基于STEAM教育的中職“工業機器人技術”課程教學模式研究

楊勇 趙崇杰 張國泉 李俊杰

摘要：針對中職學校“工業機器人技術”課程教學存在的教學理念落后、理論教學有缺陷以及學生學習興趣低等問題，結合STEAM教育提出了中職“工業機器人技術”課程教學模式改革思路以及分階段教學體系，構建了基于STEAM教育的中職“工業機器人技術”課程教學新模式，為中職學校工業機器人技術應用專業課程教學提供參考。

關鍵詞：STEAM教育;教學模式;分階段教學體系;工業機器人技術;中等職業學校

中圖分類號：G712? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1672-5727（2021）05-0087-05

工業機器人及應用是中國制造邁向中國創造的一個重要競爭領域，而工業機器人職業教育對工業機器人產業發展具有重要作用[1]。但是，目前中職學校所培養的工業機器人技術應用專業人才并不完全符合工業機器人行業的新需求，仍有較大的技能型人才缺口[2]。要解決工業機器人技能型人才短缺的問題，從根本上來講就是要解決中職工業機器人課程教育的問題，相關的教學模式改革刻不容緩。目前，“工業機器人技術”作為中職學校工業機器人技術應用專業的主要課程之一，存在著教學理念落后、理論教學有缺陷以及學生對課程學習的主動性較低等問題。為了解決這些問題，中職“工業機器人技術”課程需要引入新的教學理念和教學模式。STEAM教育的核心思想和我國中職工業機器人教育改革的方向一致[3]，可以為中職“工業機器人技術”課程教學模式的創新提供新思路。

STEAM教育是對科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Arts）、數學（Mathematics）進行整合的一種現代教育方法。STEAM教育最早由美國學者格雷特·亞克門（Georgette Yakman）于1990年提出，后來美國政府大力支持其發展，使其在美國教育領域里不斷深化，基于SETAM模式的課程也逐漸多了起來。STEAM教育作為一種新穎的教學模式，具備跨學科交融、實踐體驗、自主發散思維、團隊合作以及趣味學習等特征，這些特征不僅適合中職“工業機器人技術”課程教學創新，并且還可以培養中職學生在工業機器人技術應用專業方面獨立解決問題以及思維創新的能力[4]。

本文旨在探索STEAM教育與中職工業機器人教育的有效融合，提出一種基于STEAM教育理念與中職工業機器人技術應用專業課程相結合的課程教學新模式，打破傳統的中職課堂教學單一模式，以求“工業機器人技術”課程教學更具技術性、高效性和趣味性，為中職學校工業機器人技術應用專業課程教學提供參考。

一、中職學校“工業機器人技術”課程教學現存問題

2010年新修訂的《中等職業學校專業目錄》并沒有出現工業機器人技術應用專業，但是國內部分辦學實力較強的中職學校已經開始開辦與之相關的專業方向，如電子與信息技術（工業機器人應用與維護方向）和電氣運行與控制（機器人方向）等。然而，中職學校“工業機器人技術”的教學存在著一些短板，這些問題對于專業課程開發有著較大的影響。

（一）教學理念相對落后

中職學校設置“工業機器人技術”這門課程，主要是為了培養學生面向企業的工業機器人操作與運維崗位所需要的專業技能，學生需要在校學習期間打好專業實操技能基礎，教師在教授實操技能時也應該以學生為中心。但是，中職學校現階段仍然保留著傳統的教育理念，教師在課堂中還是作為主導一方[5]，中職學生的主動學習性欠佳，導致學生掌握知識程度較低，學生創新能力的培養存在短板， 這會影響到學生學習積極性的發揮。

（二）理論教學存在部分缺陷

由于“工業機器人技術”是一門多學科交叉的課程，所以理論課內容對中職學生而言比較抽象。而大多數教師給學生講授理論知識時，沒有充分利用多媒體等形式將內容形象化地教授給學生，導致學生對工業機器人主觀的認知比較薄弱。另外，“工業機器人技術”也包含著很多數學知識，如坐標系的計算以及編程邏輯計算等。當教師利用板書的方式來講授枯燥的工業機器人數學知識時，學生會因此產生畏懼的心理，導致他們在工業機器人數學知識方面的學習進步很慢，難以對工業機器人有較清晰的基本理論認識。

