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基于STEAM理念的机器人教育模式探究

2021-09-06聂佳琦马燕范文翔

中国教育信息化·基础教育 2021年8期
关键词:STEAM教育实践探究教学模式

聂佳琦 马燕 范文翔

摘   要:STEAM教育的跨学科、情境性、做中学、综合性、协作学习、设计性等理念,为机器人教育的改革提供了新思路。文章首先阐述了STEAM教育的六大核心理念,然后分析STEAM影响下的机器人教育的发展趋势,并以STEAM教育理念为基础,在创客平台与网络技术的支撑下,从教学分析、学习支架设计、教学工具与资源开发、教学活动设计与实施、教学评价等五个方面构建机器人教育模式,最后以中山大学深圳附属学校机器人训练营的《循迹小车的组装与应用》课程为例,验证了该模式的有效性。

关键词:机器人教育;STEAM教育;教学模式;实践探究

中图分类号:G434 文献标志码:B 文章编号:1673-8454(2021)16-0022-05

一、引言

创新人才是知识经济时代下国家经济发展的需要,是我国由“中国制造”向“中国创造”转变的必要条件。国家提出要加大基础教育新课程改革力度,着力培养学生的创新能力与创造能力。机器人教育作为一种全新的教育方式,以问题或项目为起点,旨在推进跨学科知识融合,培养学生创新精神与实践能力。然而,目前国内机器人教育过分关注智能机器人的炫酷,缺乏科学的教育设计和基础性学科与跨学科知识的融合注入,使之无法满足现代化人才培养的需要。

作为有着丰富理论与实践基础的STEAM教育,其跨学科、综合性、协作学习、设计性等教育理念对机器人教育的发展有着积极的借鉴作用。一方面,STEAM教育的跨学科、综合性等理念,使机器人教育能更好地融入基础性学科知识,教育设计更加科学、有效,而这恰恰是目前机器人教育的薄弱环节。另一方面,STEAM教育理念可以丰富机器人教育的教学内容与方法,使其目标、方向与实施过程更加清晰,更符合现代人才培养的需求。

鉴于此,本文尝试以STEAM教育理念为基础,构建基于STEAM理念的机器人教育模式,并将该模式应用于中山大学深圳附屬学校机器人教育中,以期为我国机器人教育的开展,提供一些有益的参考与启发。

二、STEAM教育与机器人教育

1.STEAM教育

STEAM教育源于美国,其前身为20世纪80年代提出的STEM教育,涵盖了科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、数学(Mathematics)等四门学科的综合知识。2006年,美国弗吉尼亚理工大学的Yakman教授将代表人文艺术的Arts融入到已有的STEM教育中,从而形成了STEAM教育[1]。STEAM教育综合科学、技术、工程、数学和艺术的特点,整合了知识的获取、方法与工具的利用以及创新生产的过程,以系统、联系思维促进教育多元化发展。

STEAM教育的几门学科之间紧密相连,以整合的教学方式,培养学生解决实际问题的能力[2]。融合的STEAM教育具有新的核心理念,主要体现在跨学科、情境性、做中学、综合性、协作学习、设计性等六个方面。

“跨学科”是指鼓励学生跨学科界限,融入基础性学科知识,建立起现实生活与科学、技术等学科之间的联系,提高利用不同学科知识解决实际问题的能力;“情境性”重视情境的构建,鼓励学习者理论联系实践,灵活地解决问题;“做中学”强调以活动为基础、基于问题解决的学习,实现知识向实践的转变;“综合性”要求学生结合自己的兴趣,综合利用科学、技术、工程等多方面知识与技能,培养自己的创造能力;“协作学习”鼓励学生以协作学习的方式,提出问题、解决问题,并对学习成果进行评价[3];“设计性”指通过学习设计的方式,促进知识的融合与迁移运用[4]。

