STEM视野下小学机器人教育的特点及启示

李 明

（福建幼儿师范高等专科学校信息科学学院，福建 福州 350007）

1 引言

STEM代表Science、Technology、Engineering、Mathematics，源于美国，被世界多国的教育实践证明能够有效帮助培养学生掌握适应未来的关键能力，有利于推动科技创新、人才培养。世界多国从国家战略的角度制定了STEM发展战略、政策等，在学前教育、基础教育、高等教育、职业教育中广泛开展了促进STEM教育和专业人才培养的课程及项目，积极探索和发展STEM素养。

2016年，我国教育部《教育信息化“十三五”规划》指出：“有条件的地区要积极探索跨学科学习（STEAM教育）”。教育装备研究与发展中心2016年工作要点中，把STEAM课程作为创新创造教育研究的中心工作，各省市的教育部门纷纷采取措施支持STEM教育的发展。2017年，教育部《义务教育小学科学课程标准》中指出：“倡导STEM跨学科学习方式，以项目学习、问题解决为导向组织课程”。《2019中小学机器人教育调研报告》指出，中小学机器人教育的课程实施与教学实践、教材与STEM理念在深度对接的过程中，面临诸多的挑战。故借鉴国际上优秀的STEM课程对于我国推动STEM课程发展具有重要的意义。美国STEM教育起步早，且其理论的研究和实际应用已相对完善，因此本课题对美国小学阶段的STEM课程体系和与机器人教育相关的优秀课例进行了梳理、分析，为当前的机器人教育提供具有现实意义的建议和启示。

2 国内外机器人教育现状

2.1 国外小学阶段机器人教学现状

在美国，机器人与编程教育课程在幼儿园、中小学课堂上备受欢迎。早在1986年，麻省理工学院(以下称MIT)就开始与丹麦乐高公司合作，研发并推出了可编程的积木式机器人。MIT媒体实验室的终身幼儿园项目是专门为青少年儿童多样化的学习需要而开发和研制软件、机器人教具等[1]。目前MIT已发布了涵盖K12到大学阶段的机器人课程。美国其他的一些智能机器人实验室也在探索和设计机器人教育课程，例如卡内基·梅隆大学(以下称CMU)的机器人学院，以ROBOTC作为基础，发布了从K12到大学阶段的机器人技术专业课程体系[2]。美国多个州的中小学都将机器人教育活动的内容纳入了技术教育课程体系中，例如南卡罗来纳州在技术教育课程体系中，要求学生了解自动化技术、机器人和人工智能技术等[3]；在犹他州的K12核心课程设置中，要求学生对机器人技术有所认识和了解[4]；纽约州的Chapin学校在2～5年级的学段课程中都开设了ROBOTICS[5]；宾夕法尼亚州发布了K-12 ROBOT课外活动方案[6]。还有一些学校，广泛组织学生参加各类机器人竞赛，通过这种方式达到科技教育的目的。

2019年，加拿大萨斯喀彻温省发布“RoboX”计划，通过培训教师、举办工作坊等方式，推广编程和机器人技术[8]。日本高度重视机器人教育的低龄化和机器人知识的全民推广，2008年出台了“i-Japan战略2015”，鼓励中小学组织参加各类机器人设计和制作大赛，以提升学生的科学素养及机器人技术的应用能力[9]；2015年发布的“日本机器人新战略”，提出推广机器人知识的全民普及化。在韩国，小学机器人教育以校内课后班的形式进行。自2010年起，韩国教育科学技术部开始深入研究构建韩国机器人学习系统，旨在实现教育与科学技术交叉整合的科学有效性。

2.2 国内小学阶段机器人教育的发展现状

2000年，北京景山学校率先举办了智能机器人的课外小组实践活动，在2002年进行了智能机器人专业课程的教学实践试验。随后，陆续有中小学在校本课程中进行了探索，尝试“机器人活动进课堂”。2005年，哈尔滨市率先将《人工智能与机器人》技术实践课程作为信息技术教育的一部分，正式将机器人课堂教学引入试点学校。

