基于智慧课堂的STEM教育产品设计

鲁艺，刘键，张印帅，王晓烨

1.北京工业大学，北京 100124；2.联想集团有限公司，北京 100085

STEM 教育源于美国科学委员会发布的教育报告[1]，跨学科及对不同学科的整合是STEM教育的核心思想，项目式学习则是STEM 教育的独特课程组织方式。在发展早期，STEM 教育比较偏重如物理、工程、计算机等工程类知识的跨学科学习方式。随着艺术教育的不断加强，STEM 在实际教学中得到了越来越广泛的应用，更多的人文学科融合到了STEM 教育领域中，美国学者Georgette Yakman 还在教育论坛上提出STEAM 概念[2]，倡导以新加入的“A”代表艺术（Art），同时还涵盖美（Fine）、人文（Liberal）、形体（Physical）、艺术（Art）等更丰富的意义。

STEM教育中的四门学科是以整合的方式培养儿童学习理论的能力、掌握实践知识的能力，以及灵活运用所学习的知识来解决实际遇到的问题的能力，并不进行固定模式的教育，而是依托儿童平时生活所遇到的问题来进行教育，让儿童真正产生浓厚兴趣，培养自身向日常生活迁移的科学意识和能力。目前Scratch是全球用户量最多的STEM 教育工具，它所面向的是七岁以上无年龄上限的用户，这种定位野心勃勃，但在实际使用时年长用户会认为界面过于幼稚，而对于低龄用户而言工具的使用方法又不易理解。因此，在用户年龄层的选择上，本课题更倾向于与Scratch JR 保持一致，即面向用户为6～10岁的学龄儿童。考虑到他们自身的逻辑思考能力和文字的识别数量等，这一年龄层的产品也更能体现设计驱动的价值。对于该年龄段儿童，最关键的部分就是趣味性，因此STEM课程内容的设计一定要把知识与兴趣结合，启发儿童潜在的学习动机。游戏是儿童的天性，STEM 教育中教师往往把活动内容游戏化，让儿童快乐地学习抽象的科学内容。同时STEM 教育强调团队协作，开展群体性的知识构建，让儿童共同活动或分组活动，一起搜集和整理资料来分析问题，通过会话分享自己的看法，提高沟通能力。

一、国内外STEM教育研究现状

STEM教育在20世纪发源于美国，21世纪在全球范围内盛行，而我国大多数关于STEM 教育的信息源直接来自于美国，因此在国际比较上，本研究主要对中美两国的STEM教育进行论述。

（一）国外STEM教育研究现状

1986年，美国国家科学委员会发表了有关本科院校的科学、语言和工程专业教育报告。2006 年，美国时任总统布什在“美国市场竞争力新计划”中提出了系统培养具有STEM人文素质的技术人才是教育的长期目标之一，并将其称为提高全球整体竞争力的关键点。2009年，美国国家科学委员会代表美国国家科学基金会发布了《改善所有美国学生的科学、技术、工程和数学教育》，明确指出大学前的STEM文化教育是成功帮助美国建立强大领导力的基础，并且应该是美国最重要的任务之一。2016年，美国研究所与美国教育部综合研讨会联合发布《教育中的创新愿景》，提出在实践社区、活动设计、教育经验、学习空间、学习测量、社会文化环境等方面促进STEM 教育发展，以确保各年龄阶段以及各类型学习者都能享有优质的STEM学习体验，解决STEM教育公平问题。因此，美国一直在加大对STEM 学校教育的投入，积极鼓励部分学生辅修科学方法、各种技术、工程建设、数学和物理，系统地培养他们的智力水平和文化素养。

