擴(kuò)優(yōu)提質(zhì)視域下E-STAM類科學(xué)教育的組織與實(shí)施

【摘 要】本文論述基于發(fā)起和建設(shè)開源機(jī)器人普惠課程，開發(fā)設(shè)計(jì)與實(shí)施“星火鄉(xiāng)村計(jì)劃”，提出并界定什么是E-STAM類科學(xué)教育及開源機(jī)器人的E-STAM類科學(xué)教育屬性，并以廣州市“星火鄉(xiāng)村計(jì)劃”之開源機(jī)器人項(xiàng)目為例，闡述項(xiàng)目整體推進(jìn)的群體培育行動(dòng)機(jī)制、“六供給”支撐策略以及具體實(shí)施操作機(jī)制，展現(xiàn)科學(xué)教育加法的有效路徑，為區(qū)域推進(jìn)E-STAM類科學(xué)教育提供借鑒與參考。

【關(guān)鍵詞】開源機(jī)器人；科學(xué)教育加法；E-STAM；載體

【中圖分類號(hào)】G434" "【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2024）05-073-03

習(xí)近平總書記在主持中共中央政治局第三次集體學(xué)習(xí)時(shí)強(qiáng)調(diào)“要在教育‘雙減’中做好科學(xué)教育加法”，隨后教育部等十八部門于2023年5月聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)新時(shí)代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見》（以下簡(jiǎn)稱《意見》）?！兑庖姟分械目茖W(xué)教育是指廣義的科學(xué)教育，涵蓋學(xué)校正式的科學(xué)教育和校外的非正式科學(xué)教育[1]。筆者近年來(lái)積極探索創(chuàng)客教育、STEM教育，在本研究中以開源機(jī)器人課程為E-STAM類科學(xué)教育的實(shí)施載體，以實(shí)例項(xiàng)目化學(xué)習(xí)變革的方式，促使師生工程實(shí)踐能力輸出，這正是積極“做好科學(xué)教育加法”的有效路徑。

以開源機(jī)器人為載體的E-STAM類“科學(xué)教育加法”

STEAM教育在本土化構(gòu)建中演繹出多條路徑，如詹澤慧研究的C-STEAM（面向文化傳承的學(xué)科融合教育）[2]、深圳龍崗區(qū)提出并研究的A-STEM（人文引領(lǐng)的STEM教育）[3]等。E-STAM源自STEAM教育理念，是筆者通過(guò)扎根實(shí)踐提出的一條跨學(xué)科融合教育路徑，實(shí)質(zhì)強(qiáng)調(diào)的是工程導(dǎo)向的STEM教育，是指以面向真實(shí)場(chǎng)景的工程（E，Engineering ）制作為主導(dǎo)，以解決問(wèn)題的科學(xué)（S，Science）、數(shù)智化技術(shù)（T，Technology）和數(shù)學(xué)（M，Maths）為支撐，融合美學(xué)設(shè)計(jì)素養(yǎng)（A，Arts）的教育框架。該路徑近年來(lái)在我國(guó)中小學(xué)創(chuàng)客教育探索熱潮中有一定體現(xiàn)，但多以唯技術(shù)的開源硬件項(xiàng)目為主要顯現(xiàn)，缺乏跨學(xué)科的、體現(xiàn)數(shù)智化審美設(shè)計(jì)的科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)與工程的融合。

開源機(jī)器人（OS-Robot，Open Source Robot），在教育語(yǔ)境里的完整表述是開源的教育機(jī)器人，常常簡(jiǎn)稱為“開源機(jī)器人”[4][5]。隨著研究的深入，筆者對(duì)開源機(jī)器人作出如下界定：利用開源硬件及自主設(shè)計(jì)的機(jī)器構(gòu)件形成為具有機(jī)械結(jié)構(gòu)功能或物理運(yùn)算功能的裝置，并按一定協(xié)議將核心材料（如構(gòu)件組成、圖紙）開源的，都可以稱之為“開源機(jī)器人”。發(fā)展開源機(jī)器人，一是從擴(kuò)優(yōu)提質(zhì)視角看，能夠解決機(jī)器人教育從過(guò)去的面向精英轉(zhuǎn)向面向全體的公平問(wèn)題；二是從教育非盈利視角看，能夠解決從反復(fù)采購(gòu)教育機(jī)器人貴價(jià)套件走向低值和自主生產(chǎn)重用的普惠問(wèn)題；三是從創(chuàng)新思維和能力培養(yǎng)視角看，能夠解決機(jī)器人教育從應(yīng)賽訓(xùn)練走向自主構(gòu)造機(jī)器人教育體系的提質(zhì)問(wèn)題；四是從科技強(qiáng)國(guó)、民族復(fù)興宏觀視角來(lái)看，能夠解決技術(shù)引進(jìn)轉(zhuǎn)向自主研發(fā)能力人才培養(yǎng)的可控問(wèn)題。這四個(gè)方面都是教育創(chuàng)客的初心、情懷和使命擔(dān)當(dāng)。

