基于STEAM的机器人课程在小学教育的应用意义及教学实践探讨

周燕园

摘 要：在珠海香洲区STEAM大赛Makeblock Mbot机器人项目中，发现基于STEAM的机器人课程可有效发展小学生解决问题、沟通合作、实践创新等综合能力，但小学生机器人课程开发仍处于初级阶段，存在教材、师资、器械不足等一系列问题。从师资培训、教材开发、器械、学生选拔与培养等方面出发，共同探索适合小学机器人教育可持续发展的教学实践方式。

关键词：机器人课程;STEAM;应用意义;教学实践

当今是大数据、人工智能时代，科学技术日益渗透到经济建设、社会发展和人类进步的各个领域，成为生产力最活跃的因素。学生应具备的21世纪核心学习能力为信息获取与加工能力、问题解决能力、批判性思维能力、创新能力、团队合作能力、跨文化理解能力、沟通能力。为此，世界各国都将STEAM（Science科学、Technology技术、Engineering工程、Art艺术、Mathematics数学英文缩写）教育作为教育改革的重点方向。

学校开展机器人课程，可以更好地与时代新技术接轨，机器人课程是综合性、复杂性课程，是开展STEAM教育的重要平台之一。将计算机科学与教育相结合，是与时俱进的迫切需求。如何将计算机科学教育融入整个国家的课堂，是为了今天的学习者更好地为明天的工作做好准备。

随着信息技术和机器人技术的快速发展，越来越多的中小学相继开展机器人课程，但我国的机器人课程开发仍处于初级阶段，存在教材、器械、师资不足等系列问题。在珠海市香洲区首届STEAM大赛Makeblock Mbot机器人大赛中，深刻感受到机器人项目对小学生综合能力的提升有重大意义。本文希望通过分析基于STEAM的机器人课程对小学生发展的应用意义、存在的现实问题，共同探讨小学机器人课程可持续发展的教学实践方式。

一、机器人教育充分体现STEAM教育理念

1.STEAM教育的内涵

STEAM即Science科学、Technology技术、Engineering工程、Art艺术、Mathematics数学英文首字母缩写。STEAM教育来自于STEM教育，技术是指解决问题的有效工具或方法，工程是指运用科学原理去创造人工物体，数学是研究数字关系之间的科学，它们是相辅相成、相互支持，贯穿于解决实际问题中。后来人们发现人文艺术也相当重要，就在STEM的基础上加上Arts，即STEAM，STEAM教育是当今国际教育改革的潮流和方向。STEAM教育强调多元学科的融合、强调跨学科学习、强调打破传统教育学科之间的界限。创新能力的培养不应局限在传统教材的抽象和理论层面，应融入实际问题的解决中。教育的初衷是让学生学习解决实际问题的技巧和方法，学习是学生解决问题的过程，然而，传统教育只注重教材理论的教学，忽视学习的本质，不注重学生创新能力的培养，导致学生解决实际问题的能力普遍较差。STEAM教育重视实际问题的解决并注重解决问题的过程。

2.机器人教育与STEAM教育相融合

STEAM教育的理念是强调多元学科知识的融合及跨学科学习，鼓勵学生通过小组合作、自主探究等方式解决实际问题，培养学生的实践能力和创新创造能力。在机器人教育中，学生通过搭建组装零件，然后进行编程，使得机器人最终完成相应的指令，在此过程中学生学习到科学、技术、数学、工程等方面的知识，在完成任务中又会出现各种实际问题，促使学生不断完善自己的策略，提高自身解决问题的能力。所以机器人教育很好地体现了STEAM教育的理念，为STEAM教育提供了新的实践平台。同时，STEAM教育的理念又能指导人们更科学有效地开展机器人教育。

二、基于STEAM机器人教育的应用意义

1.培养学生的综合实践能力

机器人教育有着较强的学科综合性。为了让机器人完成相应的任务指令，学生需利用现有的零件搭建出能完成任务的基本架构，这涉及电子学、力学等方面的知识。完成任务的编程设计也不是一蹴而就的，学生需要不断测试、发现问题、调整再测试，这需要学生根据问题实事求是地寻求解决方法。很多时候，同样的编程，其他机器人可以完成任务，但是有些机器人就是完成不了，这时候学生就需要去对比这两台机器人的架构有何不同，可能是机械臂的角度或高度等出了问题。机器人教学也给学生提供了一个真实的情境，问题的出现是随机的，这有效培养了学生资源利用、自学、客观分析、信息采集、工程设计、敢于挑战等方面的能力。

2.培养学生沟通合作的能力

在机器人项目学习或比赛中，一般采用小组合作的形式，例如这次的makeblock mbot机器人比赛，学生两人一组，如何分工、遇到问题如何协商解决、大家思维的碰撞和交流都很好地提高学生的沟通合作能力。尤其在比赛中学生需与陌生队伍进行联盟赛，采用怎样的策略可以取得最好的成绩也需要双方良好的沟通。