当前，国内有条件的学校都已进行机器人教育的尝试。教室环境下，师生针对某个特定主题，开展学科整合应用的探究活动，完成学习任务。常见的做法是以校本课程、社团活动、综合实践课等方式，没有普及到每位学生。此外，机器人教育师资通常由数学教师、信息技术教师等兼职，以竞赛为导向，组织学生展开机器人操作、编程等综合实践活动。据调查[10]，不少学生家长认为学校应承担机器人实验室的建设，组织学生参加相关竞赛活动，这表明国内家长认可STEM理念下多学科融合的机器人教育。

3 STEM与机器人教育的联系

3.1 STEM教育

有关STEM教育的概念最早源于20世纪80年代，其中各学科含义及相互关系见表1。STEM含义一直在不断扩展和延伸。

表1 STEM学科含义及关系

3.2 STEM教育理念下的小学机器人教育

STEM教育指引下的机器人教育具备学科交叉的特点，更有助于学生对习得知识的有效构建，重在学以致用。文献[12]中，在幼儿园到二年级学段，利用KIWI机器人套件和图形化编程完成机器人课程。结果表明，在幼儿园教育阶段，孩子们就已经能够掌握基本的机器人和编程技术，而小学生能够在相同的时间内，利用机器人套件和编程语言，掌握更复杂的概念。

4 机器人教育课例分析

4.1 课例要素分析

机器人教育作为美国STEM教育国家项目计划“项目引路”的重要内容，在课程设计上有明确的教学要求和体系性。具体分析如下：

（1）创设以真实情境为主的导入实验项目，激发学生的探究兴趣

实验项目导入大多是模拟真实生活中的情境或提出问题，对于生活中的现象特别是跟已有认知存在冲突的现象，学生们都抱着强烈的好奇和积极探究之心，进而引发学生们的思考，促进学生理解知识、内化所学的知识，在实际生活和所学的学科知识间建立联系。强调“做中学”，构建趣味型课堂。

（2）推进实施跨学科交叉，培养学生解决问题的能力

机器人教育课程具有多学科交叉、跨学科的特点。在小学机器人与编程教育中，需要逻辑缜密并关注项目涉及的其他学科内容。学生在进行机器人专业课程的学习过程中，不仅学习到机器人技术的基本知识和技能，也在实践中习得其他学科的相关知识，能够结合现实生活，创造出有创意的机器人作品，实现复合型和创新实践型人才的培养。

（3）拓展开放性的科学实践，促进学生所学知识的应用

实验会提供操作步骤，帮助学生完成实验，也能确保学生在学习过程中正确理解相关知识和内容。开放性的拓展部分只提供初步的简介和启示问题，没有详细的解释和引导步骤，学生根据各自的想法或构想来创造、来探索，实验不再是模型的复制。因此，拓展阶段能够给予学生更开放的探索和学习体验，为学生提供自主发挥空间。

（4）运用多元化评价及反思，引导学生深度学习

一方面是教师评价。教师借助记录表、观察评估表、轶事记录表等工具关注、评估学生完成实验的情况，例如根据学生在每个阶段的表现，在相关表格中记录并提供建设性的反馈，完成对学生的评价，帮助学生思考和改进。另一方面是学生评价。要求学生制作记录总结实验工作，反思自身在活动中的表现，互相分享自己的记录，交流各自的科学发现，以主动学习的方式不断尝试新的想法和构想，并完成自我评估报告。

同理，反思也分两个方面：教师反思课堂教学；学生反思自身的表现。师生在探究中反思，在反思中前行。

4.2 教学设计分析

课程强调跨学科的思维和实际应用能力，课堂教学多采用项目或者是实验的方式，通常以一个主题贯穿整个项目教学，一般安排2～6课时来完成。以经典案例—废品分类回收为例，教师明确说明学生应以哪种方式展示和记录实验的发现，给予学生较多的动手实践时间。该课程运用物体的物理特性（如：重量、大小、形状等），设计分类物品的设备。适用于小学一到二年级的小学生。

