中学机器人教育与STEAM教育融合探索

刘玮松　刘海东　焦晓武　金石梅

摘 要 机器人技术迅速发展，很多中学相继开设机器人教育课程，但由于机器人教育正处在初级发展阶段，我国中学机器人教育课程中还有很多问题有待解决，尤其突出的问题是机器人教育功利性强，教育研究视野不宽广。针对存在的问题，通过将机器人教育与STEAM教育相融合，从教学目标、教学内容、教学策略、教学评价四方面探索机器人教育的新思路。

关键词 机器人教育；STEAM教育；中学；互联网+

中图分类号：G630 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）20-0011-03

Probe into Integration of Robot Education and STEAM Educa-tion in Middle School//LIU Weisong， LIU Haidong， JIAO Xiaowu， JIN Shimei

Abstract The rapid development of robot technology， many schools have carried out the robot education curriculum， but because the

robot education is in the primary stage of development， the robot course in middle school education in our country has many problems，

especially the problem of robot education is utilitarian， from the per-

spective of educational research is not broad， aiming at these pro-blems， the robot STEAM education and education integration， from

the teaching objectives， teaching content， teaching strategies， tea-

ching evaluation four aspects to explore new ideas for robot education.

Key words robot education； STEAM education； middle school； internet plus

1 引言

在“互联网+”时代，教育与技术全面融合，中学机器人教育有了很大发展，已经有很多中学开展了机器人教育课程，但建设中还存在很多问题，例如：教育目标重模仿实验，重基础轻应用；教育内容重技术轻整合；教育研究与实践视野不够宽广[1]；教育模式以竞赛为主，尚未普及[2]；

等等。当前正风靡于美国、韩国、英国等国家和地区的STEAM（Science，科学；Technology，技术；Engineering，

工程；Art，艺术；Mathematics，数学）教育依托新技术转变教学理念和教学模式，正好适合解决中小学机器人教育存在的问题[3]。通过将科学、技术、工程、艺术和数学五方面进行整合，体现了对现实世界的全面理解，顺应了时代的发展，反映了新时代对人才的要求。将机器人教育和STEAM教育相融合是十分有意义的[4]，因此提出将机器人教育和STEAM教育相融合，探索机器人教育新思路。

2 STEAM教育

STEAM教育由美国弗吉尼亚科技大学学者Yakman在研究综合教育时首次提出，即加强美国K12关于科学、技术、工程、艺术及数学教育[3]，专门用于建立动手类创造性课程。STEAM教育实施最有效的策略，是从跨学科、跨领域的角度，从开展实践、促进专长发展的角度，以及从真实情境中的问题解决角度，将其融入现有课程中。不仅可以使学生迅速接受新改变，而且便于进行及时调整，使学生学习起来更加轻松，同时也能方便教师掌握。

3 机器人教育存在的不足

近年来，随着基础教育课程改革的不断深入，我国中学机器人教育有了很大发展，但客观来说，仍然处于初级阶段，普及率很低[2]，且大都以功利性竞赛为主，在教育目标层面侧重模仿实验，重基础轻应用[5]；在教育内容层面侧重学科本位，重技术轻整合；教育理念支持不足，一直没有提出教育理念和准则[6]，机器人教育无法更深入开展；教育发布不均衡、发展不平衡，西北地区相对于南方发达地区，机器人教育起步较晚，相关教学活动很少。

4 機器人教育与STEAM教育融合的必然性

当前应试教育根深蒂固于家长、教师和学生的心中，大多数人认为机器人教育是一种课外活动，是为了娱乐学生而存在的，并不是一门真正独立的完整学科。他们认为，学生应该更注重课本知识的学习，而不是过多地参与这种活动。这就使得机器人教育课程难以顺利有效地开展，进而学生也就很难有兴趣参与其中，遏制了学生想象力和创新力的发展。而STEAM教育强调以学生为中心，将科学、技术、工程、艺术及数学进行融合，开展教学活动。在机器人教学过程中综合运用多方面内容进行教学，让学生在机器人教育中不仅可以学习到先进的机器人技术，而且可以学习到各个方面的知识，通过实际操作，培养创新意识和能力。最终打破上述僵局，帮助家长、教师和学生理解机器人教育的重要性，让机器人教育冲破原有的束缚，解决当前机器人教育中存在的现实问题。