（二）国内STEM教育研究现状

尽管中国在STEM 文化和教育浪潮中起步较晚，但其快速发展趋势不可低估。2008年，陈超和其他学术领域的学者对美国高中建设的STEM 进行了梳理，并进一步扩大分析范围，提出了美国STEM 教育策略。自2013年以来，中国STEM学校教育相关研究进入了全面快速发展的早期阶段，2016年呈现爆炸性增长。在实践层面，江苏省同步启动了第一个学校STEM教育项目，并于2016年宣布成立第一批二十六所STEM和教育工程学校。2017 年江苏省教育厅进一步推进和扩大试点工作范围，从幼儿园、小学到初中，共选择了二百四十三所试点学校。在政策方面，2016 年6 月教育部发布的《学校教育网络化“十三五”发展规划》明确提出，在新兴阶段完成中国教育任务的两个方面之一，即积极探索其他信息技术及其在教育中的应用。STEM 教育的重点是增强学生和教师的创新思维观念、不断创新的技术能力和促进部分学生全面持续发展。2017年2月，新发布的《义务教育小学科学课程标准》首次从官方的角度提出了STEM 的标准。我国目前对STEM 教育的理论探索、学校教育的具体实践和有关教育政策均有明显发展。

但是实际上，我国的STEM 教育还处于理论体系的早期探索、共识形成和实践初期。与美国等发达国家相比，中国及其他有关国家战略思想的具体规划资源非常有限，因此难以系统地形成健康、安全和有秩序的基本保障体系。中国目前课程学习新体系相对较小，学科文化和教育历史悠久，STEM教育相比学校教育仍处于边缘地位。另外，在教学资源、师资力量、评价标准等方面，我国STEM 教育仍然面临着诸多问题和挑战。为了更好地保障我国STEM教育有效开展，通过选取CNKI和Web of Science数据库作为来源，运用内容分析法对比分析2008到2017年间的国内外STEM教育相关文献，从发文时间与载文量、研究对象、研究主题等方面梳理相关文献，比较了国内外STEM 教育的相似之处，为我国STEM 教育的研究成果和具体实践提供了完整的启示和有力的建议。

二、市场调研与产品功能

（一）现有STEM产品的功能形态与特点

随着国内外STEM 教育的兴起，各大品牌争先推出了相关产品，笔者针对一众热门STEM 产品进行了市场调研分析，总结见表1。

由表1数据可以看出，多数STEM教育类套件都是以模块化结构为主的产品，具有丰富的色彩以及较多样的拓展性，可以为使用者提供强大的拓展创新功能。

（二）现有STEM产品的玩法

现有STEM教育产品的玩法大致分为以下三类。

1）积木拼搭型，见图1（图片来源于Koov及LEGO EV3官网），需要大量简单的零件进行预先设定或自由组合，搭建形式多样化，配色十分丰富，能够让儿童充分发挥想象力、创造力，但难度在STEM产品中也是相对较高的。用户在搭建时可以运用到很多编程、结构、电子知识。

2）硬纸板等特殊材料为核心模块型，用于扩展现有的小型玩具，做成以较低成本来实现更多功能的模型。此外，进行模块安装的时候还可以增加儿童的乐趣。同时纸板材料还可以制作个性化小型玩具。以特殊材料为核心模块型见图2（图片来源于Nintendo LABO及Makeblock Neuron官网）。

3）机器人独立玩具型，见图3（图片来源于Matatalab及Cubeto官网）。这种类型玩具虽然不能在一定程度上完全改变它的基本形态和功能，但可以学习用各种方式来设计竞技游戏，以达到娱乐和学习的目的。此外，还有一种物理编程方法，即通过许多替代编程语句来代替小玩具模块的模式拼接。

骨科临床实习是学生对于理论知识向临床实践转变的重要过程，当前的医疗制度改革与社会医疗需求对临床实习教学提出更高的要求[1]，探索一种新的提高教学质量的骨科临床实习教学模式具有重要意义[2]。PBL是以学生为主体临床教学方法，对提高学生综合素质有积极作用[3-4]。近年来骨科学各种新理论、新技术不断更新，3D打印技术的应用极大地提高了骨科临床与教学的质量[5]。因此，本研究以胫骨平台骨折为教学模型，对传统教学方法与新型教学方法（3D打印技术、PBL教学法）的教学效果差异进行比较评价，现报告如下。

