基于機器人教學游戲化的STEM教育課程研究

李銳

摘要：STEM是科學（Science），技術（Technology），工程（Engineering），數學（Mathematics）四門學科英文首字母的縮寫語，是一種以項目學習、問題解決為導向的課程組織方式。因該教育有利于學生創新力的培養而受到各國重視。該課程的的載體很多，以機器人教學最能體現該課程的特點，同時借助學習游戲化機制，引入多種策略可使該課程更具系統性和可行性，能更好的將學生的心流引向目標。

關鍵詞：機器人教學;游戲化;STEM教育

隨著教育技術和教育理念的不斷更新，學科融合，游戲化，人工智能等思想融入教育教學，并以其優勢對教育教學的提高貢獻著各自的力量，這種匯合將帶給教育新的機遇與挑戰。

一、國內外研究現狀述評

近些年，以美國、英國、德國為代表的主要發達國家都從國家戰略高度制定了STEM教育的政策與措施。1986年樂高教育與麻省理工正式開始合作，研發機器人及其相關課程。樂高機器人教育認同在玩中學的理念，依托建構主義理論，構建了一套游戲化學習的體系，提倡通過動手和動腦解決現實問題，讓孩子在建構中學習和發展思維。這些理念與 STEM 教育所注重的跨學科學習、動手、小組協作等一致，在 STEM 教育這條路上，樂高機器人教育已經研究了20年，相比其他分支，無論是操作性還是研究基礎，機器人教學都比較適合作為STEM教育課程的載體。

2010年中國教育部與樂高教育簽訂“技術創新人才培養計劃”合作協議。2017年6月20日，中國教育科學研究院發布《中國STEM教育白皮書》，決定啟動“中國STEM教育2029創新行動計劃”。為基于機器人教學的STEM教育指明了方向。但由于基于機器人教育的STEM課程沒有明確的指導性文件，教學機構良莠不齊，且多集中在比賽上，涉及課程研究的很少，很多機構課程對于知識的闡述與教學過程的研究缺乏系統性和完整性，所使用的教材對于機器人教學與STEM教育的融合涉及很少，且用于課堂的質量不高，基于機器人教學的STEM課程在我國的研究幾乎為零。在知網中同時搜索關鍵詞“機器人教學 STEM”只有五篇且均為課例，涉及課程的為0篇，在游戲化學習高速發展的形勢下，機器人教學與游戲化相關的論文只有一篇，關于“游戲化 STEM”的搜索結果也為0篇。這對我國STEM教育的推廣和創新人才的發展極為不利。

二、課程研究價值與意義

STEM教育在世界上作為國家人才發展戰略受到廣泛的重視。中國正在努力建設創新型國家，所以STEM教育在中國具有重要意義。STEM課程是解決我國現有教育體制下，對于創新力培養不足的良藥，機器人教學是良藥的最佳材料，再擴展到其他材料就變得更加容易。然而，STEM課程綜合知識性強，學生學習的畏難情緒和教師教學能力不足等問題還一直困擾著STEM課程研究工作者，而教學游戲化正是解決這一問題的關鍵，從真實游戲任務入手的STEM課程更加容易操作，教師將在課程中作為“引領者”與學生共同探索。課程將學生的身心成長和思想成長，以及能力培養融合在了一起，通過機器人教學、游戲化思想和STEM教育三者的結合達到教學目的，對于培養我國的優秀人才有著一定的積極作用。

將游戲化思想融入以機器人教學為載體的STEM教育不但可以將這一課程的系統化表現的更加清晰，還為實現STEM教育的項目驅動提供了更強有力的教學激勵與學習動力，讓學生與教師樂在其中，受益在其中。這種課程設計不僅可以提升青少年的核心素養，還讓STEM更加容易進入我們的每一所學校，并且尤其可以解決該課程教師因綜合性太強而不易培養的問題，因為在這三者結合下的課程本身就是一個師生共同研究與探索并成長的過程，教師更像一名“領隊”。在此基礎上研究的STEM課程從簡單任務到復雜任務，通過多方面研究要素的引入，可以帶動團隊互助與社會聯動，將家庭，學校，社會，機構聯系在一起。解決原有STEM課程的學段整體設計問題，利用游戲的運作機制解決STEM教育標準與評估機制的難題。以上研究價值將在一定程度上推動我國的創新人才課程的建立。

三、課程研究與實施設想

（一）研究目標

針對培養我國學生創造力和合作精神以及探索精神的STEM課程，需要借助機器人教學體系使該課程無論從教具，還是到課程教材的編寫都找到一個適合的載體，加之游戲化的強大力量，探索出一種機器人教學游戲化模式下的方便可行的STEM課程教學策略。

（二）實施建議

1.從課程指導理論入手。通過相關的國內外政策文件與理論知識的研究，探索出適合該課程的標準與評價體系，并制定出基于游戲化的課堂運作機制。

2.以課程資源包的研究為基礎。研究可以和現有教學體系融合的知識內容與拓展性知識內容作為知識系統包的形式以師生檢索的方式呈現，并對完成與掌握情況進行數據跟蹤。

3.建立課程教法。引入心流與番茄工作法等理論，在游戲化運行機制下研究教學方法和活動實施策略。

4.深化課程內容。整合國內外相關研究成果，結合學生實際與社會需要制定課程目標與章節項目，從項目出發，以任務的形式進行分解與安排，根據指導理論與教學模式安排教材內容與活動指導方案。研究將現實任務定位為游戲任務的合理途徑，將重點任務具體化，結合生活與現實問題，建立經典問題與拓展問題。并對問題進行難易分層。

5.重視反饋與評價方式。可以結合學生的先天特點，參考優勢教育的理論研究基礎上，運用游戲化的運作機制，對參與課程學習的學生如何進行階段性實時反饋與評價的問題進行研究與設計，并將激勵方式量化。研究STEM課程過程中的記錄反饋方式，不僅記錄完成規定任務的數據，還記錄過程性進展數據，結合人工記錄與電腦記錄同步進行。.

基于機器人教學游戲化的STEM教育課程不僅滿足了社會的需要，還滿足了學生的個性發展需要。借助心流理論，在課程設計中考慮學生專注力的分配機制，同時引入電子游戲的獎勵機制與反饋機制，以及任務機制，確保了課程的評估效果與反饋結果。這種將機器人教學、游戲化學習、STEM教育三者有機結合的課程會將我們的教育帶入一個我們期盼的新紀元。

參考文獻：

[1][美]羅伯特·M·卡普拉羅、瑪麗·瑪格麗特·卡普拉羅和詹姆斯·R·摩根：《基于項目的STEM學習》，上海科技教育出版社，2016（1）

[2][美]瑪格麗特·赫尼，[美]大衛·E·坎特：《設計.制作.游戲培養下一代STEM創新者》上海科技教育出版社，2015（12）

[3]趙中建：《美國STEM教育政策進展》，上海科技教育出版社，2015（11）

[4][美]簡·麥戈尼格爾：《游戲改變世界》，北京聯合出版公司，2016（9）

[5]高山：《樂高EV3機器人初級教程》，清華大學出版社，2014

課題：全國教育信息技術研究2017年度青年課題，課題名稱：基于機器人教學游戲化的STEM教育課程開發研究，課題編號：176240001。