针对中学生创新能力培养的机器人课程教学模式探究

罗莎 何济玲

摘 要：当前机器人课程作为机器人教育的载体，在STEAM教育的影响下，逐渐生成一种新型教学模式。文章阐述了基于STEAM教育的中学机器人课程的内涵及优势，分析了机器人教育的现状和问题，在此基础上提出了针对中学生创新能力培养的机器人课程教学模式，并以初二学生为研究对象，设计了地铁检票口机器人教育课程，并对其教学过程和效果进行介绍。

关键词：STEAM教育;机器人教育;教学模式

中图分类号：G420         文献标志码：B           文章编号：1673-8454（2019）06-0026-04

一、引言

1919年，陶行知先生第一次把“创造”引入教育领域，他在《第一流教育家》中提出要培养具有“创造精神”和“开辟精神”的人才，培养学生的创新能力对国家富强和民族振兴有重要意义。当前，培养儿童的创新能力主要以积木、橡皮泥等玩具为主，落实到学科教育上是以搭建、简单编程为主的机器人教育。[1]

目前国内对于机器人的关注点主要在比赛上，如FLL等大型的机器人比赛。过度关注比赛使机器人教育理论研究严重匮乏，导致机器人教学缺乏有效的理论指导，难以深入到课堂。[2]美国前总统奥巴马大力推进这种综合课程的实施，旨在从小培养学生动手、创新、综合运用科学知识的能力。[3]

STEAM教育的出现可以解决机器人教育遇到的问题，为机器人教育课程设计带来新的思路，推动机器人教育的发展。本文主要介绍基于STEAM教育的中小学机器人课程的内涵及优势，分析了目前机器人教育的现状和问题，提出了针对中学生创新能力培养的机器人课程教学模式，以及在STEAM教育理念指引下，以初二学生为研究对象，设计地铁检票口机器人教育课程，期望为致力于机器人教育研究的同行提供更多的借鉴。

二、现代教育理念指导下的机器人教育

1.机器人教育理念

科教兴国是我国的基本国策。目前科学月、科技周、爱科学活动等全国推广的各项科学活动，使得全民对于机器人教育非常重视。《国务院办公厅关于印发全民科学素质行动计划纲要实施方案（2016-2020年）的通知》再次提出全民科技教育，重点主抓四类人群，其中重点之一是青少年的科学素质教育，符合未来教育发展趋势，社会认同度高。机器人教育最重要的是创意理念，教师鼓励学生在操作机器人的过程中发现奥妙，发挥想象力，主动选择方法操作机器人，即使是天马行空的制作也没有关系，时间长了学生的创新能力自然就提高了。

2.STEAM教育和机器人教育

STEAM教育源自美国，在美国的重要性以及普及程度远远高于其他国家，在美国大部分中小学都设有STEAM教育的经费开支，而STEAM也被教师、校长、教育家们时常说起。STEAM本身强调的是一种学生动手解决真实世界问题的学习方式，鼓励试错的教育理念，在团队中学习表达与接纳的教学方法。强调学习的过程的STEAM教育和机器人教育的思想不谋而合。[4]基于STEAM教育的机器人课程则是指在机器人课堂上，利用STEAM教育多学科融合的思想，将机器人的知识分解为数学、物理等多个学科，通过相关学科知识启发、诱导学生思考、探索创新机器人的理念，学会将学科知识迁移到生活的方方面面，建立知识间的联系，培养学生的创新能力。通过大量文献的阅读，笔者总结出在STEAM教育理念指导下的机器人课程教学的几大优势。

1.共享学科知识，打破单学科限制

基于STEAM教育的机器人课程打破了学科界限和知识体系，按照学生发展的阶段，以社会和个人最关心的问题为依据组织教学内容。传统的教学，思考方法较为单一，在数学课堂上不会想到物理知识点。在经济快速发展的当下，社会需要综合性的创新人才，需要将各个学科知识结合起来，生成新的知识点，为社会提供新的想法。年轻人作为推动社会发展的新鲜血液，需要不断地提高创新能力。

2.满足学生求知需求，提高创新能力

在知识大爆炸时代，为了跟上时代的步伐，必须通过不断学习，提高自身知识储备量和创新能力。创新能力如何培养呢？重点应在以下几个方面：激发学生学习的求知欲望，培养丰富的想象能力。大量的事实证明，如果学生根本就没有对一件事物的好奇心和强烈的求知欲，即便他们掌握了一定的创新方法和技术，也很难有实际的、有价值的创新行为。因此需要培养学生发散思维和收敛思维，重视学生的思维变通性。在终身学习理念的推动下，学生可通过学习机器人，提高本身的学习能力和社会竞争力。[5]

