基于STEAM教育的VEX机器人的设计与教育

杨晓丹

摘要：STEAM教育强调使学生从真实问题情境出发，以整合的教学方式传授学生所应该掌握的知识、技能和方法，学生能够对所学的知识进行应用、迁移来解决具体的问题，从而达到终身学习的目的。在这个教育越来越被重视的时代，很多知识、技术不断地创新，STEAM教育也日益受到重视。本文基于STEAM教育，提出了VEX机器人的设计与教育的流程与评价。

关键词：STEAM教育;VEX机器人;课堂;教学

虽然STEAM教育越来越重要，但在我国开展STEAM教育卻面临很多问题。在基础教育阶段也开展科学（化学、物理课程）、数学、技术（信息技术）等相应的课程，但与STEAM教育不同，我们大多是分科教育，不是STEAM教育提倡的跨学科的整合课程。对学生STEAM素养的培养并不是短时间就能完成的，STEAM教育的本质就是激发学生发现问题、分析问题和解决问题的欲望，强调科学、技术、工程和数学学科的整合，在国内应试教育的大环境下，是很难开展STEAM教育的。因为STEAM教育的重点不是成绩的提高，而是实践，在实践中领悟知识的力量，把科学、技术、工程以及数学等原理应用到实践中。而在机器人社团的课堂中，学生恰恰可以把学到的数学知识、物理知识应用到具体的项目中。

一教学课堂实践

教学课堂实践是将教学设计付诸于实践的过程。再好的教学设计，如果不进行实施，观察教学效果也只是“纸上谈兵”。本研究的教学课堂实践其实和评价是在一起的，在课堂实践的过程中，就已经涉及评价反馈了，因此这两个部分不是独立存在的。在实践的过程中就要密切关注学生的课堂表现，对于教学进行调整，来使得教学效果最优化。教学课堂实践包括课堂组织、管理与帮助以及评价反馈。

（一）课堂组织

好的课堂设计离不开好的课堂组织，本研究以社团的形式展开实施，在本课堂中，学生人数为16人，课堂活动时间为3个小时，本研究采用的是小组的活动形式，分为4个组来进行合作学习，共同来解决VEX机器人编程和搭建问题。

（二）教学流程

本研究采用以问题解决（Problem-Based earning简称为PBL）为中心的教学模式，强调以真实情境的问题为中心，注重跨学科学习，培养团队合作的意识。通过解决真实问题，学习者会逐渐获得解决一系列问题的能力，这样对培养学生的创新能力非常有好处。根据设计中的教学环节设计，在实施中教学流程如下：

1 呈现问题情境

教师根据2017年VEX机器人项目的规则提出我们需要解决的问题，来呈现问题情境，将一个VEX机器人的整体划分为几个部分来解决。该过程重在给学生提供比赛的大背景以及问题解决的思路等。

2 学生小组活动

在呈现的问题情境下，在小组活动的过程中，对于学生不会的知识，例如机械结构、程序的编写，教师都应该起到帮助作用，体现以学生为主体、以教师为主导，逐步引导学生主动学习、合作学习以及探究性学习。在VEX机器人搭建的过程比较好的一点就是谁都不知道什么样的机械结构、什么样的程序编写是最好的，目的是让学生理解规则之后来进行自己的设计，从实践中得出真知，真正将科学、技术、工程以及数学等多学科结合起来学习知识，从而培养学生的创新能力。

3 学习成果展示及总结

每次小组活动结束之后，最不可缺少的就是学习成果展示以及总结。这一步是对本次活动的一个总结，只要有表现好进度快的小组相应就要有进度慢的小组。这个时候教师就应该把每节课学生的进度给予展示，给予学生鼓励，对于进度慢的学生也要正确地引导，并且来总结本节社团活动需要掌握的学习目标，这样就可以让学生能够清楚地知道这节课的重点。

