中小学机器人教育教学效益提升策略研究

关键词：机器人教育；STEAM教育；教学策略；教学案例；教学效益

0 引言

教育部颁发的《教育信息化2.0行动计划》明确指出要将信息技术和智能技术深度融入教育的全过程，并强调了机器人作为发展智能教育的重要举措[1]。随着人工智能技术在全国范围内受到越来越多的关注，机器人教育也逐渐成为教育界的焦点。机器人教育作为一门综合性课程，是智慧教育和STEAM教育实施的重要载体，对促进学生的全面发展具有重要意义[2]，因此，中小学及各培训机构在课程设置中都逐渐增加了机器人课程的比重。然而，在机器人教育的实际教学过程中，许多教师更关注学生是否能够完成既定的学习任务，或是否能制作出符合预期的作品，并以此作为评价学生的唯一标准。这种单一的评价方式对促进学生深度的知识加工和高阶思维发展影响甚微。因此，在开展机器人教育教学的过程中，要紧跟教育发展趋势，基于具体的教育情境，运用适切的教学策略，实现更优的教育教学，提升教学效益。

1 机器人教育的发展及内涵

1959年，第一台工业机器人诞生于美国，机器人的发展历史由此开始。随着技术的不断发展，如传感器技术的成熟和人工智能技术的日新月异，机器人在越来越多的领域发挥着重要作用。机器人发展呈现出的智能化、人性化趋势，与未来教育环境的特点不谋而合。社会、学校以及教师等教育主体也逐渐认识到利用机器人开展教育的重要价值，并开始尝试开设机器人课程。

机器人教育，作为一种以机器人为核心教学内容或教学工具的教学活动，从课程即活动的观点来看，其实质是一门能促进学生全方面发展的综合性课程。Gerecke等人指出，机器人教育不仅融合了信息技术、机械和动化技术等多学科知识，更着重于培养学生在设计、搭建、编程和调试机器人的过程中所需要的设计能力、分析解决问题能力、创新能力和计算思维等[3]。综上，机器人教育即以机器人为主要教学载体，旨在提升学生综合能力成长的一门综合性课程。

2 机器人教育在教育中的作用

机器人教育的教育性能日益凸显，正逐渐成为中小学相继开设的重要课程。这与其适应未来教育发展趋势，能够有效融合现有教育理论，在实际教学中促进学生发展密不可分。

2.1 作为智慧教育和STEAM 教育实施的载体

机器人教育的出现，让智慧教育逐渐融入低龄学生的学习生活。人工智能等技术的不断发展，对传统社会组织形式造成了巨大冲击。在智能时代即将到来之际，各类新兴技术与教育教学过程的融合日益加深，智慧教育应运而生，并逐渐成为教育实践者和研究者关注的焦点。在科技与教育的系统性融合过程中，学习环境亟须转型和升级，以构建以数据驱动、个性化、情境化为主要特征的智慧教育生态[4]。机器人作为智能技术的集成产物，融合了多种复杂技术形成一个“黑箱”，使用者无需深入了解其中的运行机制和底层逻辑，就可以实现对机器人的操作。此外，可视化编程的出现大大减少了使用者在计算机编程语言符号上的认知负荷，高深复杂的编程指令不再是计算机专业人士的专属领域。儿童也可以利用计算机完成富有创意的作品，从中体验学习的乐趣。因此，机器人教育在推动智慧教育发展的同时，也为低龄学生提供了更为丰富、有趣的学习体验。

机器人教育实现了多门学科基础知识的有机融合。通过机器人这一载体，将看似零散、无序的知识点系统地整合在一起，形成一门独立的学科，成为中小学和青少年培训机构实施STEAM 教育的重要形式。STEAM教育被认为是整合传统数学、科学、工程和技术等学科教育的重要方向，不仅是提升科学、技术、工程、艺术和数学学科品质的重要工具和策略，还承载了教育领域对培养综合素质人才的教学期待[5]。然而，STEAM教育的跨学科性和综合性特点使得其在传统的单门学科课程的实施中面临诸多挑战。在追求学科教学目标的过程中，教师往往难以抽出更多精力从学科融合的角度去设计教学。因此，机器人教育的出现显得尤为重要。机器人教育与STEAM教育在特点上具有极大的相似性，STEAM教育在理论上指引着促进学生全面发展的教学方向，而机器人教育则是在教学实践中促进学生能力的多方面能力提升。二者相辅相成，共同推动着教育领域向着更加综合、多元的方向发展。