2.机器人教育

智能机器人融入了云计算、人工智能、电子技术、图像处理等先进技术,是近年来高新技术研究的热点。机器人教育是指以智能机器人为主要教学内容或教学工具而开展的教与学活动,旨在通过智能机器人的学科教育,培养学生的创造性思维与实践能力[5]。教育部正式颁布的《普通高中技术课程标准(实验)》,首次在高中《信息技术》《通用技术》课程中分别设立了“人工智能初步”“简易机器人制作”选修模块,此后机器人教育在国内开始逐步发展[6]。目前,国内已有数百所学校开展了机器人教学,主要以机器人教学和机器人竞赛的形式展开[7]。经过十几年的教学与实践,我国的机器人教育取得了长足的进步,已经由早期的竞赛推动逐渐向培养学生创新与创造能力方向发展。

3.STEAM影响下机器人教育的发展趋势

近年来,随着STEAM教育的不断发展,其提倡的理念与实践已经逐渐渗入机器人教育的各个环节,使机器人教育更加符合创新人才培养的需要[8]。因此,在STEAM教育理念的指导下,机器人教育主要显现出以下一些发展趋势:

(1)跨学科综合发展

机器人教育强调课程结构的跨学科和多种知识的运用。目前国内机器人教育缺乏基础性学科知识融合。因此,机器人教育要延续STEAM教育跨学科、综合性的理念,在教学活动中统筹整合各类知识,彼此联系不可或缺[8]。其培养的重点不仅仅是学生对机器人知识的掌握能力,更多的是学生运用多学科知识解决实际问题的能力和创造力。

(2)协同性发展

机器人教育是一种全新的开放式创新模式,不是简单的亲手去做,而是一起来做[9]。因此,机器人教育必须打破传统教育封闭的教学模式,不仅仅要秉承STEAM教育协作学习等理念,鼓励学生根据自身的兴趣以协作学习的方式解决问题,而且要紧跟时代的脚步,在教师的指导下进行协作探究。

(3)教育设计性增强

科学的教育设计是机器人教学活动正常开展的重要保证。通过设计不仅可以促进学生知识的迁移,使其获得外显习得的知识与能力,而且也是激发学习动机和保持学习兴趣的一个重要途径。

(4)情境体验性提升

情境是机器人教育重要的组成部分,不同的学习情境,学生学习情况也不同。因此,有别于传统教育,机器人教育重视情境的构建,鼓励学生问题联系实际,在项目任务的驱动下获得在具体情境下知识应用的能力。

三、基于STEAM教育理念的机器人教育模式构建

目前,国内机器人教育的教学理论和实践案例研究相对较少,还未形成完善的教学体系,存在教学资源不足、基础性学科知识融入不够、教学活动设计与实施不够完善等问题。为解决这些问题,促进机器人教育的健康发展,我国学者开展了一些有意义的探索。例如,刘淑云等在创客理念的指导下,从教学目标、操作程序、实现手段、成果转化等方面,构建了创客理念下的机器人教学模式[10];裘国永、李玉红等在分析中学VEX机器人发展现状的基础上,结合PBL设计性、情境性等特点,构建了基于PBL的中学VEX机器人教育模式[11];闫妮、钟柏昌等结合机器人教育发展特点,在分析学生实践创新核心素养的基础上,提出了发明创造型教学模式[12]。

虽然观点不近相同,但是这些机器人教育教学模式都强调培养学生的动手实践能力、创新思维能力和团队协作能力,为本研究教育模式的构建提供了有益的参考。需要特别指出的是,本研究所构建的机器人教育模式融入了STEAM教育理念,具有跨学科综合、设计性、情境性等特征,能够有效地开发和整合各类优质教学资源,优化教学活动设计,促进学生开放创新探究式学习[3]。

本研究在吸收借鉴已有相关优秀经验的基础上,以STEAM教育理念为指导,结合机器人教育发展的趋势,在参照ADDIE的流程基础上,尝试以教学设计为起点和立足点,围绕问题或项目,在创客平台与网络技术的支撑下,构建基于STEAM理念的机器人教育模式,如图1所示。该模式基于STEAM教育的六大核心理念,以项目与问题为核心,主要包括教学分析、学习支架设计、教学工具与资源开发、教学活动设计与实施、教学评价五个环节。

