面向职教学生计算思维发展的STEM机器人课程设计与应用

文/陈璟

近年来，关于STEM 与计算思维发展的融合设计研究在教育领域快速发展。本文通过梳理STEM 与计算思维的关系，结合职业教育学生的特点及其在机器人课程方面的兴趣情况，探讨了面向职教学生计算思维发展的STEM 机器人课程的设计原则、设计内容，并在此基础上引入教学案例进行了应用分析。

近年来，STEM 教育在世界范围内掀起一波热潮，在各教育教学阶段都受到诸多关注。美国更是将STEM 教育作为一项提高国家科技创新能力和国际竞争力的教育战略，强调科学、技术、工程和数学四个学科领域的紧密联系与交叉融合。[1]作为学生思维发展的重要内容，计算思维成为信息时代新兴的教育主题。为了全面提高STEM 教育的实施水平，增强学生的计算思维，教育领域开始逐步开展对STEM 和计算思维发展的融合设计进行研究。而培养学生计算思维的一个重要方式就是进行机器人课程教学，特别是机器人的编程、构建、数理计算等方面的教学。

一、计算思维与STEM 概述

早期，计算思维被认为是一种以算法为核心、基于计算机科学的思维能力。2010 年，美国卡内基·梅隆大学的周以真教授在吸收和借鉴其他学者研究成果的基础上，对计算思维进行了严密的定义，即计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学的一系列思维活动。[2]而STEM 是将科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科进行融合，以整合上述四门学科的知识作为切入点，让学生综合运用整合知识开展创造性学习，从而到达解决问题的目的。[3]

由此可以看出，计算思维较为重视解决问题过程中产生的分析思维和创新思维，且思维过程最后能以信息化的方式加以呈现；而STEM 则重视将四门学科中有关联性的知识以项目的方式整合呈现给学生。因此，在教学过程中，教师需要将二者进行有机结合，引导学生在解决问题时通过联系实际、分析问题、设计方案来获得跨科学知识，以及在设计方案时激发学生的创造力，使他们在构建知识体系的同时提升自身的抽象思维与批判性思维。

二、面向职教学生计算思维发展的STEM 机器人课程的设计原则

本文所选取的研究对象为职业教育学生，其与中小学生在机器人课程学习方面的最大区别在于：他们的自我表达能力和社交参与能力较高强。因此，在教学过程中，一般的模拟教学和仿真情境已无法吸引职业教育学生的学习兴趣。另外，职教学生在编程方面掌握的技能有限，计算思维不够缜密，但动手实践能力较强，他们更喜欢自己尝试搭建机器人模型。在这种情况下，教师首先要设计包含STEM 跨学科融合的真实问题情境，据此提出一系列问题，引导学生进行发散性思考，从而锻炼学生的分析思维和批判性思维，达到知识迁移和增强学生计算思维能力的目的。其次，教师可要求并指导学生进行多种算法的探讨，让学生在深度讨论中拓宽思维。这样既有利于寻求到算法清晰、更为完善的最优方案，也可以强化学生的算法思维和系统思维，进一步促进学生计算思维的发展。最后，教师应从多维度对学生的学习过程及学习结果进行评价。针对学生计算思维的评价，国际教育技术协会（ISTE）将其划分为创造力、算法思维、批判性思维、问题解决、合作学习等五个方面[4]，教师可在此基础上设计更为细化的评价指标，对学生进行更为全面、客观的评价，从而激发学生的学习兴趣。

三、面向职教学生计算思维发展的STEM 机器人课程的设计内容

在通常情况下，完成一个STEM 机器人项目教学需要8 个课时，其主要涉及的教学环节有创设情境及确定问题、分解问题和规划方案、尝试解决问题和修改、成品展示与交流评价。其中，每个环节2 课时。教师需要对整个项目进行精心设计，在每个教学环节加入能够提升职教学生计算思维的元素，整合STEM 教学目标，从而全面提高学生的计算思维能力。

（一）教学目标设计

教师要根据机器人项目的内容，结合STEM 和计算思维的发展规律，提升学生解决问题的能力及动手实践能力。在进行教学目标设计时，教师应侧重学生在不同学科中的计算思维的发展，将计算概念、计算实践与计算观念作为教学目标设计的三个维度，并将其融入STEM 的科学、技术、工程、数学四门学科教学目标中，使学生在STEM 机器人项目学习过程中不仅能够提高协作探究能力，同时还可以发展计算思维能力，并能熟练应用程序算法解决问题。