三、目前机器人教育的现存问题

开展机器人教育必须以学生为中心，详细了解学生的优缺点，发展每个学生的能力和信心。通过相关文献可以发现目前机器人教育存在以下几个方面的问题：

1.课堂模式单一，缺乏趣味性

大多数的机器人课堂是由信息技术教师来讲授，这类教师擅长操作和讲解软件，但不擅长给学生讲授机器人搭建。因此，大多数教师按照语文、数学的授课方式讲课，导致机器人课堂授课模式单一，缺乏趣味性。课堂教学主要围绕教师讲授展开，不能体现学生的主体地位。在这种学习模式下，学生只注重一方面能力的锻炼，忽视各方面能力的共同发展。长期学习下去，学生对机器人学习的兴趣会逐渐降低，创新能力得不到提高。

2.機器人教育理论缺乏

20世纪70年代，中国学术界便开始研究机器人教育。但研究人员把注意力都集中在了机器人比赛上面，造成了机器人教育理论研究的严重匮乏，最终导致机器人教学缺乏有效的理论指导，难以深入到课堂。[6]可以说，当前“机器人教育”的发展状况明显滞后于“机器人比赛”的发展，“课程设计”的研究明显滞后于“比赛规则”的研究。

四、中学生创新能力培养模式

在新科学技术革命浪潮的推动下，在知识经济、信息化和全球化的冲击下，科技进步已经成为经济发展的决定性因素。日趋激烈的国际竞争，归根到底是人才的竞争。人才的培养关键在于教育，我们必需全面推进素质教育，培养具有创新精神和创新能力的高素质人才已经成为我们在未来竞争中赢得主动权的关键。“创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力。”[7]为了更好地发展机器人教育，解决原有模式中的问题，提高学生的创新能力。笔者结合目前机器人教育课堂教学成果、机器人竞赛等，提出图1的新教学模式。

在教育系统中，最重要的是学生、教师和教学环境，以往的机器人教育只注重学生和教师的关系，课堂教学的有序开展以及培养创新能力的教学目标被忽视。新教学模式将培养学生的创造力放在第一位，课前和课后可以更好地帮助学生联系生活实际、发散思维、创造性地解决问题。

该教学模式共包含三个环节，分别是机器人授课之前、授课过程中、授课结束后。其中，授课过程中是中心，包括展示成果、讲解相关知识、搭建编程、操作制作好的机器人以及撰写实验报告五个阶段，主要采用“课前引起思考、课中讲授探索知识+课后迁移提升”的三重创新培养模式。学生课前利用一切生活和课程资源思考教师提出的问题，课中积极探索，遇到不懂的问题咨询教师，课下根据自己有兴趣的版块制作有趣的机器人。整个过程思维发散，易于使学生形成自我的设计思维，在编程的过程中形成严密的逻辑思维，通过教师的教导，学会将生活中碰到的实物抽象成学习过的知识点。

整个教学过程是在开放且愉悦的环境中完成的，更有利于培养学生的自主性。课后学生制作的机器人作品可以分享到机器人课堂上，给更多的学生做榜样，激发学生的竞争意识。所有的课程，教师均参与其中，但不对学生作负面的评价，可以积极鼓励、夸赞学生。通过这样的方式形成以学生为中心、教师为指导者的教学模式，极大地开发学生的创新思维和创新能力，解决学生原有的学习倦怠问题。

五、基于STEAM教育机器人课程教学活动设计

1.课前

上课之前，教师要对学生进行充分的学情分析。[8]机器人教育包括数学、物理等学科知识，所以在上课前要充分了解学生是否已经掌握了这部分内容，以方便后续的教学。同时教师要在课前制作出成品机器人，准备给学生展示，引导学生思考。上课前告诉学生下一节课要学习的机器人，激发学生学习的兴趣，引导学生在生活中找实际的例子。以地铁检票口机器人为例，教师利用实例图片、视频等显示，展示地铁检票口的效果，了解观察检票口的工作原理。教师要在上课之前制作一个地铁检票口机器人成品，以方便后续教学。

2.课中

授课过程中，首先，教师展示制作出来的地铁检票口机器人，结合机器人的动作，讲述对应的工作原理。教授相关学科知识，例如传送带、电学知识、摩擦力等，把学科知识讲述清楚。当学生把学科知识掌握了以后，教师介绍制作地铁检票口用到了哪些元件，例如主机、大型电机、超声波传感器、颜色传感器等，剩下的时间就可以交给学生，让学生根据教师的提示拼装机器人。这个时间很重要，很多学生会天马行空地产生很多拼装想法，教师要做好正确的引导，帮助学生顺利地完成拼装。 拼装完成后，学生有很大的成就感，这时教师开始指导学生学习编程，在这个过程中可以锻炼逻辑思维和编程思维。编程较难，需要教师付出更多的努力，耐心讲解。编程完成后，就可以试试自己制作出来的机器人，在学生完成这一系列的操作后，对机器人的兴致非常高，这时候教师发一份报告让学生填写，报告内容包括学到的学科知识、功能是否实现、存在哪些不足、对自己本节课的不足进行反思。最后一个环节是布置课后任务，让学生根据这节课的内容，创新一个同类机器人。