目前，各种品类的STEM 教育产品都具有很强的趣味性，以用户体验为中心，注重提升儿童的学习兴趣，引导STEM课堂教学课程的顺利开展，确保课程内容符合用户群的学习认知特征。

表1 市场竞品分析

图1 积木拼搭型

图2 特殊材料为核心模块型

图3 机器人独立玩具型

（三）现有STEM产品存在的问题

针对现有玩具主要的三类玩法以及用户的体验反馈建议，总结出STEM产品主要存在以下问题。

如在LEGO 拼接的过程中，产生碰撞后外部干扰之间的实际关系会发生变化，儿童经常被困在这里。要搭建一辆稳固的车并不容易，这是因为LEGO 模块是用圆锥形螺栓固定的，车后的重物至少要用两点固定，但儿童无法理解这点，需要老师的帮助引导。此外，一些对于拼插没有兴趣的儿童表示，他们认为拼插是一种时间上的浪费。

无论是前面提到的自由拼搭，还是瓦楞纸等低成本材料所构建的配件，对于想法天马行空的儿童而言似乎都是不够的。儿童不喜欢按部就班地照着说明书搭建模型，他们喜欢加入一些自己的想法和元素，如果搭建方式有太多限制，可能会影响他们的创造力。

机器人独立玩具型不再引入拼搭，而是要求儿童与某个预先设定好功能的智能终端进行互动。在使用中会发现，例如Cubeto等终端显然由于其过于简约或功能化的外观，使得儿童无法与其构建起情感联系，难以体验实体互动的乐趣。

三、用户需求分析

课题目标用户群定位在6～10 岁的K12 儿童群体。这个年龄段的儿童对科学实验等相关活动非常感兴趣，校内外课堂经常开展一些创造性的科技活动，STEM 教育的融入可以将各学科知识串联起来，加强学科知识在实际情境中的运用。该年龄段儿童已经具备精细动作能力，可以对大量较复杂的零部件进行操作，按步骤搭建或根据自己的喜好创造新玩法。同时，该年龄段用户也比较喜欢游戏竞技、合作与分享，在课程设计中加入竞技、对抗的玩法会增加STEM 教育的乐趣，促使STEM课堂教学顺利展开。

图4 颜色偏好分析

图5 外观偏好分析

图6 功能偏好分析

四、STEM教育产品设计过程

（一）设计定位

以6～10岁儿童为主要用户，设计一套基于智慧课堂的STEM 教育产品，以模块化的智能硬件产品结合图形化编程应用软件为原型。一方面，通过一系列动手与动脑结合的操控能力和逻辑思维能力训练，提升儿童的创新思维和技术水平。另一方面，产品区别于当前同质化的教育产品，以创新的体验、炫酷的造型、科幻的特征等设计语言来吸引儿童。

（二）产品构思

根据前面的产品定位，进行深化和模型制作，见图7。主要的设计流程如下：（1）确定产品的基本使用方式，明确功能定位；（2）将涉及到的功能模块进行匹配设计；（3）设计配套转换模块（机器人变成小车）；（4）设计模块的具体形态和细节。

笔者尝试用Arduino 套件搭建模型框架，测试其交互可行性，经过多次调试后进行外观造型和内部结构的方案建模，并且将部分配件3D打印后进行实物测试，确保元器件和外型结构能够完美搭配，草模原型搭建见图8。

（三）最终方案

本体包括核心、外甲和四肢。而核心内置一块基于Arduino的编程主板，具有四个电机接口、四个改良的4pin接口、一个Micro USB接口，内部结构与四肢结构见图9。