開源機(jī)器人包括智能功能設(shè)計(jì)和構(gòu)件運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩大部分，并通過(guò)外觀設(shè)計(jì)形成功能完整、結(jié)構(gòu)完整的實(shí)體裝置。面向真實(shí)場(chǎng)景設(shè)計(jì)的作品，還帶有產(chǎn)品原型的屬性，內(nèi)含造型、色彩等藝術(shù)審美的反映。同時(shí)，在技術(shù)和工程本身還蘊(yùn)含科技的審美，包括電子線路科學(xué)布線之美、工程構(gòu)件數(shù)字化建模之美、精準(zhǔn)設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)之美、編程算法優(yōu)化之美、聲光電交互之美、材料硬度與質(zhì)感個(gè)性化制造之美，以及作品造型與功能協(xié)同之美等。落在面向青少年學(xué)生的課程學(xué)習(xí)中，滲透這些數(shù)智化科技設(shè)計(jì)的審美元素和審美評(píng)價(jià)意識(shí)、評(píng)價(jià)元素的課程才是優(yōu)質(zhì)的課程。因此，開源機(jī)器人不僅具有E-STAM類科學(xué)教育加法的屬性，也應(yīng)該要求在研究中開發(fā)具有審美元素的開源機(jī)器人，破除唯技術(shù)而缺乏學(xué)科實(shí)質(zhì)性融合的課程難題。

“星火鄉(xiāng)村計(jì)劃”之開源機(jī)器人項(xiàng)目

教師的主體意識(shí)和行動(dòng)能力是影響“大科學(xué)”教育質(zhì)量的重要因素，提升教師的E-STAM創(chuàng)意意識(shí)和實(shí)踐能力無(wú)疑是提升學(xué)生E-STAM創(chuàng)意意識(shí)和實(shí)踐能力的關(guān)鍵舉措。然而，僅教師個(gè)體的提升難以解決面上擴(kuò)優(yōu)提質(zhì)的問(wèn)題，唯有通過(guò)群體培育的方式，從面上提升教師實(shí)踐能力才可能實(shí)現(xiàn)?；诖?，筆者認(rèn)為實(shí)踐型專家的領(lǐng)航行動(dòng)重研究、強(qiáng)合作和共建協(xié)同，建構(gòu)E-STAM類科學(xué)教育優(yōu)質(zhì)課程并予以實(shí)施，是踐行E-STAM類科學(xué)教育加法的載體路徑。

1.項(xiàng)目發(fā)起的背景

“星火鄉(xiāng)村計(jì)劃”之開源機(jī)器人項(xiàng)目，全稱為“星火鄉(xiāng)村計(jì)劃：開源機(jī)器人普惠設(shè)計(jì)的開發(fā)設(shè)計(jì)與實(shí)施”，是一個(gè)面向全市開展E-STAM類科學(xué)教育加法課程實(shí)驗(yàn)的行動(dòng)計(jì)劃。該課程是基于激光切割自生產(chǎn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)制造機(jī)器裝置的課程，融合機(jī)械工程、開源硬件，融合物理、數(shù)學(xué)、藝術(shù)、勞動(dòng)等跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)場(chǎng)景進(jìn)行開發(fā)，旨在解決開源機(jī)器人教育課程的兩個(gè)問(wèn)題：機(jī)器人構(gòu)件的機(jī)械實(shí)踐知識(shí)體系課程化和案例學(xué)具制品研發(fā)問(wèn)題。