(1)“教学分析”环节

指在机器人教育开始之前,通过教学目标分析、学习者特征分析、教学策略设计,促进机器人教育三维目标(知识目标、技能目标、情感目标)的实现。

(2)“学习支架设计”环节

主要是融合了STEAM教育情景性和做中学的理念,根据不同的学习情景和学习对象,采用情境性支架、问题型支架、实验型支架、策略型支架等多种学习支架,促进教学目标的实现[4]。

(3)“教学工具与资源开发”环节

该环节不仅仅需要建立在已有的信息化软件、硬件和各种信息化工具上,例如Arduino开源硬件、教育机器人组装套件等,而且需要建立在程序设计工具、概念图工具等认知工具上,同时应根据教学目标和学习任务要求,开发微课学习资源、网络学习资源、移动学习资源等。

(4)“教学活动设计与实施”环节

主要是以学生为主体、教师为主导,在任务驱动下,采取小组分工、协作分享、探究实践、创造学习等不同的学习形式,融入相关基础性学科知识,促进学生不断地实践与创新[4]。

(5)“教学评价”环节

结合STEAM教育设计性和综合性理念,采取自我评价、小组和教师评价相结合的形式,从信息工具使用、协作学习、创造力、动机、项目完成情况等多个维度,对整个机器人教学活动进行客观、准确的评价,不断修订改进。

四、基于STEAM教育理念的机器人教育实践

基于STEAM理念的机器人教育模式是以信息技术融合为前提,以“工程”的思想和模式让学生“做中学”,有目的地培养学生创新精神和协作能力的教育模式,其核心在于创新与实践。本研究以中山大学深圳附属学校机器人训练营为研究对象,在基于STEAM理念的机器人教育模式的基础上,开展机器人教育的实践活动。

1.教学分析

(1)教学目标分析

中山大学深圳附属学校机器人训练营——《循迹小车的组装与应用》课程的目标是通过课程的学习,学生能熟悉和掌握循线小车机器人的结构特点和工作原理,独立完成循迹机器人的组装、编程和调试[10]。通过教学实践提高其分析和解决问题的能力,通过小组探究增强团队合作意识与提高人际交往能力。

(2)学习者特征分析

机器人训练营的学员是来自中山大學深圳附属学校的10名学生。作为小学生,他们思维活跃、学习积极性高,具备一定的独立思考、概括归纳的能力[11],在电子和程序设计方面有一定基础,但是学生对传感器相关知识了解较少,动手能力较差,在团队协作和创新能力培养方面有待提高。

(3)教学策略设计

机器人教育学习形式多样,注重分享与交流,鼓励学生探究式学习。因此,为了提升学生的综合能力,教师应根据教学内容和学生特征分析,在教学中采用探究学习教学策略、任务驱动教学策略、协作学习策略等符合现实情景的策略与方法。

2.学习支架设计

本课程以中山大学深圳附属学校机器人创新实验室和创客空间为基础,通过搭建循迹机器人仿真场地、播放有关机器人的视频短片和展示图片的方式创设情境,为青少年提供支撑、承载、联结的情景性支架[13],引导其进入学习。同时,为支持创客教育的开展,机器人创新实验室购入20多套Arduino元器件、金属积木结构件、电子模块等,作为本课程的实验器材。此外,选用2018年出版的《Ardunio机器人创客教育课程》为实验教材,通过教师演示机器人操作实验等方式,为学生模仿创造提供实验型支架,促进其创造性学习。

3.教学活动工具与资源的开发

丰富的教学活动资源和一定的硬软件条件是机器人教育中必不可少的环节。Arduino开源硬件是当前流行的开源电子原型平台,具有简易的编程环境,软硬件开源并可扩展,跨平台兼容、教学成本低等其他平台无法比拟的优势。作为一种实用的图形化编程工具——Mblock,具有操作简单、趣味性强、效果直观等优点,被广泛运用于中小学机器人教育领域。因此,本次教学实践采用Arduino开源硬件配合Mblock相关套件作为机器人教学实践的硬件平台,以Mblock软件作为机器人教学实践的软件开发平台,为学生实践和创新提供物质和技术支持。

