象特別是跟已有認(rèn)知存在沖突的現(xiàn)象，學(xué)生們都抱著強(qiáng)烈的好奇和積極探究之心，進(jìn)而引發(fā)學(xué)生們的思考，促進(jìn)學(xué)生理解知識(shí)、內(nèi)化所學(xué)的知識(shí)，在實(shí)際生活和所學(xué)的學(xué)科知識(shí)間建立聯(lián)系。強(qiáng)調(diào)“做中學(xué)”，構(gòu)建趣味型課堂。

（2）推進(jìn)實(shí)施跨學(xué)科交叉，培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力

機(jī)器人教育課程具有多學(xué)科交叉、跨學(xué)科的特點(diǎn)。在小學(xué)機(jī)器人與編程教育中，需要邏輯縝密并關(guān)注項(xiàng)目涉及的其他學(xué)科內(nèi)容。學(xué)生在進(jìn)行機(jī)器人專業(yè)課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中，不僅學(xué)習(xí)到機(jī)器人技術(shù)的基本知識(shí)和技能，也在實(shí)踐中習(xí)得其他學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，能夠結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活，創(chuàng)造出有創(chuàng)意的機(jī)器人作品，實(shí)現(xiàn)復(fù)合型和創(chuàng)新實(shí)踐型人才的培養(yǎng)。

（3）拓展開(kāi)放性的科學(xué)實(shí)踐，促進(jìn)學(xué)生所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)會(huì)提供操作步驟，幫助學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)，也能確保學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中正確理解相關(guān)知識(shí)和內(nèi)容。開(kāi)放性的拓展部分只提供初步的簡(jiǎn)介和啟示問(wèn)題，沒(méi)有詳細(xì)的解釋和引導(dǎo)步驟，學(xué)生根據(jù)各自的想法或構(gòu)想來(lái)創(chuàng)造、來(lái)探索，實(shí)驗(yàn)不再是模型的復(fù)制。因此，拓展階段能夠給予學(xué)生更開(kāi)放的探索和學(xué)習(xí)體驗(yàn)，為學(xué)生提供自主發(fā)揮空間。

（4）運(yùn)用多元化評(píng)價(jià)及反思，引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)

一方面是教師評(píng)價(jià)。教師借助記錄表、觀察評(píng)估表、軼事記錄表等工具關(guān)注、評(píng)估學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的情況，例如根據(jù)學(xué)生在每個(gè)階段的表現(xiàn)，在相關(guān)表格中記錄并提供建設(shè)性的反饋，完成對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)，幫助學(xué)生思考和改進(jìn)。另一方面是學(xué)生評(píng)價(jià)。要求學(xué)生制作記錄總結(jié)實(shí)驗(yàn)工作，反思自身在活動(dòng)中的表現(xiàn)，互相分享自己的記錄，交流各自的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，以主動(dòng)學(xué)習(xí)的方式不斷嘗試新的想法和構(gòu)想，并完成自我評(píng)估報(bào)告。

同理，反思也分兩個(gè)方面：教師反思課堂教學(xué)；學(xué)生反思自身的表現(xiàn)。師生在探究中反思，在反思中前行。

4.2 教學(xué)設(shè)計(jì)分析

課程強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科的思維和實(shí)際應(yīng)用能力，課堂教學(xué)多采用項(xiàng)目或者是實(shí)驗(yàn)的方式，通常以一個(gè)主題貫穿整個(gè)項(xiàng)目教學(xué)，一般安排2～6課時(shí)來(lái)完成。以經(jīng)典案例—廢品分類回收為例，教師明確說(shuō)明學(xué)生應(yīng)以哪種方式展示和記錄實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)，給予學(xué)生較多的動(dòng)手實(shí)踐時(shí)間。該課程運(yùn)用物體的物理特性（如：重量、大小、形狀等），設(shè)計(jì)分類物品的設(shè)備。適用于小學(xué)一到二年級(jí)的小學(xué)生。

4.2.1 課程目標(biāo)

（1）探究如何更好地分類垃圾，做到更好的垃圾回收，避免浪費(fèi)。

（2）根據(jù)回收垃圾的形狀、大小等物理特性，創(chuàng)建一個(gè)垃圾回收設(shè)備。

（3）學(xué)生展示對(duì)方案做出的改進(jìn)，并做記錄。

4.2.2 課程實(shí)施

此項(xiàng)目中進(jìn)行了跨學(xué)科的知識(shí)學(xué)習(xí)，這也是STEM的核心內(nèi)涵。學(xué)生們完成一個(gè)按照物體的大小、形狀來(lái)分類垃圾的設(shè)備，是典型的工程問(wèn)題；要搭建好設(shè)備，就會(huì)學(xué)習(xí)有關(guān)輪滑系統(tǒng)、馬達(dá)等科學(xué)知識(shí)，計(jì)算、測(cè)量的過(guò)程，學(xué)生掌握了數(shù)學(xué)知識(shí)；為分類設(shè)備編寫、調(diào)試程序，學(xué)生學(xué)習(xí)了編程知識(shí)；利用互聯(lián)網(wǎng)查閱資料，是對(duì)技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程。

案例的教學(xué)過(guò)程可概括為以下幾個(gè)階段：

（1）導(dǎo)入階段

利用視頻、圖片展示等手段創(chuàng)設(shè)情境，銜接實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，教師有針對(duì)地拋出相關(guān)問(wèn)題。