2.項(xiàng)目的目標(biāo)和意義

項(xiàng)目的總體目標(biāo)是開發(fā)出一套以青少年工程素養(yǎng)為培養(yǎng)目標(biāo)、以主題案例課程群為教學(xué)課程培育載體、以資源供給和師資培訓(xùn)為保障服務(wù)的整體落地方案，形成“市-區(qū)-校”聯(lián)動(dòng)的“1+N+X”（1是指市級(jí)一支領(lǐng)航實(shí)踐導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)，N是指N所農(nóng)村種子校，X是指X所輻射校）的實(shí)踐共同體發(fā)展格局，實(shí)證E-STAM類科學(xué)教育加法的路徑可循可行。行動(dòng)工程以“星火鄉(xiāng)村計(jì)劃”來(lái)冠名，目的是希望依托培育項(xiàng)目校作為火種學(xué)校，賦能其對(duì)“大科學(xué)”教育的認(rèn)知提升，激發(fā)農(nóng)村學(xué)校的目標(biāo)愿景和自驅(qū)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)星星之火可以燎原的態(tài)勢(shì)。

開源機(jī)器人項(xiàng)目的組織機(jī)制與實(shí)施

1.主導(dǎo)性組織視角：整體推進(jìn)的行動(dòng)機(jī)制——群體培育

項(xiàng)目以行動(dòng)研究的方式組織開展，以“1+N+X”的市級(jí)一支領(lǐng)航實(shí)踐導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)成果產(chǎn)出的推進(jìn)，具體體現(xiàn)在課程化涵養(yǎng)的整體實(shí)踐性行動(dòng)設(shè)計(jì)與師資培育加工，包括課程開發(fā)、學(xué)具開發(fā)、教師培訓(xùn)、設(shè)備使用指導(dǎo)、教學(xué)示范和評(píng)價(jià)導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)“教-學(xué)-評(píng)”統(tǒng)一的課程一致性目標(biāo)，用行動(dòng)涵養(yǎng)教師、用教師涵養(yǎng)學(xué)生。項(xiàng)目以三年為一個(gè)行動(dòng)周期，每年迭代滾動(dòng)種子項(xiàng)目校、輻射校以及深度卷入的師生，培育要求、示范輻射要求和能力產(chǎn)出層次逐年升級(jí)，實(shí)現(xiàn)從模仿到創(chuàng)造的創(chuàng)新型師生人才的培養(yǎng)。這既是一種組織機(jī)制，也是一種有效的群體培育范式。

2.服務(wù)支撐視角：市域性支撐的關(guān)鍵性機(jī)制——“六供給”策略

廣州市電化教育館以開展課程實(shí)施項(xiàng)目校的主體視角進(jìn)行服務(wù)設(shè)計(jì)，市域性采用供設(shè)備、供課程、供器材、供資源、供指導(dǎo)、供評(píng)價(jià)的“六供給”策略。

（1）供設(shè)備：支撐機(jī)理學(xué)習(xí)與構(gòu)件自主生產(chǎn)。整體采購(gòu)激光切割機(jī)租賃和保養(yǎng)服務(wù)供給到項(xiàng)目校，解決資源薄弱的農(nóng)村學(xué)校缺設(shè)備、缺保養(yǎng)、缺維護(hù)等方面的問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)利用激光切割機(jī)與學(xué)具制品自主建模切割生產(chǎn)，創(chuàng)設(shè)具身學(xué)習(xí)的場(chǎng)域，形成從生產(chǎn)到制造的產(chǎn)出，完成從源頭到輸出的鏈條機(jī)理學(xué)習(xí)，支撐師生對(duì)自主構(gòu)件的認(rèn)知提升。

（2）供課程：支撐開課內(nèi)容與提供課程延展接口。由創(chuàng)客實(shí)踐導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)和技術(shù)工程師合作開發(fā)開源機(jī)器人課程包，含主題案例內(nèi)容和學(xué)具制品，案例的設(shè)計(jì)與選取遵循機(jī)械原理的常用結(jié)構(gòu)知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)，以技術(shù)組合的特征，為課程的延展提供基座接口。例如，連桿結(jié)構(gòu)用于農(nóng)耕小場(chǎng)景舂米機(jī)。

