STEM教育视角下小学机器人课程实践研究

孙明 张惠清 钟雯雯

摘要：STEM教育理念指导下的小学机器人课程是提升学生科学素养，激发学生对科学、技术、工程和数学等学科知识的兴趣的有效途径。文章通过文献分析和实践探索，为进一步改善机器人教学提供了相应的参考，以期促进机器人教育的发展。

关键词：STEM教育；机器人；项目教学

中图分类号：G622.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）27-0144-02

在“大众创业，万众创新”的时代背景下，越来越多的小学开展了“STEM”创客教育，努力提升学生的科学素养，激发学生对科学、技术、工程和数学等学科知识的兴趣。机器人课程因其学科交融性和实践操作性，被认为是培养科学素养的有效途径，它帮助教师将工程设计、科学过程、技术素养和数学置于能让学生参与并理解的情境中，具有较高的教育實践价值。

一、STEM教育与机器人课程

以美国为首的西方发达国家最早提出旨在提高学生科学素养的STEM教育理念，将科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科内容组合形成有机整体，培养学生的创新精神与实践能力。

STEM教育的核心特点是跨学科融合，通过将科学、技术、工程和数学等多学科的融合，增强知识在实际生活中的应用，提高学习效率；学中做的动手实践是STEM教育的特色，学生通过设计和制作实物来展现对知识的应用；STEM教育以任务或项目形式进行团队协作，培养学生的团队意识和协作能力；STEM教育引导学生以探索的方式对所学的内容进行研究，提高学生的学习兴趣和探索未知的好奇心。

机器人课程作为STEM教育的重要载体，国内外对于其促进STEM学科整合及学生STEM素养提升已开展了内容广泛的研究。美国国家科学基金（NSF）支持下的教师经验研究项目在其专设的K-12阶段教育（从幼儿园到12年级的教育）网站上提供了诸多已经付诸实施的机器人教学案例成果，案例包括课程计划、测试题目、评价量表、探索工具簿等多种形式的资料。国内机器人教育起步较晚，但发展迅速。北京市景山学校最早将机器人教学作为常规课程进行教学。2004年，中小学信息技术教育专业委员会召开了“第一次全国中小学机器人教育研讨会”，成立了“机器人学组”，制定了《中小学智能机器人课程指导意见（讨论稿）》，为今后我国机器人教育提供了一个明确的方向。2011年，中国教育技术协会信息技术教育专委会制定了《义务教育信息技术课程纲要（征求意见稿）》，明确地把机器人列入信息技术课程，这标志着我国中小学信息技术课程进入一个崭新的发展阶段。

二、海华小学的机器人课程实践

海华小学高度重视培养学生的科学素养，在上级教育主管部门的支持下，投资建设专门的创客空间，配备了较为完善的机器人教育器材，并同吉林大学珠海学院合作开展机器人课程教学。

1.充分利用高校教育资源。小学独立开展机器人教学，存在缺少专业教师、缺乏专门教材、缺少教学经验等现实困难。海华小学通过与吉林大学珠海学院合作，利用高校教育资源和丰富的机器人教学经验，结合自身特点，建设了一支专兼职结合的教学团队，开发了较为完善的机器人课程，探索出特色鲜明的机器人教育模式。

海华小学组织信息技术课程教师与高校相关专业教师组成教学团队，参照国内外小学机器人教学的经验，共同开发机器人课程。在课程实施阶段，由高校组织机械、电子、计算机高年级学生组成辅导团队，参与课堂教学，指导小学生动手实践。课堂上基本上能够保证每四五名小学生有一名大学生现场指导，确保了实践教学的效果。

在实施机器人课程的过程中，海华小学的教师积累了丰富的教学经验，并定期到高校接受机器人和信息技术的系统培训，扩展了知识，提升了能力，为更广泛地开展机器人教学奠定了坚实的基础。

