STEM教育下的可視化編程機器人課程開發研究

何家輝

摘 要：隨著科學技術水平的提升，機器人課程已經成了一項重要的科研內容，而對于基礎教育來說，可視化編程機器人課程的開發已經成了教育界所關注的重點教學內容之一，因此，就STEM教育下的可視化編程機器人課程開發進行研究，分析STEM教育理念，闡述開設可視化編程機器人課程的重要性，提出課程開發的具體模式，希望能夠為相關人士提供幫助。

關鍵詞：STEM教育;可視化;編程機器人;課程開發

在如今的時代背景下，越來越多的小學開展了STEM創客教育，以提升學生的科學素養，激發學生對科學、技術、工程和數學等學科知識的興趣。機器人課程因其學科交融性和實踐操作性，被認為是培養學生科學素養的有效途徑，它幫助教師將工程設計、科學過程、技術素養和數學置于能讓學生參與并理解的情境中，具有較高的教育實踐價值。因此，為了能夠促進學生的全面發展，應該在STEM教育理念下開發課程，以此建立更加完善的機器人課程體系。

一、STEM教育下的可視化編程機器人課程開發現狀分析以及STEM教育的內涵

1.研究現狀

目前，隨著STEM教育的深入發展，其內涵得到了更深一步的擴充，教育價值也越來越明顯，在如今的小學教育中，利用STEM理念進行整合教育已經成了小學階段的主要內容。在這種情況下，如何實現跨學科教育，將STEM教育中的四門學科的課程進行整合也成了教學難點與教學重點。對于數學學科來說，從小學到高中都有非常完善的課程標準，但立足于STEM教育中所涉及的四門主要學科的角度進行分析，我國課程標準的建設依然存在明顯的滯后性，所以應該在STEM教育下尋找更加有效的教育教學方式和途徑。

在我國如今的小學教育中，可視化編程機器人課程的開發依然處于一個發展時期，重點培養學生的邏輯思維能力與動手能力，但是在一部分STEM教學實踐中，卻依然沒有凸顯出工程設計與科學探究，更多則是采用項目學習的方式完成實踐教學。同時在部分地區與學校的STEM教學中，無論是教學的主題，還是項目的開發與設計，甚至是內容的選擇與目標的確定，都存在比較大的隨意性，無法將STEM教育與其他各大學科進行融合，在這種情況下，無法實現對學生綜合培養的教學目的。因此，在STEM教育下開發可視化編程機器人課程，已經成了小學教學階段的核心內容之一。

2.STEM教育的內涵解析

STEM具體指的就是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）以及數學（Mathematics）四個詞語的首字母英文縮寫，這也說明STEM屬于一種多學科融合的新型教育模式。在STEM的視角下，主要的教學目的就是培養學生的綜合性實踐能力以及思維創新能力，從而逐漸提高學生的綜合能力，對學生的核心素養進行全方面的培養，使學生能夠更好地適應未來行業與崗位的需求。在STEM教育視角下，開發可視化編程機器人課程指的就是深入地分析學生的現實需求，而后明確課程教育目標，合理地選擇課程教育內容，并采用適當的方法實施課程，在完成課程后也要對課程的開展情況進行系統性與有序性的評價。現如今，隨著教育事業的改革與發展，為了能夠進一步提高教學水平與教學效果，必須要及時優化課程的開發情況，確保課程的開設可以與時俱進。

二、在可視化編程機器人課程開發中融入STEM教育的重要意義

1.轉變教育理念，提高教學效果

雖然國家在教育方面的投入逐年增多，但是在實際的小學教學中，仍然會出現教育理念停滯不前的情況。對于小學教學來說，最終的目的就是促進學生健康成長，不僅要求學生具備充足的理論知識，也要對學生的動手能力與思維能力進行全面的培養，從而為學生的日后發展奠定良好的基礎。但是結合實際情況進行分析，很多小學的教育教學工作中，依然將傳統的教育教學理念作為主導，教師在課堂教學中占據著主導地位，而且“灌輸式”教學模式也屢見不鮮，在這種情況下就會導致學生接受知識的效率比較低，降低了整個課堂的教學效果與教學質量。為了能夠轉變這一情況，必須要把握新時代教育業的發展契機，轉變教育理念，將學生作為課堂的主體與核心，真正地將課堂還給學生，從而進一步提高教學效果。

在實際的課程開發過程中，融入STEM教育理念，不僅可以打破傳統教學觀念的束縛，而且也能夠真正地將主動權還給學生，使學生成為課堂教學的主體，以此提高學生動手實踐的能力，讓學生可以獲取更多的知識，促進學生的全面發展與成長，而這也就充分地體現了STEM教育理念的重要作用和先進之處。