（三）學生學習的興趣較低、主動性不高

中職學校學生普遍比較好動，并且他們對專業學習的自覺性較低。“工業機器人技術”課程課堂教學時，學生的參與度較低，較難激起學生的學習興趣，學生學習的主動性不高，這也直接影響了中職學校工業機器人技術應用專業人才培養質量。

二、STEAM教育與中職課程教學融合的必要性

第一，面對中職“工業機器人技術”課程教學現階段存在的問題，需要中職學校教師加強教學模式創新研究，打破傳統的教育思想框架，可以在“工業機器人技術”課程開發中引入STEAM教學理念，把課堂中心從教師身上轉移到學生身上，讓每個學生充分享受到自主學習帶來的成就感以及樂趣，凸顯STEAM教育“做中學”的先進理念[6]。

第二，教師給學生講授“工業機器人技術”理論課時，可以多利用多媒體等教學平臺，讓課程內容變得更加豐富，更好吸引學生的注意力。如教師在講授數學知識時，除了需要板書教學，也需要在學生的實操課上將數學知識與實操訓練相結合，給學生以必要數學知識的講解，在動手過程中培養學生的數學能力。

第三，教師在課堂上可以更多展示工業機器人有趣的一面。例如，通過展示工業機器人下圍棋、工業機器人舞獅以及工業機器人畫畫等特殊場景，讓學生在工業機器人技術學習中融入藝術思維，以此提高學生的學習興趣。

第四，STEAM教育理念強調多學科整合，呈現了一種開放性的教學形態。科學（Science）——旨在培養學生對科學的探索能力，教師可以引導學生探索工業機器人的總體結構。如對于工業機器人本體、減速器的探索，以提高學生學習科學知識的主動性。技術（Technology）——讓學生掌握工業機器人的編程、拆裝等技術范疇。工程（Enjineering）——要求學生認真對待工業機器人技術實訓課程，形成工程的思維和能力，為以后進入企業打好基礎。藝術（Arts）——人文藝術的引入會使枯燥的傳統“工業機器人技術”課堂更加具有吸引力，學生將會更加積極地參與到課堂學習之中。數學（Mathematics）——這是學習工業機器人的基礎，數學可以培養中職學生的邏輯思維能力，而且坐標系的計算以及編程邏輯計算等也需要具有良好的數學基礎。

三、基于STEAM教育的中職“工業機器人技術”課程教學模式構建

教學模式是指在某種教學思想或教學理論指導下建立起來的一種較為穩定的教學活動結構框架和活動程序[7]。這種框架應包含二維教學模式、教學體系及其應用與分析等要素。

（一）基于STEAM教學目標的二維教學模式模型

要實現對中職工業機器人技術應用專業學生的全面培養，就要實現專業教學要求的基本職業素質能力和核心職業能力培養。因此，在構建STEAM教學模式時應將職業知識與技能作為教學目標的重點。（見表1）

（二）分階段教學體系的構建

STEAM教學促成多學科的有機整合，使學科教育不再局限于單調學科本身[8]。鑒于中職“工業機器人技術”教學主要涉及工業機器人本體結構、運動編程及工藝運用等綜合技術知識，將 STEAM 教學模式應用到工業機器人技術教育中，建立不同階段的基于STEAM教育目標的中職“工業機器人技術”課程體系，以項目教學和興趣驅動作為課程的設計理念，構建“工業機器人技術”教學體系框架。這里把中職“工業機器人技術”課程分為三個階段。

第一階段教學是工業機器人的基礎教學，包括工業機器人的本體及其零部件等。首先用機器人科幻電影來吸引學生，把學生引入課堂;其次，教師為學生提供機器人本體模型、核心零部件以及配套教材，初步了解工業機器人的結構組成。教師多用現實中的案例來引導學生，幫助學生初步建立工業機器人綜合知識體系。