为了方便学生进行自主学习,教师根据学生学习需求,将课程学习资源进行整合,开发了相关的微课资源,如《认识传感器》《循迹机器人的组装》等,如图2所示。另一方面,教师整合和运用多学科知识,结合网上大量的Arduino课程资源,开发了基于微信等网络平台的移动学习资源,如圖3所示。

4.教学活动设计与实施

(1)教学活动设计

机器人教育是以学生为主体,教师为主导,注重协作学习和创造学习的教学活动。因此,本课程的教学活动设计主要包括课程导入、知识技能的学习、合作探究与分享等。“课程导入”主要是通过教师播放机器人短片、演示操作循迹机器人、学生观摩体验并讨论等方式,激发学生对循迹机器人的兴趣,引导其进入课程。“知识技能的学习”主要是教师利用图片资料、微课资源和Mblock软件平台,讲解循迹机器人知识点和编程思路,然后演示组装机器人,使学生了解循迹机器人的内部结构、工作原理及相关的基础性学科知识,熟悉机器人组装的流程,掌握编程要点,为合作探究与分享阶段打下基础。“合作探究与分享”主要是通过小组协作探究、创造性学习、实践创新、教师指导、分享交流等方式,巩固学生课程所学知识,提升其创新能力、团队协作能力和动手实践能力。

(2)教学活动实施

本课程教学活动从实施到完成主要由三部分构成,具体如下:

①课程导入

教师首先播放《生活中的机器人》微视频和《机器人总动员》片段。然后用App手机终端操作多种循迹机器人按指定路线运行,并提出问题:循迹机器人是如何工作的?学生现场观摩、体验操作循迹机器人并围绕问题展开讨论。

②知识技能的学习

教师通过展示图片形式,向学生讲解循迹机器人概念,然后利用《认识传感器》《循迹机器人的组装》等微课教学活动资源和移动学习资源,向学生介绍循迹机器人内部结构、控制与规避障碍等原理以及相关的基础性学科知识,最后演示如何组装循迹机器人(包括主板、马达、循线模块、传感器等部件的组装)。在软件编程方面,教师通过Mblock软件平台讲解循迹机器人的编程思路和案例,然后演示如何将程序与循迹机器人连接,使其按预定的路线运行,深化学生对机器人控制系统的理解。最后学生分组进行模仿练习。

③合作探究与创造分享阶段

教师首先将10名学生分为5个小组,以小组为单位协作探究有关循迹机器人的机体构造、操作工具使用等课程知识,然后各个小组以协作学习的方式,模仿组装、编程和调试循迹机器人。之后,教师布置“机器人走直角”“机器人曲线运动”“机器人在不同场景下循迹”等3个编程小项目(项目主要来自于《Arduino项目DIY》一书),学生反复模仿,掌握编程要点。

在这个过程中,教师重点讲解了有关底盘组装、循线模块连线、“机器人曲线运动”程序编写等学生自主探究过程中遇到的难点问题。同时教师提出新问题,激发学生创意,引导学生思考[4]:还能通过改变Mblock程序让循迹机器人走哪些不同的路线?比如十字路口、S型路线、田字格路线等。接着学生自主探究,小组讨论解决方案,然后自行分工协作,设计多条程序,改变小车的运行轨迹,最后学生展示各自的创意作品,分享自己心得。各小组之间互相提问,提出优化意见。

5.教学评价

中山大学深圳附属学校机器人训练营——《循迹小车的组装与应用》课程通过自我评价、小组和教师评价相结合的形式,从参与度、项目完成情况、信息工具的使用、协作学习、创造力等多个维度,全面考察学生的学习效果。