2.2 有效提升学生的综合素养

机器人教育开展涉及多学科知识的整合，展现出明显的综合性特点，因此成为提升学生综合素养的重要途径。学生在利用机器人完成相关作品的制作或解决相关问题的过程中，需要围绕特定目标，在多学科知识背景下进行综合分析，形成合理方案，并在实践与方案修改的循环过程中探索性地完成任务。在这一过程中，学生不仅需要明确并掌握每个知识点，还需要通过实践验证自己的想法和设计的可行性。由此可见，学生的学习过程涵盖了知识记忆、思维训练记忆和具身学习等多个层面。大量的研究也表明机器人教育对学生的积极作用。如Benitti[6]研究发现机器人在促进学生STEAM科目的学习、思维能力、科学探究能力、社交能力以及问题解决能力等方面具有显著作用，龚礼林[7]的研究不仅进一步证实了这些观点，还揭示了机器人在培养学生自我调节能力、元认知能力以及人际交往能力方面的卓越成效。此外，杨凝[2]还发现教育机器人在支持学生素养和能力发展（如问题解决、自我效能、计算思维和创造力等）方面的积极作用。这些研究成果为机器人教育在培养学生综合素养方面的有效性提供了有力支撑。

3 机器人教育存在结果性倾向的实践教学

尽管机器人教育的教育价值已得到各教育主体的广泛认可，但我国尚未从国家层面对机器人教育的标准作出统一规定。此外，由于并非所有的学校都具备开设机器人教育这门课程的条件，也并非所有教师都能深刻认识机器人教育对学生发展的重要作用，在机器人教育开展的过程中，仍存在着诸多形式化的问题。许多教师只关注学生的作品制作完成情况，学生也只是将机器人课程看作一般的学校任务对待，缺乏对课程深层意义的探索。这种现状导致了机器人教育质量的显著下降，无法充分发挥其应有的教育价值。

3.1 教师教学过程以结果为导向

机器人教育在我国的发展尚不成熟，很多教师缺乏相应的教学经验和教学素养，导致了机器人教育往往过于注重作品的完成，呈现出功利性的教学倾向。目前，我国还尚未制定统一的机器人教育课程标准，使得机器人课程的定位、目标、内容、评价、课时安排等都缺乏明确依据。因此，机器人教育的开展多局限于局部地区的校本课程，仍处于摸索尝试阶段[8]，徐多等人指出我国机器人教育发展过程中面临师资缺乏、监管不足等问题[9]。在实际教学过程中，由于缺乏理论指导和教学参照，教师们往往依赖厂家附赠的说明书式的材料进行教学，只要学生能够按照说明完成相应的操作，制作出作品，就认为达到了教学目的。这种教学方式忽视了对学生深层次思维能力和创新能力的培养，无法充分发挥机器人教育的潜力。

3.2 学生学习以完成任务为目标

学生接触机器人教育时，初始是由兴趣驱动。但在学习过程中，逐渐倾向于任务驱动，这导致学生们因过于关注任务的完成而缺乏创造性和探究性的参与。教师的唯目的性引导，也使得学生在机器人教学课堂中仅是跟随教师的步骤完成作品，削弱了机器人教育在为学生提供特殊学习体验和培养学生综合能力等方面作用。机器人教育逐渐异化为与一般的操作课、手工课等无显著区别的课程形式，无法充分发挥其应有的教育价值和潜力。此外，当前机器人教育的主要对象是中小学生[7]，在机器人的造型设计上要求学生具有较高的设计素养，但在实际情况中，学生往往在已有的定型产品或作品范例的基础上进行简单的修改[8]，学生的设计深度和创造力的发展仅停留在较浅的层次。

综上，机器人教育作为技术和时代发展的产物，对提升教育质量有巨大的促进作用，但在机器人教育的实践中还存在流于形式，难以发挥其特点等问题。因此，教师在开展机器人教学时，需对教学过程进行更为细致和深入的设计，以充分挖掘和发挥机器人教育的潜力，促进学生全面发展。

4 机器人教育教学策略

改善以结果性评价为导向的教育实践，已成为教育发展中亟待解决的重大议题。中共中央、国务院发布的《深化新时代教育评价改革总体方案》对改进结果性评价和完善综合性评价提出了明确要求。在机器人教学的过程中应当，教师应当更多关注学生学习的过程和综合性成长，在激发学生求知欲、促进深度学习、教学目标设定、重难点演示操作、适切的课堂评价等方面结合具体的教学情景，运用适当的教学策略提升机器人教育教学效率。本研究从课程导入、理论教学、任务驱动、操作示范和评价反馈等多个环节，提出了具有针对性的教学策略建议（如图1） ，确保学生能够在学习过程中获得良好的学习体验。并以Clbbot 机器人教学为例，指出了具体的教学应用。

