賈金元+武小龍+武國偉

[摘 要]根據(jù)當(dāng)前高中機器人教育教學(xué)和研究的現(xiàn)狀，構(gòu)建了一種面向創(chuàng)客教育的高中機器人課程教學(xué)模型，以平面四連桿的內(nèi)容為教學(xué)案例，詳細(xì)提供了該模型下機器人課程的教學(xué)設(shè)計流程，對高中機器人教學(xué)進行了嘗試和探索。

[關(guān)鍵詞]STEM；創(chuàng)客；高中；機器人

STEM與創(chuàng)客教育進入學(xué)校，是基礎(chǔ)教育新課程改革的一個趨勢，機器人項目作為STEM與創(chuàng)客教育的一種綜合實踐載體，其價值已逐步獲得很多基礎(chǔ)教育學(xué)校的認(rèn)可，當(dāng)前社會各界廣泛關(guān)注的STEM與創(chuàng)客教育中有部分內(nèi)容就是圍繞機器人的設(shè)計與制作展開的[1]。全國各級各類有條件的學(xué)校通過校本選修、社團研學(xué)等形式開展了多種多樣的機器人教育活動。經(jīng)過十多年的教學(xué)和實踐，高中機器人教育教學(xué)取得了長足的發(fā)展，但是從機器人教育的發(fā)展趨勢和課程的組織形式上看，還存在明顯不足。大部分學(xué)校開設(shè)機器人教學(xué)側(cè)重競賽，沒有意識到要向?qū)W生傳遞一種理念。美國在K-12教育階段已經(jīng)將機器人列入科學(xué)技術(shù)課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容。據(jù)統(tǒng)計，美國麻省理工大學(xué)每9個學(xué)生中就有1個參加過美國FIRST非盈利性機構(gòu)主辦的FIRST比賽。這一賽事給學(xué)生提供了一個平臺，使學(xué)生能夠運用知識和智慧把在課堂上學(xué)到的科技概念運用到現(xiàn)實工程師問題的解決中。高中機器人教學(xué)應(yīng)該注重動手能力和創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)，切實培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力和STEM思維。

一、相關(guān)背景介紹

1.STEM教育與創(chuàng)客教育

STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）與數(shù)學(xué)（Mathematics）的首字母的組合，它源自美國國家科學(xué)委員會（NSB）的報告，它的提出響應(yīng)了20世紀(jì)后期美國教育的改革，強化了美國科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)戰(zhàn)略。美國K-12教育階段在歷經(jīng)幾十年的探索和改革后，在教育目標(biāo)、STEM課程、STEM師資、評價等方面已經(jīng)形成了一個較為完整的體系，它將嚴(yán)肅的學(xué)術(shù)概念與現(xiàn)實生活中的課程相結(jié)合，通過跨學(xué)科教育，使學(xué)生應(yīng)用已學(xué)習(xí)的科學(xué)、技術(shù)學(xué)、工程學(xué)和數(shù)學(xué)知識于特定環(huán)境中，創(chuàng)造性地解決問題。美國的STEM教育在大學(xué)申請、課程設(shè)置、學(xué)生實踐活動等方面具有明顯的特點，對于我國的新高考、創(chuàng)客教育和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)等方面有重要啟示。

創(chuàng)客教育是創(chuàng)客文化與教育的結(jié)合，在《中國創(chuàng)客教育藍(lán)皮書》中首次系統(tǒng)定義了“中國特色創(chuàng)客教育”的具體內(nèi)涵：“創(chuàng)客教育”基于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，以項目學(xué)習(xí)和任務(wù)學(xué)習(xí)的方式，強調(diào)理論聯(lián)系實際，將科學(xué)、技術(shù)、工程、電子、機械、編程、設(shè)計、藝術(shù)、人文等多種學(xué)科充分融合，以解決生活中實際問題作為教學(xué)出發(fā)點，讓學(xué)生通過掌握各種最新科技、設(shè)備、工具、軟件和材料的使用來進行動手造物的訓(xùn)練，讓學(xué)生從被動接受知識轉(zhuǎn)變?yōu)橛H手將自己的想法變?yōu)楝F(xiàn)實的創(chuàng)造性學(xué)習(xí)模式，培養(yǎng)跨學(xué)科解決問題的能力。