5 机器人教育与STEAM教育融合

机器人教育与STEAM教育融合应注意：重视科学、技术的实际意义，运用实际的例子，帮助学生发挥想象力进行创作；重视学生的情绪与社交，帮助学生在操作过程中培养情感态度和价值观[7]；以科学解释和严密的数学逻辑为基础，帮助学生认清事物的原理，掌握关键技术，找到根本原因，解决问题；在操作和探究过程中注重艺术的发挥，培养学生对待事物的艺术感和审美能力。endprint

STEAM教育的五部分（科学、技术、工程、艺术和数学）既相互独立又彼此联系，将STEAM教育融入机器人教育课程，核心离不开教学过程中这五部分的相互综合、相互作用。并且机器人教育处在初级阶段，同样离不开STEAM教育的补充和构建。同时，在机器人教育过程中要遵循STEAM教育的相关原则，但最终要以中小学机器人教育原则为主，探索出完善的中小学机器人教育课程体系。

在教学之前需要进行的是教学前期分析，需要分析学习者也就是学生的学习兴趣、学习动机，分析机器人教育的软硬件环境，如教室、机器人设备、相关软件等，最终明确学习需要，制定相关教学环节。在融合前后都需要进行这些方面的分析，因此在此不做赘述。本文着重从教学目标、教学内容、教学策略、教学评价四个环节，融合STEAM教育的科学、技术、工程、艺术和数学等五方面进行探索设计。

教学目标 以学习者特征分析为依据，结合当前机器人教育重模仿实验、重基础轻应用的状况，以三维目标体系为基础，机器人教育与STEAM教育融合后的教学目标如下。

1）知识与技能：学生在创设的实际科学和技术情境中理解基础理论知识，掌握具体操作技术，改变以往教师操作、学生模仿的教学模式，学生在实际情境中发挥想象力，自由设计，创作自己的作品，在实际动手操作过程中提升创新能力和科学素养。

2）过程与方法：学生在对实际问题的研究过程中，彼此之间进行交流合作，在探究过程中以科学的解释和严密的数学逻辑为基础，认清事物发展的原理，注重在探究过程中发展自己的能力，培养科学素养和创新意识，掌握机器人实际操作的基本过程，提升动手能力。

3）情感态度价值观：通过在实际的科技情境中进行创新操作，消除学生与现代科技的隔阂，培养学生勇于创新的精神和与他人交流合作的能力，使学生真正感受到“玩中学、学中玩”，在得到“作品”的同时获得宝贵的学习过程，在“作品”创作中提升审美能力，培养艺术感。

教学内容 基于机器人教育重技术轻基础的现状，本文从两方面介绍机器人教育与STEAM教育融合后的教学内容[8]：一方面为当前机器人教育中的基础学科内容，一方面为机器人教育与科学、技术、工程、艺术和数学教育紧密相关的内容。虽然在机器人教育中也涉及这些方面的内容，但都不够深入和全面，内容相对匮乏。本文着重对第二部分内容深入组织，进行描述。

1）当前最新科学和技术概况、基本理论：学校和教育部门应实时关注当前社会上新出现的各种新科技，适时在课堂上为学生介绍新科技内容，让学生时时刻刻跟上时代的步伐，避免闭门造车，和时代脱轨。

2）与机器人教育相关的伦理安全性信息：学校和教育部门适时对学生进行思想道德教育，帮助培养和纠正学生对于机器人的观念，使学生树立正确的人生观和价值观[9]，如机器人的发展和普及对人类生活带来的便利和对人类生活带来的伦理道德问题。

3）机器人发展的过程和数学逻辑基础知识：学生学习机器人课程不能单单只是会操作，要能够了解机器人的原理和核心，这对学生发挥想象力，创新创作出作品有很大帮助。

通过这部分知识的了解，学生也可以更深刻地了解科学技术与社会之间的关系，促进与当前时代相结合。

教學策略 改变以往模仿和直接任务驱动的教学策略，融合STEAM教育以学生为主体的模式，充分调动学生的积极性，给予学生充足的时间和空间去想象，增进他们对科学、技术、工程、艺术和数学教育之间相互融合的理解，以科学的解释、严密的数学逻辑、艺术的美感、积极的态度思考和解决科学和技术问题，培养与人交流合作的态度和能力。例如：提供扩展知识内容，结合本节课所讲授的内容扩展与其相关的内容，为学生创设新鲜真实的机器人情境，开阔学生视野，激发他们的学习动力；以日常生活中可以见到的机器人事物举例，创设问题引发学生思考，解决实际问题，拉近学生与社会科技的距离，培养学生的创新能力；鼓励学生将生活中的废弃品进行创新加工并运用到机器人教育上，培养学生创新能力的同时，教育他们勤俭节约。