4.1 拓展性趣味导入，引发学生好奇心和求知欲

课堂的导入需要有一定的趣味性和拓展性。有效的课堂导入能让学生快速进入上课状态，提高教学效率[10]。针对中小学生活泼、开朗的性格特点，趣味性的导入往往更能吸引学生的注意力。机器人教育作为STEAM教育的重要载体，跨学科性是机器人教育的一个重要特征。教师在课堂导入时，可巧妙运用各类学科中有趣的小故事、小知识等进行拓展性导入，这样不仅能满足孩子的好奇心，又能让孩子学习到更多的知识，从而推动学生的全面发展。

在Clbbot机器人教学的光线传感器课程中，为有效导入新课内容，教师通过讲授爱迪生发明灯泡的小故事和路灯晚上会自动亮起的事例进行导入。例如，教师可以这样引导：“同学们，在人类发明出灯泡之前，我们夜间出行并没有现在这么方便。你们知道是谁发明了灯泡吗？灯泡又为什么可以在夜晚到临时自动亮起来呢？这些现象背后，其实隐藏着光纤传感器的神奇工作原理”。鉴于中小学生的大脑思维正处于具象思维到抽象思维的过渡时期，将导入内容和日常生活紧密联系，更利于激发学生的学习兴趣，促进学生思考。

4.2 简易化理论透析，让学生知其然更知其所以然

深入浅出地阐释原理知识，有利于学生高阶学习的发生。通过教师的讲解，引导学生深入探索知识点的底层逻辑，有助学生实现更高阶的学习目标。布鲁姆的教育目标分类理论将知识掌握划分为知道、理解、应用、分析、综合、评价六个层次。如果学生不了解编程背后的原理知识，他们的学习将很可能停留在知道、理解、应用的低阶层次，难以对学到的知识进行分析、综合和评价，创新就更无从谈起。因此，教师在讲解知识时需要考虑学生的接受能力和认知水平，力求言简意赅、条理清晰，避免冗长烦琐的阐述，以确保教学效果的最优化。

Clbbot机器人教育中，巡线传感器能读取到的值为“0、1、2、3”四个数。这些数值背后隐含着巡线传感器的工作原理，即由两个红外发射和接收器构成的复杂机制。其中，“0”表示接收到，“1”为没有接收到，这两种状态通过不同的组合形成二进制数，再转换为十进制数，才能成为在编程中用于条件判断的值。如果教师未能深入且清晰地阐释这一原理，学生将难以理解巡线传感器工作过程。另一方面，考虑到教学效率和主题的聚焦性，教师不宜在二进制和十进制转换上花费过多时间，以免偏离教学主旨，造成本末倒置的困境。因此，在讲解时，教师应紧扣巡线传感器的工作原理这一核心，以简明扼要的方式阐述相关知识，确保学生在理解的基础上能够顺利开展后续学习。

4.3 多层次任务驱动，兼顾全体学生发展

不同难度的学习目标适应不同层次学生的发展。学生的成长受遗传和环境等多重因素的影响，以致不同学生在学习风格、兴趣以及知识结构等方面呈现出显著的个性化特征。在此基础上，不同的学生在同一个知识点的学习上也表现出不同的学习能力，即学生的“最近发展区”是有差异的。因而在预设课程任务时，需要充分考虑到学生间的学习能力差异，并针对性地设置不同难度的学习任务。这样做不仅有助于满足学生的个性化学习需求，更能有效促进他们在各自的发展水平上实现最大化提升。

在指导学生通过编写积木程序实现Clbbot机器人灯光闪烁效果的教学过程中，可以将学习任务进行如下层次化设计：（1） 基础层级，要求学生实现同种颜色的灯闪烁，此阶段主要要求学生掌握控制灯光积木块的基本使用方法，并设置相应的参数值，完成程序上传即可；（2） 进阶层级，要求学生实现几种固定颜色的灯光交替闪烁，这需要学生深入了解红、绿、蓝三原色的取值范围以及颜色混合的基本原理；（3） 高阶层级，要求学生实现随机颜色的灯光闪烁，此阶段学生需在掌握前两层级知识的基础上，进一步学习并应用“随机数”的相关知识。通过这种递进式的学习任务设计，不仅有利于将复杂知识点进行分解，降低学生的认知负荷，还能更好地适应不同学习层次学生的需求，促进他们的个性化学习和全面发展。

