STEM理念下机器人教学创新设计与探索

黎清万 何斌

摘要：实践证明，STEM教育理念在培养学生综合素养以及创新人才方面具有积极作用。机器人教育是科技教育的重要内涵之一，要想突破传统的搭建技能和控制论知识，面向智能时代科技人才培养需求，创新教学模式是必经之道。本文阐述了STEM教育理念下的机器人教育融合创新设计与探索。

关键词：STEM；机器人教学；创新教学模式

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2024）01-0081-04

在国家对未来社会主义科技人才提出进一步需求的背景下，突破以结构搭建技能和控制论知识为纲领的传统教学，面向智能时代，融合STEM教育理念，创新中小学机器人教学模式具有重要的实践意义。中小学机器人教学主要指的是以机器人学相关知识、原理、技能为核心内容的基础教育学科学习活动。机器人学科的内涵包括传统的机械原理、编程原理、传感器应用以及新时代大环境下的数据技术、智能技术、物联网技术、人文社科等，其中涵盖了数学、物理、信息科技（包括人工智能领域）、语言文学、人文哲学（思想政治）等学科，在某些研究领域，还涉及生物学、脑科学、材料科学等。可见，跨学科融合是机器人教学固有的属性，而STEM教育理念在近年來被证明在跨学科教学中具有可行性、有效性和前瞻性。由此，笔者探索了深度融合STEM理念的“一核双融六环节”创新教学模式（下文称“126模式”），形成了相应的研究成果并开展了推广验证。

机器人STEM创新教学模式的设计

机器人教学的目标是培养学生核心素养，与STEM理念的深度融合可谓天作之合。STEM并不是单纯把多学科通过初步的设计整合到一节课或一系列的课堂教学中，而是需要以学生解决实际问题能力的需求，形成各学科深层次的关联网络，通过活动帮助学生主动建构综合认知体系，该体系在学生分析、评价、综合、创新等高阶思维活动中发挥作用。“126模式”（如图1）正是基于上述理论基础设计的。下面，对“126模式”进行具体阐述：

1.以学生为核心的跨学科设计

在新时代背景下，综合性全面发展人才培养目标从“社会参与”“文化基础”“自主发展”三个维度提出了要求，明确了学生才是学习活动的核心，教师在教学中要遵循以下几个原则：

①要以育人目标为主旨，以课程标准要求为基点，制订合理、明确的教学目标，并为预期目标制订详细、可落实、可测可评的评价量规，尤其需要注意加强学生思维评价的预设。

②要围绕学生选用、优化或生成学习内容，设计生活化、实践化的主题情境，学生以某种关键角色参与情境，在主动学习活动中获得认知与高阶思维训练。

③要针对学生必备品格、关键能力、价值观念开展多元评价，其中，评价内容包括概念理解、实践技能、学习方法、思维体现等，评价方式包括生生互评、家校共评、数字化学习平台自评（过程数据记录、分析）、教师导评。

2.情境化项目学习的知识技能与高阶思维双融合规划

STEM理念与机器人教学的融合创新，是在生活问题情境预设下，学生经历项目化学习过程，在认知与思维两个方面收获提升，即必备品格与关键能力的双融合。双融合的落实，高阶思维是关键亦是难点，教师可通过进阶式问题链实施引导，通过分享式对话体现，通过评价他人或教授他人得以强化。

3.跨学科融合六环节教学实施策略

六环节是基于5E教学模式的一种优化，在“情境参与”“探究学习”“解释理解”“拓展应用”“分析评价”之外增加“课内竞赛”环节，并简化为“问一问”“搭一搭”“学一学”“比一比”“创一创”“享一享”。学生在六环节中“做中学、学中创，获得进步，感受快乐”。其中，“学一学”并不独立呈现在教学资源中，而是融入“问一问”“搭一搭”“比一比”等环节，这样做的目的是真正实现在问题解决的过程中实现事实性认知的获得。

进阶式机器人教学系统化教育方案

在“126模式”的底层支撑下，STEM理念与机器人创新教学方案应该是系统化的强调思维进阶的整体方案。学生创新思维和高阶思维的培养、品格和价值观的培养，不可依赖于离散的课程体系，而是需要如链式步进机般的系列化课程体系——结构-动力-传感-自动化-智能化，依次创设“创意机器人”“动力机器人”“传感机器人”“编程机器人”“智能机器人”共5个课程（如图2），每一个课程采用“126模式”组织学习内容及学习活动。

结构是机器人传统意义上的入门基础，要注重培养学生利用多种结构原理解决问题的工程思维；动力是以传动机构为主的理解与应用探究，同时注重培养学生根据不同条件合理综合分析不同的传动机构解决问题的逻辑思维（科学S）；传感技术是机器人自动化的感知能力基础，除了培养学生理解不同传感器的不同功能外，还要培养学生在“感知”概念上的抽象思维（技术T）；编程则是自动化最终实现的控制论核心内容，机器人教育必须注重培养学生的计算思维，即流程化问题解决策略及其实现（数理逻辑M）；智能化指的是应用当前人工智能技术如机器视觉、语音识别等实现机器人的自动化的自适应策略，需要关注学生人工智能素养的培养（STEM）。该方案强调学生经历工程过程（工程E），各课程链式相连又层层递进，覆盖了机器人领域的基本内涵。