4.2.1 课程目标

（1）探究如何更好地分类垃圾，做到更好的垃圾回收，避免浪费。

（2）根据回收垃圾的形状、大小等物理特性，创建一个垃圾回收设备。

（3）学生展示对方案做出的改进，并做记录。

4.2.2 课程实施

此项目中进行了跨学科的知识学习，这也是STEM的核心内涵。学生们完成一个按照物体的大小、形状来分类垃圾的设备，是典型的工程问题；要搭建好设备，就会学习有关轮滑系统、马达等科学知识，计算、测量的过程，学生掌握了数学知识；为分类设备编写、调试程序，学生学习了编程知识；利用互联网查阅资料，是对技术的应用过程。

案例的教学过程可概括为以下几个阶段：

（1）导入阶段

利用视频、图片展示等手段创设情境，衔接实验的内容，教师有针对地抛出相关问题。

（2）探究阶段

学生对内容问题进行讨论和探究，制定探究路线，思考可行的解决方法。同时记录各自对问题的回答，包括图片、文字等方式。

（3）创造和拓展阶段

创造阶段的实验类型课分为三种：探究式、设计式和仿真式。由于实验类型差异，这个阶段的实验内容也不尽相同。总体来说，这个阶段的任务是实现设计方案。

拓展阶段不再提供搭建指导或程序样本，学生重新设计新的解决方案，解决方案既可以非常简单，也可以较为复杂，搭建的模型也会各不相同，因此更注重学生阐述设计的想法和模型的使用方法。在这个阶段，学生通过动手体验树立信心，利用工具探寻答案，从而解决现实生活中的实际问题。

此外，学生通常还需要记录在每个试验阶段的发现、对问题的解答和运用不同的解决方法的过程，可以通过各种纸质文档、电子文档相互搭配使用的方式来记录，例如：学生通过拍照、摄像或截屏的方式，拍下其设计的每一个模型，利用文档工具描述探究过程和解决方案。

（4）分享展示阶段

学生能够演示作品并解释自己是如何解决问题的，并能够描述解决方案，这也是发展学生表达能力的最佳时机。学生的展示包括：

1）如何一步步地找到解决方案。

2）解释在实验过程中所遇到的各种挑战，最后的模型经过了怎样的修改和编程。

3）需要有文字解释说明。

4）描述什么环境适合使用他们的方案。

5）讨论：方案是否适合现实生活。

（5）评价阶段

教师评价方面：采用观察评估表等文档工具记录每个学生的任何重要信息，也方便为学生提供有效的学习反馈。例如：在探究讨论中的表现，在创造中展示运用工程设计的方法，在实验中做得出色和需要改进的方面等。教师进行自我总结和反思。

学生评价方面：学生互相比较设计的模型，相互给予一些评价或提出关于实验内容的问题。

5 教育形式及资源分析

5.1 教育形式多样化，课程开展形式灵活

美国联邦政府负责制定教育实施标准，教材的选择和课堂建设由各州和地方学区来决定[11]。因此，学校在丰富本校课程体系上拥有相当大的自主权，在教育实施的方式上比较灵活和自由。有的学校把机器人教育列入技术类课程，有的学校将其列入科学教育，有的学校利用课外活动的形式和竞赛相结合的方式，也有高校和中小学联合通过组织机器人技术类主题夏令营等形式深入开展机器人技术的科学教育活动，这些灵活多样的课程开展促进了机器人教育的深入开展。

5.2 课程教学资源丰富，让学生接触到机器人技术的最新成果

大学、教育研究机构、协会、社会组织等作为资源的提供者发挥着重要的作用，有上百家专门的教学网站，为教育工作者、家长、学生等提供不断更新的理论、案例等资源，大多数的资源是免费提供的，学校通过选修课、教育计划、教育项目等形式进行（表2）。

表2 STEM教育教学资源

6 结语

在STEM教育中，要求教师对学生学习的评价，由知识和结果导向转变为应用和表现，强调融科教育及知识跨学科迁移应用，解决了一直以来分科授课学习形成的弊端，有利于培养高素质创新人才。机器人与编程教育是推行STEM理念的良好载体，在小学阶段开展STEM教育活动，借助机器人教育使学生了解现代机械、电子、传感器、人机交互等领域的先进技术，综合运用STEM多学科知识来设计、创造智能人造物，有助于培养学生的高阶思维。在小学机器人教育实践中落实STEM教育是可行的，也合乎我国课程改革的趋向。