4.4 启发式操作演示，展示样例程序时关注重点难点

启发式的程序操作演示有助于学生有效地将所学的知识外显。机器人教育大多以编程为主[11]，而编程是培养学生逻辑思维和问题解决能力的重要手段，同时也是学生将理论知识转化为实践技能的关键途径。经过简明的理论知识讲解后，学生虽然对如何编写程序实现目标效果有了初步的认识，但由于程序编写能力的差异，部分学生仍可能面临知道目标却不知如何着手的困境。因此教师的适切的操作演示显得尤为重要。考虑到学生的疑惑并非遍及整个编程过程，因此教师的演示不必面面俱到。采用边讲解边演示的方式更为合适，聚焦于编程的重点和难点，深入剖析程序的关键点，以此激发学生的思考，引导他们自主探索和解决问题。这样的启发式教学不仅有助于提高学生的编程技能，更能培养他们的创新思维和自主学习能力，为未来的深入学习和职业发展奠定坚实基础。

在Clbbot机器人的红外避障模块教学中，学生已经具备巡线传感器的先验知识。二者的编程原理有相同之处，但是在硬件结构和工作原理上存在明显差异。巡线传感器将两个红外发射和接收器集成为一个硬件，最终输出单一值。红外避障则包含两个相互独立的硬件模块，编写程序时需要对每个避障模块的监测值进行读取判断。此外，红外避障模块的灵敏度是可以调整的，不同的灵敏度测出的值不同，所以不同学生在机器人上运行相同的程序可能结果也不一样。学生初次面对这类问题时往往束手无策，所以在讲解程序时，教师应重点剖析这一部分的程序逻辑与知识要点。可采用对比教学法，将巡线传感器作为先行组织者，通过对比分析两者的异同，促进学生对红外避障模块编程原理的深入理解。

4.5 激励型发展性评价，关注结果更关注学生成长

激励型发展性评价能积极促进学生的正向发展。激励型的评价反馈表达了教师对学生发展的良好期望和肯定，对学生的成长有积极的影响，即“罗森塔尔效应”。从多元维度审视，评价可以细分为多种类型，每种类型都有其特定的关注点与功能。发展性评价突出成长的过程，其目的不在于甄别而在于促进学生的成长发展[12]。同样聚焦学生的发展，在发展性评价中融入鼓励等积极因素往往能得到锦上添花的效果。但激励不能是空泛的，发展性评价同样不能泛泛而谈。在评价学生时要切实流露出真情实感，保评价内容具体、真实、有针对性，体现出对学生的关注，否则可能会削弱评价的效果。

在Clbbot机器人教育课程结束时，根据学生学习过程中的课堂发言、任务完成度、出勤等表现对学生发放5至7枚纸质奖章，体现对学生学习过程的评价。在此基础上，融入激励元素，以期达到更加积极的评价效果。如先根据每位学生的日常表现发放4至6枚奖章作为基础学习奖励，剩下1至2枚奖章单独分发给学生，并附带鼓励性评语。对于表现优秀的学生，给与充分的肯定和赞扬，如：“XX同学，在这次课程的学习中，你上课认真听讲，积极发言，尤其是在做XX 案例时很出色，这两枚奖章是你优秀表现的额外奖励，老师相信你在以后的学习中也会表现得相当出彩的。”对于表现欠佳的学生，则采取鼓励与引导相结合的策略，如：“XX同学，虽然你在课堂上的注意力有待提高，在完成XX案例时进度较慢，但我们在单独讲解时感受到了你的认真态度。这枚奖章是对你学习态度的肯定，相信只要你稍加努力，成绩定会有所提升。”这种评价方式不仅能体现教师对学生成长过程的关注，更有利于激励学生的积极成长。但实际情况往往更加复杂，不同学生，评语也有差异。总之，在评价学生时，我们应注重过程性评价，结合事实依据，有理有据地给出评价，并充分体现出对学生的关爱和鼓励。这样的评价方式有助于促进学生的全面发展，提升教育质量。

5 结束语

机器人教育作为时代发展的产物，有着独特的教育价值，受到广大智能教育研究者的关注，在中小学课程中的地位日渐突出。中小学教师掌握一定的教学方法和策略不仅能顺利开展教学活动，还有助于学生轻松有效地掌握知识、提升自我。本文结合几个教学实例为广大中小学教师开展机器人教育提供参考和建议，但教学有法而教无定法，在实际的教学情境中，教师需要根据实际情况灵活运用。