第二階段教學是工業機器人的編程及應用。學生在這個階段學習實際生產中常用的工業機器人品牌的編程語言，掌握編程的邏輯思路以及語法，并能對簡單工序的運動軌跡進行設定，初步建立對工業機器人控制的思維。

第三階段教學是工業機器人的項目式教學。教師在這個階段主要對學生進行項目式授課，通過實際生產當中的碼垛、搬運、焊接等主要工藝項目的學習，讓學生解決生產中的實際問題，培養學生工業機器人系統集成能力[9]，真正做到把STEAM教育的科學、技術、工程、藝術和數學運用到“工業機器人技術”教學中。

（三）課程教學模式應用與分析

以“ABB工業機器人基礎運動編程”項目式課程為例，將STEAM教育理念下的“工業機器人技術”課程教學模式應用于工業機器人基礎運動編程項目式教學中，并分析其教學模式的可行性。

1.課程設計理念及教學目標

該項目主要是圍繞ABB工業機器人基礎運動編程來展開的，基于STEAM的項目式課程可以挖掘出多學科的知識內容[10]，并可以讓學生自主操作;學生可在教師設置的任務驅動下，進行自主學習，完成學習目標并總結學習過程。教師在學生操作過程中及時反饋，達到強調教學重點、解決教學難點的目的。據此設計的基于STEAM理念的教學目標思維導圖如圖1所示。

2.課程教學內容及教學流程設計

（1）教學內容設計。基于STEAM的“ABB工業機器人基礎運動編程”項目式課程教學內容、教學重點以及教學難點如表2所示。

（2）教學流程設計。為了使STEAM理念與“ABB工業機器人基礎運動編程”項目式課程的教學流程設計深度融合，教學流程分如下四個環節進行。

第一環節，理論講授。課程的開始，教師先發起一個具有趣味性的游戲——與預先設定好程序的工業機器人下五子棋，以此來引入工業機器人的主題。游戲過后，教師再通過一小段慕課向學生介紹地方文化與工業機器人的結合——工業機器人舞獅，注入藝術文化的熏陶，引導和啟發學生的思維，提高學生學習的主動性和興趣。然后，教師具體介紹工業機器人的各種工藝運動控制以及基礎編程語句，并向學生提出課程中的兩個項目任務，分別是：運用基礎的編程語句對涂膠工藝進行編程;運用基礎的編程語句對碼垛工藝進行編程。具體的任務設置是為了讓學生對具體的項目產生期待并認真學習。

第二環節，基礎實操。教師在實訓室為學生演示常用基本運動指令和I/O控制指令的操作，讓學生進行基礎實操。學生4人為一組，每組選出一個組長，共同操作一臺工業機器人，要求學生輪流進行操作，鞏固在課堂上學習的操作指令。課程設置模擬工廠的工作環境及流程，可使學生進行崗位扮演式實操，讓學生提前感受工廠里的工作環境。實操開始前給學生提出本環節需思考的問題，并將問題設置成梯度的方式，學生將隨著問題的遞進而深入學習。（見圖2）

第三環節，任務驅動。在學生掌握了基本運動指令和I/O控制指令后，同樣以小組為單位開始項目任務實操，讓學生運用基本運動指令和I/O控制指令對簡單的涂膠工藝和碼垛工藝兩個項目任務進行編程。在進行任務實操的過程中，組長帶領組員共同完成任務流程，教師作為輔導的一方對學生進行巡視和指導，對大多數小組存在的共性問題進行集中解答。此過程可包含競技性比賽，完成效果好的小組可給其他學生展示，以此提高學生對任務完成的積極性。在進行項目任務操作時，也給學生提出以下問題，讓學生在完成任務的過程中自主探索。（見圖3）