2.基于STEM理念的项目教学。STEM教育提倡团队协作的项目化教学，项目教学是以在一定时间内创作作品、解决现实问题为目标，组织学生运用多学科知识、借助多样化资源进行合作探究学习的教学模式，强调以学生为中心，教师根据学生的特点重新整合教学内容，精心设计教学项目，让学生在项目中自主建构知识。海华小学的机器人课程以4—5人为一组构建项目小组，通过“基础知识学习→小组项目作业→小组创新实践”三个教学阶段，指导学生了解机器人相关知识，掌握图形化编程软件的应用技能，培养学生勇于质疑、敢于尝试的创新精神，激发他们对科学技术的学习兴趣。例如，在交通工具制作项目中，教师指导学生组装寻迹小车，通过八个课时的学习与实践，使学生了解了交通工具、智能芯片、电机和传感器等知识，体验并掌握了机械组装、电子电路连接、计算机编程等技能。教师引导学生团队从课程任务的分析规划、搭建编程、场地测试、调制改进过程分工合作，共同完成作业，创造自己梦想中的未来汽车。合作学习的过程，既能增加同学之间的友谊，使其体验到合作的乐趣，同时又能集思广益，拓展思维，展现每个人的聪明才智，还能让同学们意识到团体的重要性，学会与人合作。

3.机器人教学活动的评价与反思。海华小学的机器人课程，通过一学期的积极探索，形成了较为完善的教学方案，培养了稳定的教师团队，促进了学生科学素养和创新能力的提升。机器人课程班的学生始终保持对科学技术的浓厚兴趣，自主学习能力和创新能力大大提高，初次参加省市科技竞赛就取得较好成绩，吸引了更多的学生希望参加机器人课程学习。

机器人课程在实施过程中，也发现了一些亟待解决的问题。首先是教师队伍建设，授课教师缺乏系统的机器人教育培训，其在师范院校期间接受的是按照学科专业分类后的专业教育，很难适应基于学科整合的机器人课程，而且教师数量无法满足学生学习的需求。其次是教材缺乏，机器人课程作为新设课程，目前尚无统编教材，上课所使用的大多是培训教材或教育机器人公司自编教材，内容深浅不一，并不能完全适应小学机器人教育的需求。再次是教具问题，国外的小学机器人教育多采用乐高、VEX等公司的产品作为教具，但这些产品普遍价格较高，在短时间内难以大规模推广。国内产品虽然价格较为便宜，但质量参差不齐，缺少配套教程，不能满足机器人教学的需求。最后是目前小学开展机器人课程的动机一方面是落实国家义务教育方针、政策，另一方面是组织学生参加各种机器人类比赛或科技比赛。参赛获奖的目标导向，直接影响其急功近利的思想，往往在课程实施过程中受到各种赛事的安排影响，影响教学效果。

三、机器人课程改进建议

1.丰富机器人课程的内容。基于项目教学的机器人课程有助于学生创造能力、问题解决能力、团队协作能力、沟通交流能力及批判性思维能力等综合能力的提升，教学效果备受学生的喜爱。但项目教学对教学内容和教师的要求较高，小学难以依靠自身条件完全满足以上要求，应当与高校、科研院所以及机器人产业保持紧密联系，共同开发、丰富机器人课程的内容。一方面是设计更加适合中国学生特点的课程包，既要有一定的深度、广度和前瞻性，又要简单易学；另一方面要开发更加符合小学年龄段智力和动手能力的教具，比如机械和电子结构的连接方式尽可能采取插拔式和磁吸式，编程方式尽可能采取图形化编程，价格要更加便宜，以便于普及推广。

2.培养专业的师资队伍。根据信息技术教育和机器人教育的时代要求改革和完善师范教育，跨学科跨专业联合培养机器人教育的专业人才，建立健全机器人教育教师的职业标准和教学规范，形成机器人教育教师终身学习、终身培训的新机制。

3.探索互联网+教育的新模式。机器人教育不仅仅是课堂教学，更多的是课下的学习和实践。要充分利用和发挥好互联网信息技术的优势，开发更多的在线学习资源，形成线上线下联动的学习机制，让学生由被动灌输式学习转换为主动探索式学习。利用互联网+物联网技术，将教学机器人与在线教学平台进行联网，使每个学生手里的机器人不仅仅是学习的“道具”，更是学习的“导师”，使学生爱上学习，爱上机器人，爱上科技创新。

参考文献：

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