拓展模块包括三十六块LEGO 型积木，四台模块化电机，可以搭建成小车状态。将主体的核心部分插入，可以组合成具有竞速、避障、巡线等不同玩法的小车形态。同时可以购买更多LEGO系配件来搭建个性化的STEM玩具，与好友分享创造的喜悦，拓展模块及主体部分效果见图10—11。

（四）产品可用性测试

图7 设计创意草图

图8 草模原型搭建

图9 内部结构与四肢结构

图10 拓展模块三视图

图11 主体部分效果

图12 学生使用产品测试

产品测试阶段中，通过对承德市滦平县火斗山镇一百多名学生使用STEM教育产品的情况进行观察记录，来验证学生对STEM教育产品的使用兴趣情况，见图12（图片来源于联想研究院）。首先利用观察法，邀请四位引导老师和21位学生，利用课堂的2 h，观察引导老师和学生的互动以及学生在完成的过程中遇到的问题；其次还有问卷和访谈法，即邀请21位同学，利用课后的15 min时间，分组引导学生填写体验问卷；在活动结束后，邀请一位副校长，进行时长40 min的访谈，一对一深度了解学校目前的教学情况以及他对STEM教学的态度。同时邀请3 位培训讲师（云计算工程师两位、AI Lab工程师一位，两男一女），进行时长60 min的经验分享，讲述培训内容及在课上引导过程中的体验感受、问题及建议。在本次测试中，老师、同学、企业培训师对STEM LEGO 编程的形式和内容，普遍持认可态度，认为该内容有助于培养学生的动手能力及逻辑思维能力，但也发现了产品设计中存在的问题：（1）产品不适合常态化学习，目前的内容与学习的关联性不强，无法与常规教学内容结合；（2）准备环节耗时长，学生注意力无法集中，由于课堂时间有限，应该让学生将注意力集中在拼搭环节；（3）安装及原理指导说明不详实，部分操作无法理解，指导说明需要更详细的资料，如操作步骤拆解展示、安装位置明确标识、部件及组装的工作原理等；（4）编程界面及交互方式待改善，例如界面找功能不便利、无法快速找到相关功能入口，拖拽交互时必须要对准凹槽，操作方式不友好等；（5）界面视觉设计需优化，尤其是可视化图形编程部分；（6）不适宜零基础学习，产品内容需扩展，建议通过内置多种模板式程序，实现直接连接操控，可修改参数提升学习速度。具体的学生体验满意度测试结果见图13（图片来源于联想研究院）。

（五）品牌设计

图13 学生体验感受满意度

图14 标志品牌设计

该STEM教育产品命名为“AMIGO”，中文译为“朋友”，代表着一方面设计者希望用户能与好友一起分享搭建智能玩具的喜悦，另一方面设计者希望“AMIGO”能像朋友一样陪伴儿童成长，同时设计者也希望儿童能将“AMIGO”当作自己的朋友。标志采用蓝色为主题色，一条红线贯穿标志，将“朋友”连在一起。同时，标志底色和字体配色可随使用场景进行变化，象征着“AMIGO”不断发展，STEM 教育与时俱进的内涵，标志品牌设计见图14（笔者自绘）。

五、结语

本课题分析了基于智慧课堂STEM教育的儿童需求及产品设计应用。通过对智慧课堂STEM课程的需求提取，最终设计开发一套基于实体交互的模块化、情感化智能机器人产品“AMIGO”。产品创新之处一方面在于构成方式上的创新，通过“主体模块+扩展套件”的方式来尽可能拓展STEM教育产品的多种模式；另一方面，在使用方式上既可以进行单人游戏模式，例如避障、寻线、讲故事等，也支持多人合作与对抗游戏模式，例如搬运货物、竞速比赛、格斗等，同时未来还可以扩展更多模块，例如无人机模式等。在未来的工作中，笔者将继续对产品教学内容的创新性互动方式进行探索，同时将进一步完善用户研究实证实验，针对儿童在体验中的实际问题优化产品的迭代设计。