以跨学科问题解决情境组织学习内容

STEM理念与机器人教育融合创新，不是落于知识结构层面，而是落于思维素养层面，即工程流程中问题解决的过程层面。基于问题解决情境的设计，是其中的关键。学生以某种与情境紧密相关的主体身份参与问题解决，从规划、探索、实施到评价反思、改进乃至创新，都作为核心角色发挥作用。“126模式”中的一个核心，始于此处。在进阶式机器人教学系统化教育方案中，动力机器人课程分别以“赛车工程师——赛车制作”“农械工程师——舂米机制作”“美食工程师——磨坊制作”“油田工程师——抽油机制作”“环卫工程师——扫地车制作”等16个角色和问题情境创设基于分析、综合、创新的高级思维历程，学生需要综合应用机械原理、物理知识、生物知识、工程流程、数学知识以及人文分析等认知与技能，这些学科相互渗透、相互作用，最终解决问题，真正实现基于思维过程的深度融合创新。

下面，以动力机器人课程“舂米机”为例展开具体实践。

课程名称：设计制作“舂米机”电动机器人。

课程目标：通过跨学科融合的教学方式，学生经历工程流程，了解物理杠杆原理、机械凸轮机构、数学齿轮传动比计算、生物米粒结构等知识点，培养学生的问题解决能力和高阶思维。

教学内容：①探究米粒生物结构，了解舂米机的工作原理和结构，观摩舂米机的机械结构和传动方式（科学S）；②应用物理杠杆原理，解释力与距离的关系（科学S、技术T）；③探究凸轮机构的原理和应用，了解凸轮机构的结构和特点（技术T）；④探究皮带传动的原理和应用，总结大小齿轮传动比计算的方法，能够根据传动比计算出合适的齿轮尺寸（数理逻辑M）；⑤分组设计制作“舂米机”电动机器人，要求在设计中运用所学知识，并进行演示和答辩（工程E）。

教学基本流程：

①问一问。教师向学生提出一些问题，如“舂米机的工作原理是什么”“凸轮机构和皮带传动有什么不同”等，鼓励学生积极思考和回答问题。

②搭一搭。学生按照教师提供的图纸和材料，自己动手搭建一个简单的舂米机模型。在搭建过程中，可以结合自己的理解和想象，自由发挥，增加趣味性和实用性。

③学一学。教师向学生介绍物理杠杆原理、凸轮机构、皮带传动、大小齿轮传动比计算等知识点，并通过实验、视频等多种形式进行演示和说明。同时，鼓励学生互相讨论、交流，共同学习和进步。

④比一比。将不同类型的舂米机模型进行比较和评估，包括其结构、性能、效率等方面的指标。引导学生分析和总结不同类型舂米机的优缺点，以及如何根据实际需求选择合适的舂米机模型。

⑤创一创。学生可以根据自己的兴趣和特长，设计和制作一款更具创新性和实用性的舂米机模型。在设计过程中，要充分考虑物理杠杆原理、凸轮机构、皮带传动、大小齿轮传动比计算等知识点的应用，以提高舂米机的效率和精度。

⑥享一享。学生将自己设计的舂米机模型展示给其他同学或家长观看，并分享自己的设计思路和成果。同时，也可以邀请其他同学或家长提出宝贵意见和建议，进一步完善和改进自己的作品。

在以上课例中，学生在秋收季节，作为“机械工程师”参与到农业自动化工作中，经历工程探究与开发的过程。该课例共2课时，涉及学科包括生物、物理、数学、科学等。“126模式”有效帮助了学生认知的建构，使其发生于分析谷粒结构从而思考脱粒原理、选用杠杆原理从而实现脱粒动作、观摩皮带传动特征及凸轮机构特征总结规律性传动的实现方法、根据力度需求分析两个不同齿轮传动比对传动效果的影响等主动性学习过程中，学生通过对话、实践、创作、改进，锻练思维能力。

多元化的STEM评价方式（如图3）

在机器人系统化方案以及“126模式”下，评价对学生高阶思维的落地有着重要的意义。这里的评价并非单纯指教师对学生的评价或者教师对课堂的反思性自评，更多的是指以学生为核心开展的表现性评价和增值性评价。在系统化方案中，除了课程体系，还应该有配套的评价系统，采用工程笔记以及汇报答辩的方式开展，即STEM理念与机器人教学的融合创新，离不开系列化学习过程中面向学生的评价，该评价包括自评和他评。

此外，“126模式”本身就强调了评价的实施，主要通过“比一比”“享一享”两个教学环节开展，同样包括自评和他评两种路径。如上所述，评价的内容应该是多元的、跨学科的，充分体现STEM理念的育人价值。知识点目标评价落实在“搭一搭”的探索实践中，即做中學，而不是单独强化知识测评；技能目标评价落实在“比一比”课内竞赛活动中；思维目标评价则在“创一创”和“享一享”两项活动中通过对话、实践观测等开展。

“126模式”中的评价与传统的5E教学模式的不同点在于评价量规在教学预期目标拟定后，得到细化并呈现给师生。而表现性评价除了学习平台自动采集数据并分析数据的形式外，在基于问题解决的实践经历中，由学生自行开展，用于调整学习进程或发现学习疑惑而提出获取帮助需求。增值性评价由师生共同完成，其主旨是厘清STEM跨学科学习中认知的丰富或深化程度，为进阶探索或创新探索提供支持。

结束语

从核心目标定位到教学模式设计，从情境问题引导到综合分析应用，从系统化方案规划到具体教学的实施，在中小学机器人教育中以STEM理念开展创新教学探索，需要敏锐理解新时代人才需求的变化，深入理解跨学科融合教学的本质和需求，掌握有效的科技教育理论。在“126模式”设计与探索过程中，STEM理念与机器人教学的融合创新，紧密依托于建构主义和联结主义教育理论，契合跨学科教学的真实需求，为培养新时代下具备“关键能力、必备品格、正确的价值观”的创新人才提供了实践借鉴价值。

参考文献：

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本文为广东省教育研究院第二批STEM教育专项研究重点课题“基于STEM的机器人校本课程开发研究”（立项编号：GDJY-2020-S-a009）研究成果。