参考评价的维度编制问卷量表,让学生对本次学习情况进行评价,发现学生对实践项目的参与热情很高,较好地掌握了知识技能学习部分的知识点,但是在Mblock程序编写方面,还需要教师进一步指导;在小组展示后,通过小组互评方式,鼓励学生对其他小组的作品进行总评与交流,发现各小组能根据教师的问题积极思考,通过团队协作和实践的方式,自主设计完成解决方案。例如“循迹机器人走田字格路线”,体现出一定的创造力;课程结束后,教师结合整个学习活动中学生的表现,对本节课的教学进行总结性评价,发现通过课程学习,学生熟悉了循迹机器人的工作原理,能够较为熟练地运用信息化工具,实践项目的完成率达到70%以上,提高了自身的动手实践能力,体会了项目从设计到完成带来的成就感。同时,以此课程为基础,鼓励学生组队参加全国中小学电脑制作大赛、深圳市中小学机器人竞赛、光明区机器人竞赛等比赛,取得了不错的成绩。

通过教学实践发现,基于STEAM理念的机器人教育模式能够较好地激发学生的学习兴趣,培养学生的动手实践能力和团队协作意识,提高了学生的STEAM素养。但是仍存在以下一些问题,比如在教学活动实施环节中,由于小学生自制力较差、教师课堂掌控能力不足等原因,教学出现了短暂的混乱;教学任务与支架设计环节中课程和任务的设计不够系统;学生比较注重动手实践而轻视理论知识的学习。

针对机器人教育中存在的问题,教师首先应在充分了解学生的基础上,帮助他们确立和实现机器人课程目标,并设计好课堂的每一个环节,使得教学井然有序。为了提升课堂掌控力,教师一方面可以转化师生角色,细化教学任务与活动设计;另一方面可以在今后的教学过程中不断地实践与反思,在反思中发展,提高自身专业素养。其次,应根据教学目标和学习者特征的分析,坚持综合性原则和针对性原则,将学习问题与真实情景相融合,系统地设计教学课程。为解决学生轻理论知识学习的问题,教师可以优化教学语言,采用案例式教学法、互动式教学法等多种教学法,增强理论知识学习的趣味性,激发学生学习的热情。

五、结语

基于STEAM理念的机器人教育模式,在创客平台与网络技术的支撑下,围绕项目与问题,通过协作学习和合理利用资源,让学生发现问题、解决问题,有助于优化机器人教育过程,培养学生创新能力和创造能力。

本研究阐述了STEAM理念下机器人教育的特征,分析了STEAM影响下机器人教育的发展趋势,建构了基于STEAM理念的機器人教育模式。通过教学实践,验证了该教学模式具有较好的教学效果,为开展机器人教育提供了借鉴。但是在教学过程中也发现一些问题,例如机器人教育过程中,学生重视动手实践而轻视理论知识的学习。因此,如何有效地解决这些问题,更好地把STEAM教育与机器人教育融合,还需要更进一步探索。

参考文献:

[1]范文翔,张一春.STEAM教育:发展、内涵与可能路径[J].现代教育技术,2018(3):99-105.

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[3]何克抗.建构主义——革新传统教学的理论基础(一)[J].学科教育,1998(3):29-31.

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[5]祝龙记,郑晓亮.基于机器人制作平台的大学生创新能力的培养[J].安徽理工大学学报(社会科学版),2010,12(1):95-97.

[6]王同聚.中小学机器人教学中“微课”的制作与应用研究[J].中国电化教育,2014(6):107-110+126.

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[10]刘淑云,马燕,范文翔.创客理念下师范院校的机器人教学模式探究[J].现代教育技术,2016(7):120-126.

[11]裘国永,李玉红.中学VEX机器人教育的PBL教学模式探索及影响分析[J].现代中小学教育, 2017,33(7):70-75.

[12]闫妮,钟柏昌.中小学机器人教育的核心理论研究——论发明创造型教学模式[J].电化教育研究,2018,39(4):66-72.

[13]傅骞,王辞晓.当创客遇上STEAM教育[J].现代教育技术,2014(10):37-42.

(编辑:李晓萍)

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