可見創(chuàng)客教育與STEM教育有很多相似之處，但創(chuàng)客教育更加強調(diào)一種教育理念，鼓勵學(xué)生享受創(chuàng)造與分享的快樂。STEM教育作為一種最初自上而下培養(yǎng)理工科人才的國家教育戰(zhàn)略，成為了實踐創(chuàng)客教育的一種最好的載體。 在國內(nèi)，當(dāng)創(chuàng)客教育和STEM教育提出并在學(xué)校中開始踐行后，很多學(xué)校并未嚴(yán)格區(qū)分兩者的不同。

2.機器人教學(xué)

機器人教育旨在培育學(xué)生的創(chuàng)新素養(yǎng)，為創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。它融合了工程設(shè)計、機械制造、程序設(shè)計、開源硬件、三維設(shè)計、圖像識別和人工智能等先進技術(shù)，代表了現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展的前沿[2]。教育部頒布的《普通高中技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）》，設(shè)立了“人工智能初步”選修模塊，把機器人教學(xué)內(nèi)容納入到信息技術(shù)、研究性學(xué)習(xí)課程中[3]。在《高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（修訂版）》中，進一步突出了STEM教育的重要性，利用創(chuàng)客教育和STEM課程的最新理論與實踐成果豐富和改善機器人課程教學(xué)，可算順理成章。目前，國內(nèi)已有數(shù)百所學(xué)校開展了機器人教學(xué)，主要以機器人教學(xué)和機器人競賽的形式展開[4]。國內(nèi)目前的高中競賽主要有VEX挑戰(zhàn)賽、FIRST主辦的競賽（FLL、FTC、FRC）、中國青少年機器人競賽等。

在CNKI學(xué)術(shù)數(shù)據(jù)庫中分別以“機器人”“機器人教學(xué)”“機器人教育”“高中機器人教學(xué)”為主題進行近5年文獻的搜索可以發(fā)現(xiàn)，針對機器人教學(xué)方面的課程設(shè)計和教學(xué)研究相對較少，而高中機器人教學(xué)更較少涉及（見表1）。同時，從研究層次來看，大部分作者來自高校的工程學(xué)領(lǐng)域，專門研究與工業(yè)機器人相關(guān)的專業(yè)知識和技能，很少涉及到普通教育階段的機器人教育。從教學(xué)模式上看，主要集中于項目教學(xué)和基于問題的教學(xué)。在國家層面還沒有統(tǒng)一的中小學(xué)機器人教材和教學(xué)目標(biāo)，目前各學(xué)校都是根據(jù)自己的硬件條件進行合理選擇并有側(cè)重地教學(xué)。

總結(jié)起來，目前機器人教學(xué)存在的問題主要體現(xiàn)在三個方面。

一是在教育目標(biāo)層面，重競賽，輕動手和應(yīng)用。高中機器人教學(xué)的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和動手能力。各種各樣的機器人競賽活動是促進機器人理念普及的主要方式，但是個別機構(gòu)的競賽存在商業(yè)因素干擾過多、競賽內(nèi)容固定、缺乏創(chuàng)造性、科技含量不高的問題。有些廠家甚至給學(xué)校提供方案的時候就把參賽的機器人做好，學(xué)生只是利用課余時間進行操作訓(xùn)練，對機器人的搭建和構(gòu)造原理沒有進行深入了解，過于重視比賽成績，顯然有悖于開設(shè)這門課程的初衷。

二是在課程定位層面，機器人課程在高中階段大多數(shù)以選修課的形式存在。隨著STEM和創(chuàng)客理念的發(fā)展和課程改革的深入，高中機器人教學(xué)沒有將普及機器人理念和教育作為必修課程來實施。而國際班的學(xué)生在申請海外大學(xué)時發(fā)現(xiàn)，國外大學(xué)正在越來越看重STEM學(xué)習(xí)背景。機器人教育并不要求每一個學(xué)生都要去制作或者建設(shè)機器人，而是要讓學(xué)生明白機器人基本的理論和知識。為了從實質(zhì)上推動機器人教育，根本途徑之一是將機器人教學(xué)引入課堂。

三是在教育理念支持層面，目前機器人教學(xué)還缺乏完整的課程方案和教學(xué)模式、教學(xué)評價等。課程的教材編寫、教學(xué)設(shè)計以及評價方法都是由機器人產(chǎn)品制造商提供參考，使得機器人教育理念與實踐的視野還不夠?qū)拸V，機器人教育的氛圍不夠濃厚，在教學(xué)模式的探索創(chuàng)新方面還缺乏建樹，與各個學(xué)校的實際情況有很大出入。有些學(xué)校有教師無設(shè)備，有些學(xué)校有設(shè)備無師資，機器人教學(xué)還沒有走出一條內(nèi)涵式的發(fā)展道路。endprint