基于STEAM的机器人教育课程实践探究

李雪芳

摘 要：STEAM代表科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Arts）、数学（Mathematics），STEAM教育是一种新型教学模式，采用综合性教学方式将各方面知识整合到一起。机器人教育课程中包含机械、电子、数学、计算机、自动化等多个学科内容，因此可以将二者相结合，构建全新机器人教育模式，提高学生的综合创新能力。基于此，本文分析了STEAM教育与机器人教育之间的联系，提出了基于STEAM的机器人教育体系，以及可行的教育实践方案，以期为相关工作者提供参考，从而使学生全面发展综合素质，成为服务于社会的可用之才。

关键词：STEAM教育;机器人教育;课程实践

STEAM教育理念的核心是将科学、技术、工程、艺术以及数学五个互相关联的科目紧密融合在一起，使学习的主要科目与现实的关联性加强。STEAM教育作为新型的教学模式，具有很强的体验性、创新性、合作性、自主性，将其与机器人教育相结合，可以更好地适应当今社会对人才的全方位需求，顺应机器人教育领域的未来发展方向。因此可以通过构建完善的基于STEAM的机器人教育课程体系，使学生处于STEAM教育理念的五门核心学科构建的综合教学情境中，对机器人知识进行充分的学习和掌握，并且将其延伸至科学、艺术、工程等多个不同领域之中，全面提高其综合素养。

一、基于STEAM教育理念的机器人教育体系构建

当前阶段，我国缺少可参考的机器人教育创新理论和实际教学案例，机器人教育领域内尚未形成完善教学体系。现有的机器人教育体系存在一定问题，如：教学资源缺失、教学融合度不高、教学活动设计不新颖，等等。为针对这些问题做出有效解决，使机器人教育行业不断健康发展，我国许多相关工作者做出了研究和探索，并且取得了一定研究成果，如发明创造性教学模型、VEX机器人教学模式等，虽然这些研究观点有不同之处，但都为本文的研究和探索提供了一定的参考与借鉴。STEAM教学方式可以有效将几门分离开来的学科整合在一起，使某一学科的教育不再仅仅局限于这一学科本身的内容，而是结合其他学科进行拓展。机器人教育本身就涉及许多学科的知识，如：电子信息、自动化、机械工程等，因此，可以将其与STEAM教育有机结合，对机器人教育中现存的问题做出研究，提出行之有效的解决办法。本文中构建的机器人教育体系，是基于STEAM教学理念之上的，因此具有综合性、设计性以及个性化等特点，对于开发和整合教学资源、优化教学活动设计、促进学生自主创新等有很大助益，具体搭建的教学体系框架如图1。

图1 基于STEAM教育理念的机器人教育模式

（一）建立多层次、差异化的教学体系

基于STEAM的机器人教学体系以分层次、差异化为教学目标，以兴趣驱动学习为指导理念，将教学体系构建完善，具体有以下阶段：

1.机器人基础课程教学

第一阶段教学内容为机器人相关基础课程，学生需要在相应的活动主题下，学习机器人的执行器、传感器以及控制器的相关内容，利用配套的器材和用具，搭建结构复杂、功能多样化的机器人装置与模型，让学生通过这一教学内容理解基本的机器人概念，为编程、创新等能力的长久发展与进步打下良好基础，使学生基本体会STEAM教育的内涵。在教学目标的设置上，应结合生活中的实际案例，使学生在引导下对机器人知识与机械工程知识、电子信息知识形成初步的理解与整合，使学生解决生活实际问题的能力得到提高，整体的创新思维能力得到有效培养和锻炼，为今后的长期学习打下良好的基础。

2.机器人编程的基础

这一阶段的教学主要需要让学生充分掌握基本的机器人编程课程，让学生通过熟练运用计算机技术，利用机器人编程和传感技术搭建机器人，并用图像化的编程控制所搭建机器人的硬件设备，搭建出的机器人可以参与基础的工程搭建活动和教学活动中，这一阶段的教学可以提高学生思维逻辑水平和实际动手能力。

3.个性化项目教学

该阶段教学重点培养学生将机器人技术整合的能力，挑战具有一定难度的项目，如：智能巡线机器人、智能小车行人跟随、智能小车图像识别等，以解决现实生活中的实际问题作为目标，使机器人教育中的部分问题得到解决，使学生整合科学、技术、工程等不同学科知识的能力得到提高，并可以有效将其运用至机器人的实际设计与搭建工作中。

该教学体系对于课程的安排充分体现了差异化设计，通过此举将不同层次的机器人技术分别置于不同程度的STEAM教学中，使学生循序渐进地了解并学习到相关知识，使认知水平存在差异的学生也能融入教学体系的不同阶段。这种分层次的教学方式，可以使学生的学习符合自身水平，使其整体的思维能力和动手能力得到有效提高。