第四環節，課程考核及成果展示。傳統的課程考核以教師的評定分數為主，但項目任務的考核應該加入學生自評和學生互評。學生自評有利于學生對自身操作的優缺點有正確的認識;而學生互評則有利于學生之間互相學習，也能保持客觀公平性。在所有小組都完成課程考核后，教師選出任務操作優秀的小組進行展示，并讓組長總結經驗。而能力較欠缺的小組也要尋找失敗原因，并提出解決方案進行改進。最后，每個小組還要輪流上臺對課堂中提出的問題分享答案及看法。這一環節要使學生在相互借鑒中進一步加深對知識的理解，并提高表達能力。

3.教學模式應用分析

本文以基于STEAM的“ABB工業機器人基礎運動編程”項目式課程為例，把課程分為了4個教學環節，分別是理論講授、基礎實操、任務驅動、課程考核及成果展示。在該教學實踐中，采用任務型教學法，以項目實操的方式讓學生感受到實際工程中的操作，形成工程思維（Engineering）。

任務的設置難度按照一定的梯度，由簡單到復雜，讓學生循序漸進，激發學生的學習熱情，驅使學生一步步去探索科學魅力。

學生在編程中使用的邏輯計算，也是提升學生數學思維的一個途徑。

在視頻介紹中，引入了工業機器人舞獅，讓學生在日后學習過程中知道工業機器人也可以與藝術（Arts）結合;在分享環節中，學生的語言組織可以提升表達能力，表達也需要藝術渲染。

教師通過各種教學手段把STEAM教學貫穿于整個課堂，調動學生學習的興趣，為學生創造愉悅的學習環境，讓學生主動在工業機器人實操中學習相關技術。

把STEAM教育理念真正融入到中職“工業機器人技術”課程之中，對教師而言是教學改革創新，對學生而言則更加有利于他們的學習和職業發展。本文提出了基于STEAM教育的中職“工業機器人技術”課程教學新模式，構建了中職“工業機器人技術”分階段教學體系，可為中職“工業機器人技術”課程教學改革提供新的思路。

參考文獻：

[1]楊勇，劉霞云，黃福.工業機器人高職師資培養質量的分析與提升策略[J].清遠職業技術學院學報，2019（5）：1-5.

[2]溫宏愿，孫松麗，劉超.工業機器人技術應用專業集群建設探索與實踐[J].高等工程教育研究，2019（3）：47-51.

[3]袁磊.核心素養視域下STEAM教育的課堂教學變革[J].中國電化教育，2019（11）：99-103，128.

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[5]張展榮，王星宇.基于STEAM教育的中職學校機器人專業課程開發研究[J].廣東職業技術教育與研究，2020（3）：120-122.

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[7]萬云，韓亞軍，呂值敏.工業機器人技術應用專業“四化一體”教學模式的構建研究[J].中國職業技術教育，2019（5）：68-71.

[8]蒙慶華，方錦烘，李一凡，等.基于STEAM的機器人教育課程探究與實踐[J].中國教育信息化，2020（4）：43-45，49.

[9]蔣正炎，檀祝平.高職工業機器人技術應用專業課程教學資源開發路徑研究[J].中國職業技術教育，2018（11）：47-52.

[10]張輝蓉，冉彥桃.STEAM教育理念落地：數學文化項目學習模式構建及案例開發[J].中國電化教育，2020（7）：97-103.

（責任編輯：張宇平）

Research on the Teaching Mode of "Industrial Robot Technology" Course in Secondary Vocational Schools Based on STEAM Education

YANG Yong， ZHAO Chong-jie， ZHANG Guo-quan， LI Jun-jie

（Guangdong Polytechnic Normal University， Guangzhou Guangdong 510635， China）

Abstract：Aiming at the problems of backward teaching concepts， defects in theoretical teaching and students' low interest in the "Industrial Robot Technology" course in secondary vocational schools， combined with STEAM education， we put forward the reform ideas of the secondary vocational "Industrial Robot Technology" course teaching mode and staged teaching system， which builds a new teaching model of "Industrial Robot Technology" course based on STEAM education in secondary vocational schools，? providing a reference for the teaching of industrial robot technology application majors in secondary vocational schools.

Key words： STEAM education; teaching mode; staged teaching system; industrial robot technology; secondary vocational school