賈金元+武小龍+武國(guó)偉

[摘 要]根據(jù)當(dāng)前高中機(jī)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(jī)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(jī)器人課程的教學(xué)設(shè)計(jì)流程，對(duì)高中機(jī)器人教學(xué)進(jìn)行了嘗試和探索。

[關(guān)鍵詞]STEM；創(chuàng)客；高中；機(jī)器人

STEM與創(chuàng)客教育進(jìn)入學(xué)校，是基礎(chǔ)教育新課程改革的一個(gè)趨勢(shì)，機(jī)器人項(xiàng)目作為STEM與創(chuàng)客教育的一種綜合實(shí)踐載體，其價(jià)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(huì)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(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作展開的[1]。全國(guó)各級(jí)各類有條件的學(xué)校通過(guò)校本選修、社團(tuán)研學(xué)等形式開展了多種多樣的機(jī)器人教育活動(dòng)。經(jīng)過(guò)十多年的教學(xué)和實(shí)踐，高中機(jī)器人教育教學(xué)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是從機(jī)器人教育的發(fā)展趨勢(shì)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(jī)器人教學(xué)側(cè)重競(jìng)賽，沒有意識(shí)到要向?qū)W生傳遞一種理念。美國(guó)在K-12教育階段已經(jīng)將機(jī)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(jì)，美國(guó)麻省理工大學(xué)每9個(gè)學(xué)生中就有1個(gè)參加過(guò)美國(guó)FIRST非盈利性機(jī)構(gòu)主辦的FIRST比賽。這一賽事給學(xué)生提供了一個(gè)平臺(tái)，使學(xué)生能夠運(yùn)用知識(shí)和智慧把在課堂上學(xué)到的科技概念運(yùn)用到現(xiàn)實(shí)工程師問(wèn)題的解決中。高中機(jī)器人教學(xué)應(yīng)該注重動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)，切實(shí)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(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì)（NSB）的報(bào)告，它的提出響應(yīng)了20世紀(jì)后期美國(guó)教育的改革，強(qiáng)化了美國(guó)科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)戰(zhàn)略。美國(guó)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(píng)價(jià)等方面已經(jīng)形成了一個(gè)較為完整的體系，它將嚴(yán)肅的學(xué)術(shù)概念與現(xiàn)實(shí)生活中的課程相結(jié)合，通過(guò)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(shí)于特定環(huán)境中，創(chuàng)造性地解決問(wèn)題。美國(guó)的STEM教育在大學(xué)申請(qǐng)、課程設(shè)置、學(xué)生實(shí)踐活動(dòng)等方面具有明顯的特點(diǎn)，對(duì)于我國(guó)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(guó)創(chuàng)客教育藍(lán)皮書》中首次系統(tǒng)定義了“中國(guó)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(xiàng)目學(xué)習(xí)和任務(wù)學(xué)習(xí)的方式，強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際，將科學(xué)、技術(shù)、工程、電子、機(jī)械、編程、設(shè)計(jì)、藝術(shù)、人文等多種學(xué)科充分融合，以解決生活中實(shí)際問(wèn)題作為教學(xué)出發(fā)點(diǎn)，讓學(xué)生通過(guò)掌握各種最新科技、設(shè)備、工具、軟件和材料的使用來(lái)進(jìn)行動(dòng)手造物的訓(xùn)練，讓學(xué)生從被動(dòng)接受知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橛H手將自己的想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的創(chuàng)造性學(xué)習(xí)模式，培養(yǎng)跨學(xué)科解決問(wèn)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(qiáng)調(diào)一種教育理念，鼓勵(lì)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(guó)家教育戰(zhàn)略，成為了實(shí)踐創(chuàng)客教育的一種最好的載體。 在國(guó)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(jī)器人教學(xué)