（3）供器材：支撐對(duì)開源機(jī)器人的結(jié)構(gòu)化認(rèn)知。圍繞主題課程群的案例，包括帶電的和不帶電的、帶編程的和不帶編程的、帶人工智能和不帶人工智能的，供給其配套的開源硬件（包括智能電子部分和結(jié)構(gòu)部分），以及人工智能的核心功能模塊，支撐和幫助師生學(xué)習(xí)開源機(jī)器人各類裝置的結(jié)構(gòu)化認(rèn)知。

（4）供資源：賦能教師提升TPDCK的教學(xué)認(rèn)知。圍繞主題課程群的案例，供給基于案例的數(shù)字化資源，包括教學(xué)課件PPT、機(jī)器人搭建實(shí)操視頻和教學(xué)設(shè)計(jì)文案，一方面是以實(shí)例方式幫助教師學(xué)習(xí)微能力點(diǎn)，賦能解決教師開源硬件、項(xiàng)目開發(fā)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面知識(shí)儲(chǔ)備不足與實(shí)作能力不足的問(wèn)題；另一方面賦能教師認(rèn)識(shí)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的資源框架和教學(xué)流程，提升對(duì)開展開源機(jī)器人項(xiàng)目的TPDCK（整合技術(shù)的設(shè)計(jì)性學(xué)科教學(xué)法知識(shí)）[6]教學(xué)認(rèn)知和能力。

（5）供指導(dǎo)：賦能教師快速建構(gòu)和掌握實(shí)踐性知識(shí)。將前期開源硬件實(shí)踐領(lǐng)航師資培育階段打造的創(chuàng)客骨干團(tuán)隊(duì)成員聘為項(xiàng)目校駐點(diǎn)實(shí)踐導(dǎo)師，定期入校指導(dǎo)，以認(rèn)知學(xué)徒制的方式指導(dǎo)激光切割機(jī)使用流程、安全風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避、軟件建模常用技巧和作品開源社區(qū)資源采用等方面必備能力，賦能教師降低設(shè)備使用的菜鳥畏懼心理，具身示范指導(dǎo)教師快速上手動(dòng)手實(shí)踐，并在線上社區(qū)及時(shí)答疑回復(fù)，使之有師傅問(wèn)、有師傅教、自己有信心做。

（6）供評(píng)價(jià)：指引動(dòng)手實(shí)踐型項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)框架。圍繞學(xué)生對(duì)主題案例學(xué)具制品的快速還原能力、微創(chuàng)新能力和自主構(gòu)件建模能力三個(gè)維度，建立工程作品能力評(píng)價(jià)指標(biāo)和課程成果檢視方式，指引教師從知識(shí)評(píng)價(jià)走向?qū)嵺`輸出的能力評(píng)價(jià)，從單點(diǎn)知識(shí)評(píng)價(jià)走向多點(diǎn)思維及問(wèn)題解決能力的評(píng)價(jià)，從動(dòng)手操作的模仿能力評(píng)價(jià)走向自主建模實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)新的能力評(píng)價(jià)。

3.主體實(shí)施視角：項(xiàng)目校操作路線機(jī)制

行政操作路線：項(xiàng)目校、項(xiàng)目教師按“市-區(qū)-校（鎮(zhèn)-校）”三級(jí)或四級(jí)聯(lián)動(dòng)機(jī)制接受項(xiàng)目組織監(jiān)督。

實(shí)作教研路線：按“項(xiàng)目教師—實(shí)踐導(dǎo)師—項(xiàng)目領(lǐng)航人”二級(jí)指導(dǎo)機(jī)制，項(xiàng)目教師遇到技術(shù)問(wèn)題有解答、教學(xué)問(wèn)題有指導(dǎo)，教研路徑短，能得到快速響應(yīng)解決實(shí)際問(wèn)題。

學(xué)習(xí)課程知識(shí)：接受由市級(jí)領(lǐng)航實(shí)踐導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)圍繞案例開展3期具身培訓(xùn)、現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，掌握課程案例的關(guān)鍵知識(shí)與實(shí)踐能力。

教學(xué)內(nèi)容選取：在本項(xiàng)目開發(fā)的“1+4+10”主題課程群中選取教學(xué)內(nèi)容，包括1套通用型Laserblock激光切割構(gòu)件板、4個(gè)不帶電主題案例和10個(gè)帶電、帶編程（含人工智能技術(shù)）的主題案例。其中，Laserblock顆粒組件均為機(jī)械原理常見結(jié)構(gòu)的建模制品，如齒輪、凸輪及其標(biāo)準(zhǔn)尺寸的螺絲孔位等，主題案例為定制型結(jié)構(gòu)的建模制品，如齒條門鎖、電子吉他、投石車和澆灌機(jī)器人等。