3.培养学生计算机思维、逻辑思维，提高解决问题的能力

培养计算机思维最有效的方式是学习程序设计，而可视化的编程设计对小学生而言又不至于特别难。并且编程的逻辑性强，很好地锻炼学生的逻辑思维。从小接触编程，培养学生的计算机思维、逻辑思维，从而提高学生解决问题的能力，有利于学生更好地适应社会的发展和科技的进步。

4.扩大学生的知识面，加强学生对机器人相关知识的了解

学生在组装机器人、为机器人扩充接口时会学习到模拟电路、力学、数字电路等知识，编写程序也学到了编程语言等专业知识，有效锻炼自身逻辑判断思维及系统思维等能力。熟悉机器人的传感器、驱动装置，了解到单片机、数字电路等知识，对智能机器人不再陌生，减少学习人工智能等高科技的畏难情绪，有助于培养新型科技人才。

5.培养学生创新创造能力

接触多学科知识，学生能够多角度思考问题，善于利用所学知识进行实践创新。例如，学生在模拟比赛中缺秒表计时，有学生会利用闲置的机器人，通过编程制作成计时器，学以致用，不断创新。

三、机器人教育的现状

随着互联网+、信息技术、人工智能的不断发展，机器人项目开始渗透到教育行业中，最初机器人教育主要是校外的教育机构在开展，主要以兴趣班的形式，例如乐高机器人、mbot机器人、vex机器人等，各式各样的机器人比赛也是机器人教育企业在举办和推广，基本集中在校外。逐渐地，机器人教育也渗透到学校里面，例如这次的珠海市香洲区首届STEAM大赛中的makeblock mbot机器人项目就是由香洲区教育科研培训中心举办，mbot机器人企业协办，由各校的科学和计算机老师组织培训学生参赛。这就说明学校层面越来越重视开发校内机器人教育。但是，校内机器人教育的开发仍处在初级阶段，存在以下诸多问题。

1.没有专门的课程设置，缺乏系统专业的教材

目前机器人教育的开展主要以创客基地、兴趣班、校本课程、社团等形式开展，没有规范的课程标准和教学模式，缺乏系统专业或统一的教材，多半是产品说明书或用户指南，教学目标不强，评价机制不完善等。

2.缺乏师资

一部分的小学没有开展机器人教育现成的师资，科学或计算机教师课量繁重，也没有经过机器人方面的系统学习。有关机器人教育的培训不多也不系统，而且参加培训的教师也基本从零学起。

3.机器人价格昂贵、产品多样互不兼容、使用率低

目前的机器人多由企业开发，商业利益较重，不同公司产品多样不兼容，机器人也容易坏，性价比不高。只有经济比较发达的城市才有能力开展。

4.过分关注机器人竞赛本身，功利性强

目前很多地方都通过机器人竞赛的方式来推广机器人教育，很多教师过分关注比赛的结果，程序的设置不能放手让学生去研究，而是采取包办的形式，忽略了竞赛本身的意义。

四、学校如何开展机器人课程

1.学校层面上，保证课程的课时和质量

不管是以校本课程、创客、社团、第二课堂等何种形式开展，每周都要有固定的时间，按时按质量完成教学任务。课程专业系统化，有相应的教材和设备。灵活延长学习时间，常规课堂40分钟往往是不够的，当学生兴致浓厚、思维活跃、讨论研究比较深入时，可适当延长至一个半小时，直到净校时间。

2.师资层面上，从有兴趣且愿意付出和学习的老师中培养师资

给予政策福利，调动教师积极性，例如在评职称或个人评优中，辅导教师带领学生参加机器人相关竞赛获奖可相应加分等。采用小班制，一个老师带班的情况下，学生不超过20人，方便教师精细化辅导。学校可以开设多个小班，教师要注重学生发现问题、解决问题的过程，珍视他们的思维碰撞。

3.学生层面上，坚持因材施教和学生自学原则

不是所有的学生都对机器人兴趣浓厚，不是所有笔试成绩好的学生才能学好机器人，教师需遵循因材施教的原则，发现有机器人这方面兴趣和对这方面反应特别灵活的学生，鼓励他们加入。充分发挥学生的自主性，利用书籍、微课、网络等，引导学生自学。发展小帮手，让对机器人钻研比较深的学生与下一个梯度的学生形成团队帮扶学习、同伴学习及精英互助学习。

參考文献：

[1]张琳涓.STEAM教育理念下中小学机器人课程教学模式探究[J].中国教育信息化，2018（20）：26-29.

[2]何卓键.机器人在中小学教育上的应用意义探讨[J].华夏教师，2018（1）：94-95.

[3][美]国家研究理事会.美国国家科学教育标准[M].戢守志，等，译.北京：科学技术文献出版社，1999：14.

[4][美]玛格丽特·赫尼，等.设计、制作、游戏培养下一代STEM创新者[M].赵中建，等，译.上海：上海科技教育出版社，2015：12.

编辑 鲁翠红