機(jī)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(jì)、機(jī)械制造、程序設(shè)計(jì)、開源硬件、三維設(shè)計(jì)、圖像識(shí)別和人工智能等先進(jìn)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(shí)驗(yàn)）》，設(shè)立了“人工智能初步”選修模塊，把機(jī)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(jìn)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(shí)踐成果豐富和改善機(jī)器人課程教學(xué)，可算順理成章。目前，國(guó)內(nèi)已有數(shù)百所學(xué)校開展了機(jī)器人教學(xué)，主要以機(jī)器人教學(xué)和機(jī)器人競(jìng)賽的形式展開[4]。國(guó)內(nèi)目前的高中競(jìng)賽主要有VEX挑戰(zhàn)賽、FIRST主辦的競(jìng)賽（FLL、FTC、FRC）、中國(guó)青少年機(jī)器人競(jìng)賽等。

在CNKI學(xué)術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中分別以“機(jī)器人”“機(jī)器人教學(xué)”“機(jī)器人教育”“高中機(jī)器人教學(xué)”為主題進(jìn)行近5年文獻(xiàn)的搜索可以發(fā)現(xiàn)，針對(duì)機(jī)器人教學(xué)方面的課程設(shè)計(jì)和教學(xué)研究相對(duì)較少，而高中機(jī)器人教學(xué)更較少涉及（見表1）。同時(shí)，從研究層次來(lái)看，大部分作者來(lái)自高校的工程學(xué)領(lǐng)域，專門研究與工業(yè)機(jī)器人相關(guān)的專業(yè)知識(shí)和技能，很少涉及到普通教育階段的機(jī)器人教育。從教學(xué)模式上看，主要集中于項(xiàng)目教學(xué)和基于問(wèn)題的教學(xué)。在國(guó)家層面還沒有統(tǒng)一的中小學(xué)機(jī)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(jìn)行合理選擇并有側(cè)重地教學(xué)。

總結(jié)起來(lái)，目前機(jī)器人教學(xué)存在的問(wèn)題主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。

一是在教育目標(biāo)層面，重競(jìng)賽，輕動(dòng)手和應(yīng)用。高中機(jī)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(dòng)手能力。各種各樣的機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)是促進(jìn)機(jī)器人理念普及的主要方式，但是個(gè)別機(jī)構(gòu)的競(jìng)賽存在商業(yè)因素干擾過(guò)多、競(jìng)賽內(nèi)容固定、缺乏創(chuàng)造性、科技含量不高的問(wèn)題。有些廠家甚至給學(xué)校提供方案的時(shí)候就把參賽的機(jī)器人做好，學(xué)生只是利用課余時(shí)間進(jìn)行操作訓(xùn)練，對(duì)機(jī)器人的搭建和構(gòu)造原理沒有進(jìn)行深入了解，過(guò)于重視比賽成績(jī)，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(jī)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(jī)器人教學(xué)沒有將普及機(jī)器人理念和教育作為必修課程來(lái)實(shí)施。而國(guó)際班的學(xué)生在申請(qǐng)海外大學(xué)時(shí)發(fā)現(xiàn)，國(guó)外大學(xué)正在越來(lái)越看重STEM學(xué)習(xí)背景。機(jī)器人教育并不要求每一個(gè)學(xué)生都要去制作或者建設(shè)機(jī)器人，而是要讓學(xué)生明白機(jī)器人基本的理論和知識(shí)。為了從實(shí)質(zhì)上推動(dòng)機(jī)器人教育，根本途徑之一是將機(jī)器人教學(xué)引入課堂。

三是在教育理念支持層面，目前機(jī)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(píng)價(jià)等。課程的教材編寫、教學(xué)設(shè)計(jì)以及評(píng)價(jià)方法都是由機(jī)器人產(chǎn)品制造商提供參考，使得機(jī)器人教育理念與實(shí)踐的視野還不夠?qū)拸V，機(jī)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(gè)學(xué)校的實(shí)際情況有很大出入。有些學(xué)校有教師無(wú)設(shè)備，有些學(xué)校有設(shè)備無(wú)師資，機(jī)器人教學(xué)還沒有走出一條內(nèi)涵式的發(fā)展道路。endprint