2.提高學生的學習能力，激發學生的學習興趣

對于小學生來說，因為年齡、性格等因素的影響，無法對一件事保持長久的注意力，而且學生也尚未形成完善的邏輯思維體系，在這種情況下，如果依舊對學生采用傳統觀念下的教學模式與教學方法進行教學，則會影響到學生學習的積極性與興趣，導致學生無法積極地參與到課堂教學中。而借助STEM教育理念開發可視化編程機器人課程，可以將不同學科的知識進行優化與整合，提高課堂教學的開放性，使課堂能夠呈現出一種項目化的教學姿態，同時也可以在教學課程中引入人文藝術學科，從而使原本枯燥無味的課堂變得更加具有吸引力與生動性，這樣一來，就能夠有效地激發學生的學習興趣，提高學生的學習能力。

三、在可視化編程機器人課程開發中融入STEM教育理念的可行性分析

將STEM教育理念融入可視化編程機器人課程開發中具體指的就是將各種學科知識進行統一化的合成，使原來比較獨立的多門科目課程可以整合成為一門多種學科融合的項目化課程，從而有效地提高可視化編程機器人的教育水平與教學質量。而為了能夠實現此目的與達到此要求，在進行可視化編程機器人課程開發的過程中，應該將STEM教育理念作為指導，將科學、技術、工程以及數學等相關學科的知識進行融合。在STEM教育理念下的可視化編程機器人課程，可以有效地提高學生的探究能力，激發學生的學習興趣，幫助學生掌握更多的實踐操作知識，比如幫助學生掌握對機器人的編程與調試等技術手段。同時，在STEM教育理念下，也可以幫助學生形成良好的思維習慣，有助于學生未來的發展。除此之外，利用STEM教育理念可以培養學生的空間想象能力與邏輯思維能力，以此為學生的日后發展奠定良好的基礎。

四、STEM教育下可視化編程機器人課程開發的流程

1.選擇課程開發的模式

在選擇課程開發的模式時，需要重點考慮兩個方面：一方面，應該將STEM教育理念與可視化編程機器人課程進行融合;另一方面，應該滿足如今素質教育的需求，重點對學生的綜合能力進行培養，并做好課程設計工作，制定相關的教學標準與教學制度，同時應根據學生的實際學習情況，采取多樣化的評價方式對學生進行評價。

2.課程開發的步驟

（1）分析工作內容

根據學生的實際需要與課程標準的要求，設計教學內容，明確教學目的，重點培養學生的實際操作能力與創新思維，使學生可以開動腦筋、發揮想象力，從而實現小學可視化編程機器人課程教學的目的。

（2）分析教學內容

結合具體的任務內容，明確最終教學目標與能力目標，而后編制完善的教學單元或者教學模塊，制訂詳細的教學計劃，根據學生的學習情況以及其他多種客觀條件，明確教學組織形式以及教學開展的具體方法。

（3）教學課程的開發

根據實際情況，對每一個教學課時編制詳細的教案，確保課時安排的合理性，同時也要根據課時的情況合理地確定教材內容。

（4）教學的實施

按照制訂好的教學計劃與教學內容，組織開展課程教學工作。同時，在實際的教學過程中，也要不斷總結教學的經驗與教訓，并做好詳細的記錄，而后完善教學體系，根據實際情況及時調整教學方法與教學內容，確保教學方法與教學內容能夠更好地滿足學生日后發展能力提升的要求。完成教學后，應根據課程評價標準對學生的學習結果進行綜合性的評價，從而體現出STEM理念下可視化編程機器人課程發展的有效性。

比如，將《百變閃燈》課程的教學內容作為主體，引導學生自己動手進行制作，明確任務目的為：制作一個流水燈作品。在教師的幫助下，準備好Aduino主控板、面包板、發光二極管、導線、KT 板等制作材料。由教師統一發放制作工具，具體包括：移動電源（充電寶）、剪刀、水彩筆、螺絲刀等。并采用小組合作的形式，讓學生自己設計制作流程，而后教師對學生提出的制作流程進行分析與總結，指出其中的不足之處，最后讓學生自己動手完成操作。具體流程為：①小組設計圖案并畫在KT板上;②連接主控板與面包板之間的線路;③連接發光二極管與面包板之間的線路;④安裝發光二極管;⑤通電調試。

在指導學生結合生活實際進行機器人作品設計時，可視化編程機器人課程的學習為他們展開多學科融合創作打下一個厚實的基礎，將科學、技術、工程、數學等學科綜合運用展開創作，解決實際問題。例如：學生設計的作品“智能紫外線消毒燈防護系統”，就是通過機器人傳感器運用可視化編程，簡單地實現解決生活中發生的紫外線消毒安全意外問題。在此也體現了可視化編程機器人課程的有效性。

總而言之，在如今的可視化編程機器人課程開發中，應該在STEM教育理念的指導下，組織學生進行學習，從而提高學生的綜合能力，激發學生學習的積極性，促進學生全面發展。

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注：此文為廣東省教育技術中心2018年度專項課題“在STEM教育下可視化編程機器人課程開發研究”（課題立項號：18JX07030）研究成果之一。