以刘玉田主编的《用Arduino进行创造》（清华大学出版社，2014）一书中“5.3太阳能板方位控制”为例进行介绍。实现原理：通过双刀双掷继电器，利用光敏电阻的特性使电机正转、反转和停止。教学策略：实践探索法。

创设一个“高效太阳能充电器”情境，播放一些太阳能充电板的具体实例，让学生自己思考如何才能最大限度利用太阳能能源，实现高效充电器的设计。分小组交流想法进行发表，发表小组讨论的想法和具体实现过程中可能用到的实验材料有哪些、生活中还有哪些地方可以根据自己的创意进行改进等，其他学生和教师对发表的想法进行补充。根据发表的创意性解决方案进行具体的操作实现，学生之间交流探索解决实现过程中遇到的问题，最后由教师进行补充和讲解。在创作过程中应注意尽可能将实验材料替换成环保材料或生活废弃品，如电机可以采用旧的云台，光敏电阻暗盒可以采用生活中常用的塑料盒替代，等等。

教学评价 STEAM教育以定性评价为主，评价学生的五大能力：探索学习能力；思考与问题解决能力；创意革新能力；沟通合作能力；积极人格与价值观。因此，机器人教育与STEAM教育相融合后也应该以定性评价为主，围绕学生的五大能力，强调使用更具过程性和个性化的评价形式。

教学评价不能只依据作品进行，要注重学生动手操作学习的过程和在操作过程中情感与态度的变化。例如：通过机器人教育中真实的动手操作实践，学生可能变得对机器人教育更有兴趣，更愿意了解和掌握机器人教育的相关知识，了解当前最先进的科学、技术、工程等；在作品创作过程中培养了艺术感和美感，锻炼了交流合作能力；在基础部分和动手操作环节的掌握中培养了严密的数学逻辑思维。学生在实际学习过程中在这些方面得到一定的提升，就可以说实现了教学目标，具备了一定的创新能力和科学素养。具体而言，教师可以从学生在学习过程中的态度、表现、艺术感、作品等方面来评价学生的学习效果[10]。

6 结论

将机器人教育与STEAM教育进行融合，不断完善机器人教育是十分必要的，这是一个新思路、新方向，在一定程度上可以解决当前机器人教育面临的困境，帮助培养中学生的创新能力和科学素养。而机器人教育也正处在激烈的变革时期，越来越多的新模式、新知识会加入机器人教育结构中，机器人教育会越来越成熟，体系会越来越完善，将更加健康地发展下去。

参考文献

[1]钟柏昌.中小学机器人教育的核心理论研究：机器人教学模式的新分类[J].电化教育研究，2016（12）：87-92.

[2]钟柏昌.中小学机器人教育的困境与突围[J].人民教育，2016（12）：52-55.

[3]王娟，吴永和.“互联网+”时代STEAM教育应用的反思与创新路径[J].远程教育杂志，2016（2）：90-97.

[4]王益.融入STS教育理念的机器人教学探索[J].中国电化教育，2009（3）：90-92.

[5]钟柏昌.“机器人教育”离课堂还有多远？[J].中国信息技术教育，2016（9）：4-10.

[6]陈幼峰.小学生综合能力培养的研究：基于机器人教育的实践探索[D].南京：南京师范大学，2014.

[7]赵丽.新课程下情感态度与价值观的培养[J].内蒙古师范大学学报：教育科学版，2007（4）：27-29.

[8]王丽娟.机器人教育对中学生自主学习能力培养的研究[D].石家庄：河北师范大学，2015.

[9]赵玉锋.如何在思想品德教学中加强学生德育教育[J].读写算：教研版，2015（8）：1.

[10]张骁骁.初中信息技术评价改革的探讨[J].东方教育，2014（2）：222.endprint