（2）探究階段

學(xué)生對(duì)內(nèi)容問(wèn)題進(jìn)行討論和探究，制定探究路線，思考可行的解決方法。同時(shí)記錄各自對(duì)問(wèn)題的回答，包括圖片、文字等方式。

（3）創(chuàng)造和拓展階段

創(chuàng)造階段的實(shí)驗(yàn)類型課分為三種：探究式、設(shè)計(jì)式和仿真式。由于實(shí)驗(yàn)類型差異，這個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也不盡相同。總體來(lái)說(shuō)，這個(gè)階段的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案。

拓展階段不再提供搭建指導(dǎo)或程序樣本，學(xué)生重新設(shè)計(jì)新的解決方案，解決方案既可以非常簡(jiǎn)單，也可以較為復(fù)雜，搭建的模型也會(huì)各不相同，因此更注重學(xué)生闡述設(shè)計(jì)的想法和模型的使用方法。在這個(gè)階段，學(xué)生通過(guò)動(dòng)手體驗(yàn)樹(shù)立信心，利用工具探尋答案，從而解決現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際問(wèn)題。

此外，學(xué)生通常還需要記錄在每個(gè)試驗(yàn)階段的發(fā)現(xiàn)、對(duì)問(wèn)題的解答和運(yùn)用不同的解決方法的過(guò)程，可以通過(guò)各種紙質(zhì)文檔、電子文檔相互搭配使用的方式來(lái)記錄，例如：學(xué)生通過(guò)拍照、攝像或截屏的方式，拍下其設(shè)計(jì)的每一個(gè)模型，利用文檔工具描述探究過(guò)程和解決方案。

（4）分享展示階段

學(xué)生能夠演示作品并解釋自己是如何解決問(wèn)題的，并能夠描述解決方案，這也是發(fā)展學(xué)生表達(dá)能力的最佳時(shí)機(jī)。學(xué)生的展示包括：

1）如何一步步地找到解決方案。

2）解釋在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所遇到的各種挑戰(zhàn)，最后的模型經(jīng)過(guò)了怎樣的修改和編程。

3）需要有文字解釋說(shuō)明。

4）描述什么環(huán)境適合使用他們的方案。

5）討論：方案是否適合現(xiàn)實(shí)生活。

（5）評(píng)價(jià)階段

教師評(píng)價(jià)方面：采用觀察評(píng)估表等文檔工具記錄每個(gè)學(xué)生的任何重要信息，也方便為學(xué)生提供有效的學(xué)習(xí)反饋。例如：在探究討論中的表現(xiàn)，在創(chuàng)造中展示運(yùn)用工程設(shè)計(jì)的方法，在實(shí)驗(yàn)中做得出色和需要改進(jìn)的方面等。教師進(jìn)行自我總結(jié)和反思。

學(xué)生評(píng)價(jià)方面：學(xué)生互相比較設(shè)計(jì)的模型，相互給予一些評(píng)價(jià)或提出關(guān)于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的問(wèn)題。

5 教育形式及資源分析

5.1 教育形式多樣化，課程開(kāi)展形式靈活

美國(guó)聯(lián)邦政府負(fù)責(zé)制定教育實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，教材的選擇和課堂建設(shè)由各州和地方學(xué)區(qū)來(lái)決定[11]。因此，學(xué)校在豐富本校課程體系上擁有相當(dāng)大的自主權(quán)，在教育實(shí)施的方式上比較靈活和自由。有的學(xué)校把機(jī)器人教育列入技術(shù)類課程，有的學(xué)校將其列入科學(xué)教育，有的學(xué)校利用課外活動(dòng)的形式和競(jìng)賽相結(jié)合的方式，也有高校和中小學(xué)聯(lián)合通過(guò)組織機(jī)器人技術(shù)類主題夏令營(yíng)等形式深入開(kāi)展機(jī)器人技術(shù)的科學(xué)教育活動(dòng)，這些靈活多樣的課程開(kāi)展促進(jìn)了機(jī)器人教育的深入開(kāi)展。

5.2 課程教學(xué)資源豐富，讓學(xué)生接觸到機(jī)器人技術(shù)的最新成果

大學(xué)、教育研究機(jī)構(gòu)、協(xié)會(huì)、社會(huì)組織等作為資源的提供者發(fā)揮著重要的作用，有上百家專門的教學(xué)網(wǎng)站，為教育工作者、家長(zhǎng)、學(xué)生等提供不斷更新的理論、案例等資源，大多數(shù)的資源是免費(fèi)提供的，學(xué)校通過(guò)選修課、教育計(jì)劃、教育項(xiàng)目等形式進(jìn)行（表2）。

表2 STEM教育教學(xué)資源

6 結(jié)語(yǔ)

在STEM教育中，要求教師對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)，由知識(shí)和結(jié)果導(dǎo)向轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用和表現(xiàn)，強(qiáng)調(diào)融科教育及知識(shí)跨學(xué)科遷移應(yīng)用，解決了一直以來(lái)分科授課學(xué)習(xí)形成的弊端，有利于培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才。機(jī)器人與編程教育是推行STEM理念的良好載體，在小學(xué)階段開(kāi)展STEM教育活動(dòng)，借助機(jī)器人教育使學(xué)生了解現(xiàn)代機(jī)械、電子、傳感器、人機(jī)交互等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，綜合運(yùn)用STEM多學(xué)科知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)、創(chuàng)造智能人造物，有助于培養(yǎng)學(xué)生的高階思維。在小學(xué)機(jī)器人教育實(shí)踐中落實(shí)STEM教育是可行的，也合乎我國(guó)課程改革的趨向。