（二）教学具有侧重点，引领、整合为要

STEAM机器人教学体系应具有侧重点，虽然在运用该体系开展教学时需要学生在接受机器人教育的同时，还要对各种其他相关学科的知识有一定的掌握，再将其他学科的知识运用至机器人的设计和制作中，使得制造出的机器人可以更好地解决生活中的实际问题。因此，在STEAM机器人教学体系的构建中应全程贯穿引领与整合的教育理念，在三个阶段的教学工作中应各有其不同的教学侧重点。在基础课程阶段，学生往往对机器人的认识不足，缺少相关的知识作为支撑，且欠缺应有的动手能力，但这一阶段的学生兴趣强烈，较容易接受新知识。因此该阶段应选择生动有趣、生活化的机器人项目，融入基础的机械工程内容和电子信息内容，提高学生的兴趣和参与感。例如：在搭建机器人的执行器时，其机械部分，学生可以初步认识轮轴、滑轮、齿轮、杠杆以及摩擦力和麦克纳姆轮等基础机械原理，并通过实践产生一定理解，从而提高其学习兴趣。

（三）与高校合作为机器人项目实践的开展提供强大的技术支撑

经过基础理论学习和初步的实践锻炼后，可以在此时开展更加深层面的教学工作，深层次教学工作应以项目作为指导，将主要精力集中在实践应用方面。但是中学的师资力量通常难于支撑学生有效地开展实践，为了保障这方面工作顺利有效地展開，与高校合作，提供智库保障，为机器人项目实践开展提供技术支撑，可以提供在内容和形式上均有一定创新的课程，大力支持学生参与到项目的学习中去，解决生活中的问题，从而提高学生的创新应用能力。

二、基于STEAM教育理念的机器人教育实践方案

（一）构建三层教学体系，促进知识整合

1.丰富层次内容

在设置教学内容时，应针对三个不同的教育层次分别设置不同的教学内容，第一层次中，学生可以通过参与嵌入式课程教学，学习机器人相关的基础知识等。第二层次中，需要充分结合第一层次所学的知识，对机器人构建的不同硬件所需要的不同编程知识进行了解和掌握，将先进的计算机技术和数学知识传授给学生，学生可以将这些知识直接应用到机器人的搭建中，降低了程序出现混乱错误情况的发生。第三层次中，教师应时刻關注学生是否具备利用教学内容处理生活中的实际问题的能力，使课程设置接近生活，服务于生活，让学生可以运用多种学科的专业技能，将知识充分整合在一起。

2.实验教学体系

可以开设实验教学体系，将最新开发出来的知识领域与新型教学方式应用到实际教学工作中，在教学中融入多种学科的尖端知识与技术，让学生在改革后的实验教学体系中充分吸收知识，完成相应的学习任务，从而提升教学创新性。教师在实验教学体系应用过程中应全程对其进行观察和记录，发现存在的问题要及时对其进行解决。

3.及时修正教学体系缺陷

在实验教学体系投入应用后，教师需要随时观察教学情况，对实验教学体系中的问题及时修正，运用一定手段和措施进行改进，将问题解决后改进整体教学体系，再反复进行实验教学，使基于STEAM教育理念的机器人教育系统更加完善。

（三）建立STEAM机器人学习生态系统

1.设置多样化课程

要使STEAM背景下的机器人教育形成完善的教育生态系统，不能仅仅将学习过程局限于学校内部。可以与高校合作定期在外举办活动，或开展夏令营、冬令营活动等多样化课程内容，在课程选择上也要充分结合STEAM要求的多样化发展。使学生能够在不同课程、不同教学情境下体会机器人教育的乐趣，从而提高学习兴趣。

2.与高校结合建立优质教育团队

目前阶段大多数机器人课程的教师都是从基础教学领域中走出来的，在许多方面无法符合STEAM教育理念多元化的要求，而高校的师资力量与机器人的资源丰富，因此，与高校合作可以培养具备专业STEAM素质的教育团队，形成机构自身的优秀师资力量储备，将各学科、各专业的教师相融合，使师资力量更加完善和壮大。

3.全方位创造学习环境

STEAM背景下的机器人教育课程要想顺利开展需要学校、家庭、学生自身等多方共同努力，学校和家庭需要为学生创造合适的学习环境，学校可以开设相应的教学项目，家庭内部也可以创设相应的教学情境，使学生对机器人学习的兴趣提高，促进学生全面发展。

结束语

STEAM背景下的机器人教育课程重视学习过程中的能力提高，通过对STEAM背景下的机器人教育课程实践的探究，构建全新的机器人教育课程体系，对提高学生的综合素养和解决问题的能力有很大帮助，可以为学生的人生发展打下坚实的基础。

参考文献

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[2]李慧敏.基于STEAM教育的小学机器人课程教学策略探究[J].中小学电教，2020（22）：138-140.

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[4]赵晓慧.基于STEAM教育的小学机器人教育课程开发与实践研究[J].科学咨询，2020（3）：161.

本文系教育部福建师范大学基础教育课程研究中心2019年度开放课题：STEAM教育理念的高一机器人教育课程开发（课题编号：KCZ-2019011）主要研究成果。

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