二总结性评价

机器人课程是一门跨学科的课程，具体课堂的效果如何评估，需要一套指标体系或者一套标准化的评估方法。2012年Jonathan Qrtiz提出机器人课程的评价模型，具体模型如图1所示。

该模型从7个维度来对机器人课程教学的实施情况和学生在课堂中的表现进行评价。

（一）创造力

创造力是机器人教学的比较重要的一块，它不仅是学生灵感的体现，而且包括对问题解决的合理假设，创造力包括独创性、流畅性以及灵活性。①独创性，是学生提出的问题或者解决问题的方法是否新颖。②流畅性，是学生是否部分或者完全克服课堂上的挑战。③灵活性，是学生对于不同观点的灵活表达或理解。

（二）团队合作

学习如何在团队中有效地完成任务是最终取得成功的一个要素。团队合作包括：学生围绕一个问题产生和分享自己的想法、团队间分配任务，通过观察、模仿、交流等来重建知识。

（三）动机确保

确保学生在没有学习压力的情况下，充分满足他

们对于学科、问题的要求，营造一个学习环境，以此学生能在课堂上认同自己。

1 自信，是学生完成学习任务后产生的成就感。

2 积极参与，如果学生对学习任务感兴趣，就会积极地参与活动。

3 研究，如果学生对学习任务感兴趣，就会花费额外的时间去研究所涉及的知识。

（四）问题解决

机器人课程的课堂教学过程，主要也是问题解决的过程，体现了真实情境下提出问题并通过团队合作解决问题的一种教学模式。这是一种很不错的教学模式，能够让学习者对知识的理解更深，而且能够促进自主学习，从而能够培养学习者创新能力。

1 研究，有问题就应该花很多时间去研究如何解决问题。和动机中的研究也是相通的。

2 归纳学习，是否有能力通过具体的实践来解决问题，并根据观察得出结论。

3 耐心，解决问题是一个复杂、耗时的工作，学习者应该有沉着、冷静、耐心地寻找最佳解决方案的能力。

4 毅力，学习者也应该有毅力、有恒心来寻找解决方案。

5 抽象能力，学习者要有根据以前的经验或者学习者的先验知识来解决给定问题的能力。

（五）科学技术

通过机器人课堂对学习者的引导，学习者能够产生对技术发展的兴趣以及对未来某些科技领域的研究兴趣。

1 技术流畅，学习者对技术发展的兴趣。

2 科学亲和力，是学习者对科学研究的兴趣，从而产生对未来某些科技领域的研究兴趣。

（六）基础科学应用

学习者从数学、物理等理论学科中获得解决实际问题的知识。

1 数学，是由抽象实体（数字、形状、符号）之间的属性和定量关系等产生的知识。

2 物理学，在机器人课堂的学习中所接触到的物理学知识，例如力学、电磁学等领域的知识，能夠通过实验进行验证进而能解决问题。

（七）工程应用

学习者从电子、机械、计算机科学、计算机系统和编程等领域中获得的解决实际问题的知识，这些实用的知识对技术的发展至关重要。

1 电子学，有能力理解电子学领域的原理。

2 机械学，能够理解机械学领域的原理。

3 信息学，能够简单地掌握一定的信息学知识，例如算法等。

4 计算机科学，能够熟悉计算机的使用，与计算机进行交互。

5 程序设计学，能够开发给定问题的解决方案的代码、算法。

结论：

STEAM教育为VEX机器人的设计与实现奠定了基础、指明了方向。VEX机器人为STEAM教育提供了操作平台，供STEAM理论进行实践。相信在不久的将来，VEX机器人会被普及在各级学校教育中，为促进STEAM教育、学生综合素质的提升注入自己的力量。

参考文献：

[1]马云霞. STEAM教育理念下师范院校机器人教学实践研究[D].陕西师范大学，2017.

[2]赵晓慧. 基于项目式学习的小学机器人课程设计研究[D].陕西师范大学，2018.

[3] 王娟. STEM整合视野下的机器人教学活动设计[D].温州大学，2014.