課程實(shí)施：項(xiàng)目校組建跨學(xué)科課程實(shí)施團(tuán)隊(duì)，每學(xué)期選取至少5個(gè)主題案例開展，在學(xué)校綜合實(shí)踐、信息科技及430課程時(shí)間中開設(shè)，可大班教學(xué)也可社團(tuán)教學(xué)，并圍繞項(xiàng)目評(píng)價(jià)框架指引開展教學(xué)展示課、原創(chuàng)作品科技嘉年華展示和競(jìng)技活動(dòng)等。

開源機(jī)器人項(xiàng)目組織實(shí)施的成效與反思

在有效的機(jī)制加持下，項(xiàng)目在實(shí)施的第一年就取得了顯著的效果。廣州市五個(gè)城郊周邊區(qū)、鄉(xiāng)村地區(qū)10所項(xiàng)目校約50位項(xiàng)目教師、500名學(xué)生深入項(xiàng)目研究，惠及農(nóng)村學(xué)校中小學(xué)生約3000人次，項(xiàng)目校領(lǐng)導(dǎo)和教師對(duì)項(xiàng)目組織機(jī)制及成效給予了高度評(píng)價(jià)。一方面，項(xiàng)目校在開展課程實(shí)施時(shí)有信心、可實(shí)施、可操作，向輻射校展示時(shí)“空間-教師-設(shè)備和器材-學(xué)生-作品”所構(gòu)組的場(chǎng)域生態(tài)極具成果可觀性；另一方面，這些成果帶給學(xué)校、師生和家長(zhǎng)的課程情感體驗(yàn)相當(dāng)走心。幾所農(nóng)村項(xiàng)目校的校長(zhǎng)紛紛表示，該項(xiàng)目以沉浸式學(xué)習(xí)的方式和課程化的深度為農(nóng)村師生的科學(xué)教育打開了一扇窗。我們?cè)谳椛渫茝V中看到這些場(chǎng)景推文和視頻傳播形成了良好的口碑和社會(huì)效應(yīng)。

針對(duì)三年行動(dòng)計(jì)劃，項(xiàng)目校逐年提升層次進(jìn)階要求，如何組織新增項(xiàng)目校與第一批項(xiàng)目校建立學(xué)徒性、協(xié)同性建設(shè)機(jī)制，如何構(gòu)建三年實(shí)踐能力進(jìn)階表征指標(biāo)與評(píng)價(jià)方式，課程知識(shí)體系及其主題案例制品如何迭代優(yōu)化，都需要我們?cè)诮窈蟮男袆?dòng)工程中繼續(xù)深入研究和實(shí)踐探索。

參考文獻(xiàn)

教育部等十八部門. 關(guān)于加強(qiáng)新時(shí)代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見[EB/OL].（2023-05-17）[2024-03-12].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A29/202305/t20230529_1061838.html.

詹澤慧，鐘柏昌，霍麗名，等. 面向文化傳承的學(xué)科融合教育（C-STEAM）：價(jià)值定位與分類框架[J]. 中國(guó)電化教育，2020（3）： 69-76.

葉德衛(wèi). 人文引領(lǐng)的STEM教育：深圳市龍崗區(qū)A-STEM的探索與實(shí)踐[J]. 中國(guó)信息技術(shù)教育， 2019（7）： 5-7.

龍麗嫦. 創(chuàng)客空間2.0： 開源機(jī)器人的發(fā)展歷程和競(jìng)賽組織形式[J]. 中國(guó)信息技術(shù)教育，2020（10）： 4-10.

龍麗嫦，高偉光，梁志成. Laserblock：讓機(jī)器人教育走向開源、普惠（1）：Laserblock的技術(shù)內(nèi)涵與演化[J]. 無(wú)線電，2020（5）：78-81.

龍麗嫦，梁志成，尹睿. 創(chuàng)客教師知識(shí)結(jié)構(gòu)框架的構(gòu)建與生成機(jī)理分析[J]. 電化教育研究，2020（9）：115-123.