在上课过程中，家长可以通过透明玻璃窗安静地观察课堂，查看孩子的上课情况。家长可以通过学生的表情、发言次数、肢体动作等分析学生目前的学习状态。教师根据分数适当地调整教学策略，让学生达到最佳的教学状态，使教师的教学效果最优化。

3.课后

在课后，教师通过QQ、微信等社交工具将学生和自己联系起来，学生可以将自己创新的机器人作品发给教师看，教师为学生提供正确的建议，使学生通过整个学习过程，最终达到知识迁移、提高创新能力的目的。

4.预期结果

“把学习带到现实中，让孩子用自己的力量创造改变，可以直接提升他们的幸福感和竞争力。”这是“全球孩童创意行动”的发起人——Kiran Sethi在TED演讲时所说的一句话，这个行动旨在引导中小学生主动寻找现实问题，并创造性地解决它。

世界经济论坛发布的“2020年人才市场最看重的10项技能”中，把“Complex Problem Solving（解决复杂问题）”放在了第一位。[9]世界上所有注重创新教育的国家和地区，都极其注重训练孩子解决现实问题的能力。

具体如何训练呢？笔者期望通过机器人课堂教学法来进行创造力训练。通过机器人课程能培养学生的设计思维、逻辑思维、计算思维、编程思维和抽象思维，锻炼学生的动手能力、探究能力、抗挫能力、分析和解决问题的能力。机器人技术综合了多学科的发展成果，代表了高端技术的发展前沿，机器人涉及到信息技术的多个领域，它融合了多种先进技术。将机器人教学引入课堂，能给中学的信息技术课程增添新的活力，成为培养中学生综合能力、信息素养的优秀平台。

六、小结

1.巧妙的课前引导机制，保障教学质量

新课程教学在教与学方面要求多项交流、交往、互动。教师应该主动走到学生群体中，参与学生的学习与生活，成為学生学习强有力的支持者。如果没有教师的正确及时引导，学生的学习可能会偏离教学目标，学生的学习可能要走弯路。由此可见，真正落实以学生为中心，有效促进学生各种思维的发展，教师恰如其分的课堂引导无疑极为重要。[10]课堂教学前，教师通过播放视频、展示图片等给予学生正确的引导，带动学生去主动地思考，联系生活实际发散思维，教师积极的课前引导保障了课堂的正常进行，学生能全身心投入课堂学习，保障教学质量。

2.开放的课堂教学，培养学生的创新能力

现代社会，科学技术突飞猛进地发展，知识经济已崭露头角，国际竞争日趋激烈。各国之间的综合国力竞争，便是人才之间的竞争。[11]未来的人才是创造型的人才，参与竞争的重要条件就是具备独立获取信息的能力，掌握学习方法。现代对人才的要求越来越高，这是社会发展的必然趋势。而中学生作为新时代的接班人，他们肩负着重大的责任，而我们从事中学工作的教育者，必须具有更高的创新意识和培养创新型人才的观念。特别是机器人教育这一科目，它是培养创造力的基础。要培养中学生具有创造能力，必须注重课堂教学，实施开放式的课堂教学结构，大胆创新，发掘学生的思维潜力，把课堂主动权还给学生，以学生为中心，发挥学生的主体地位，鼓励学生善于发问，重视培养学生的竞争意识、善于团结协作的精神。

参考文献：

[1]张升堂，谢鲲.高等教育培养专业人才创新能力的实践探讨[J].中国电力教育，2013（4）：27-28.

[2]王同聚.基于“创客空间”的创客教育推进策略与实践——以“智创空间”开展中小学创客教育为例[J].中国电化教育，2016（6）：65-70+85.

[3]傅骞，王辞晓.当创客遇上STEAM教育[J].现代教育技术，2014，24（10）：37-42.

[4]王良.徜徉于看得见与看不见的历史之间[J].中国民族教育，2017（5）：44-45.

[5]楊建树.小议计算机教学中的创新教育[A].中国教育教学丛书编委会.中华教育理论与实践科研论文成果选编（第五卷）[C].北京：北京燕山出版社，2013.

[6]王同聚.“微课导学”教学模式构建与实践——以中小学机器人教学为例[J].中国电化教育，2015（2）：112-117.

[7]夏仕诚，王帅.谈初中数学教学中学生创新能力的培养[J].数学学习与研究，2017（24）：40.

[8]王蕾.高校课程实践教学环节的创新——以策划学课程为例[J].贵阳学院学报（社会科学版），2017，12（3）：88-90+104.

[9]李琳.基于机器人教学的高职高专学生创新能力培养[J].科技创业月刊，2017，30（20）：77-78.

[10]于霜.高职院校工业机器人创新实践教学研究[J].科技创新导报，2015，12（20）：25.

[11]吴喜娥.基于多元反馈教学法的学校体育田径教学创新研究[J].河南广播电视大学学报，2016，29（4）：99-102.

（编辑：李晓萍）