（二）学习环境设计

为了更好地开展教学，以及促进学生间的交流与协作，在STEM 机器人课程教学的环境设计中，教师可以将环境分为硬件环境与软件环境两个部分。硬件环境的设计主要在于学习空间的创设。例如，在基于计算思维发展的STEM 机器人课程中，教师可将桌椅围成一圈，并为学生开辟出可供书写与展示的空间，让学生可以更好地进行交流对话与合作创造。软件环境的设计主要在于项目中的情境创设。例如，教师要根据项目内容创设出合适情境，使学生能够沉浸其中开展探究，进行跨学科融合学习，进而完成学习任务。

（三）教学环节设计

如图1 所示，教师可将一个项目作为大课程，对教学过程中各个环节的师生活动进行设计。

（四）教学评价设计

教师可以采用形成性评价与总结性评价相结合的评价设计，综合教师评价、小组评价和学生自我评价三个方面，从创造力、算法思维、批判性思维、问题解决、合作学习等五个方面明确学生的计算思维发展情况。在教师评价层面，教师应对学生合作学习的表现、算法思维的优化程度、项目成果的创新性进行评价；在小组评价层面，教师可将其细分为小组自评及小组互评，让所有小组采用相同的评价指标与标准，从学生对项目的贡献度出发，对学生的整体情况做出评价；在自我评价层面，学生应从自身对知识的掌握程度、参与合作的程度、产生批判性思维的次数、产生创造性思维的次数等方面来进行自我评价。从多个层面和多种维度进行评价，有利于保证评价的全面性，让学生发现自己的不足或短板，使其更加有针对性地制订学习规划。

四、面向职教学生计算思维发展的STEM 机器人课程教学案例

本文所选取的教学案例为“景区自动喷雾降温装置”课程，来自《智能硬件项目教程：基于Arduino》教材。笔者所在学校的教师以项目为学习任务，综合传感器、超声测量、自动控制等知识，让学生在已有知识基础上完成综合项目的设计与制作。

在进行STEM 机器人课程学习时，中小学生需要考虑的是机器人的功能是否能实现。而职教学生的思维更接近成人，在STEM 机器人课程学习中，不仅要考虑功能的实现，还需考虑程序算法的便捷性，以及环境、时间等因素对项目带来的影响，从而使得设计的项目可以快速地投入生产运营中。

（一）课程教学目标设计

本文所选取的教学案例“景区自动喷雾降温装置”课程涉及了较多综合性知识。考虑到需要综合判断学生是否都掌握了STEM 中不同学科的知识，以及是否在计算思维的发展方面有所成长，教师根据教学内容，以计算思维中的计算概念为中心制定了以下课程教学目标：

（1）科学（S）：了解传感器的概念、触发原理以及学会通过控制距离与温度等变量来触发传感器。

（2）技术（T）：学会综合使用循环语句与数组结合，找到编程的核心，并选择最优算法。

（3）工程（E）：学会设计稳定的自动喷雾降温装置，并能根据环境选择合适的材质以及衔接位置。

（4）数学（M）：根据自动喷雾降温装置的喷水范围，计算景区面积以及装置所需数量与投资金额。

与其他课程的教学目标相比，“景区自动喷雾降温装置”课程教学目标在整体设计上更关注计算思维与STEM 目标的整合，在知识习得与能力培养方面设计得更为全面，对不同的STEM 学科在计算思维方面的融合也有一定程度的体现。

（二）课程教学过程的实施

根据上述教学目标，教师根据图1 所确定的教学环节开展了教学工作。教学过程的具体实施情况如下。

1.创设情境，确定问题

教师根据教学内容，选取了学校所在地区的5A 级景区。学生为职教二年级学生，基本都已经去过该景区，对该景区的情况与布局都比较熟悉。此外，部分学生已完成了C 语言的学习，对编程理论与编写程序较为熟悉。教师在情境创设过程中，一方面以学生较为熟悉的景区游玩路线为主线，为学生创造轻松愉悦的氛围，让学生能够带着探究的热情进入学习情境；另一方面以解决实际问题为目标，让学生带着问题进入学习情境，为学生预留拓展探究的区域，让学生通过有效的协作学习来解决问题。

在情境学习中，学生展开了积极发言与讨论，发现需要解决的主要问题有：①自动喷雾降温装置是通过什么来实现自动控制的？②自动喷雾降温装置的款式如何设计得比较轻便稳定？③自动喷雾装置需要装在什么位置才能实现景区范围的全覆盖？

2.分解问题，规划方案

在该环节，教师让学生根据已确定的问题进行小组讨论和头脑风暴。小组需要将主要问题分解为若干小问题，确定关键问题与关键技术，并在此基础上规划解决方案与步骤，同时对小组成员进行任务分工。

以某一小组讨论问题“自动喷雾降温装置是通过什么来实现自动控制的”为例，在一轮深入讨论后，学生分解出了以下问题：①有哪些常用方式可以实现自动控制？②传感器在自动控制系统中的作用是什么？③使用什么类型的传感器可以实现自动喷雾降温装置的快速启动与关闭？④根据什么条件选择合适的传感器或触发器？⑤触发传感器的编程关键技术点是什么？⑥使用哪种编程语言能够节约时间，更快启动自动喷雾降温装置？

小组成员将问题分为传感器、编程两种类型进行了任务分工，分别获取两种问题的答案，并开展了进一步的交流与协作。

与其他环节相比，学生在这一环节有着充裕的时间进行讨论。教师可通过学生头脑风暴情况来判断学生的问题分解能力。同时，教师还可根据学生制订的解决方案以及方案执行情况，判断确认学生的概括能力是否有所提高。

3.解决问题，修改调整

在问题解决阶段，教师带领学生学习传感器自动控制原理，引导学生找到传感器在距离、温度等方面的数学变量，以及通过编程循环语句来实现对喷雾降温装置的自动控制。在这一过程中，学生的“算法思维”得到了有效培养，他们在编程过程中不断尝试不同变量因素对整个作品设计的影响，评估自己小组的程序设计是否存在改进提升的空间，是否需要调整或改善程序设计的某些部分，等等。此外，学生也对自动喷雾降温装置进行了工程结构方面的设计与构建；教师引导学生如何使用常见的工具去制作富有创造性的作品，鼓励学生在进行小组讨论时更多地关注作品的独特性，同时不断探寻和调整作品的完整度。

在学习过程中，学生表示：更加愿意尝试挑战复杂问题；除了独立思考之外，通过合作学习能够产生更多的想法；在思考问题的同时会产生新的疑惑；在解决问题或做出选择时，能够进行综合判断；等等。由此可见，学生的批判性思维、算法思维与问题解决能力都在学习中获得了提升。

4.成果展示，交流评价

在这一环节，学生的主要任务是进行小组成果汇报与作品展示，向其他小组分享作品的设计思路、在整个STEM 机器人课程学习过程中遇到的问题、如何通过讨论和测试调整来解决问题等。同时，各小组之间还会互相评价作品，交流设计心得。此外，教师也会根据学生的汇报与展示情况、小组的自评和互评情况以及自身在课程教学过程中对学生的指导情况，对学生的STEM 学习情况进行评价，并有针对性地进行课程教学设计的调整和知识内容的融合。

（三）课程教学评价

在结束课程教学后，教师组织开展了教学评价。78.3%的学生表示自己的创造力、批判性思维得到了提高。其中，30.6%的学生表示有显著提升；54.8%的学生表示，感受到自己的计算思维、算法思维得到了增强；另有38.4%的学生对自己在合作学习方面的贡献表示欣喜。教师则对学生在合作学习的完成度方面表示满意，但认为学生在优化算法、作品创新方面还需进一步完善。总体来看，本次课程的完成度以及师生的满意度较好，教师与学生普遍认可这种教学模式。

五、结语

作为计算机教育中的重要组成部分，计算思维的培养尤为重要。在STEM 视野下，培养职教学生的计算思维，教师需要创造问题化的情境，助力学生打破思维局限，综合多门学科知识创新性地解决问题。机器人课程是建立在STEM 与计算思维发展之上的，在职业教育的机器人课程中开展STEM 与计算思维发展的融合设计，能够全面提升职教学生的思维能力、计算能力、创造能力和实践能力等，促进职教学生不断成长。