丁方儀 蔡孟秋 陳曙光

一、研究背景

STEAM是科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)、藝術(Arts)和數(shù)學(Mathematics)的英文單詞的首字母，是多學科交叉融合的領域。STEAM一詞來源于美國，被稱為美國的“素質(zhì)教育”，可以提高學生的總體競爭力，緩解就業(yè)壓力。STEAM教育理論的發(fā)表和研究符合時代的發(fā)展，在21世紀被提升為一項針對K12的國家教育戰(zhàn)略，其目的在于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。STEAM教育不僅僅是多門學科的疊加，更代表著一種跨學科的整合教育模式。而機器人教育作為跨學科教育的領頭羊，正逐漸走進中小學課堂。2017年，由國務院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，更是將中小學人工智能教育的重要性提升到一個新的高度。各級教育相關部門、學校和社會各界學者，也以不同的形式支持并開展有關機器人教育的活動。在機器人的實際教學過程中，教育工作者結(jié)合各種內(nèi)容進行教學，使學生加強機器人技術的學習，促進多學科的知識學習。同時，通過學生自己的動手操作，培養(yǎng)其創(chuàng)新意識和能力[1]。由此可見，機器人教育符合STEAM教育理念，是基于這一理念的教學實踐和探索。

1.STEAM理論下的機器人教育

國內(nèi)對機器人教育缺乏系統(tǒng)性研究，特別是在一線教學過程中，存在許多問題與疑惑。因此，在STEAM教育的視角下看機器人教育問題變得十分有意義。

2.核心特征

STEAM 教育具備的核心特征有：體驗性、情境性、跨學科性、趣味性、技術增強性、藝術性、實證性、協(xié)作性、設計性等[2]，都能體現(xiàn)在機器人教育中。機器人教育是素質(zhì)教育的載體，涉及領域范圍廣，涉及科學、技術、工程、數(shù)學和藝術等。它打破了各個學科之間的壁壘，強調(diào)跨學科內(nèi)容的整合。機器人課堂以學生的興趣為基礎開展活動，符合學生的認知規(guī)律和特點，游戲化的課堂相較于傳統(tǒng)課堂更具有趣味性；在搭建機器人的過程中，學生不僅要動手，還要積極開動腦筋思考，使自己沉浸在整個學習過程中。學生在體驗課堂的過程中自然而然地了解并接受知識；機器人課程把抽象、枯燥的理論轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶋H操作，使學生在真實情境下進行學習，解決實際問題；學生面對不同的問題進行分工與合作，在團隊中互相啟發(fā)，解決困難；機器人課堂環(huán)節(jié)包含設計作品，同時強調(diào)設計性與藝術性，將學習的結(jié)果外化，豐富學生的創(chuàng)造力。

我國《教育信息化“十三五”規(guī)劃》明確指出：“積極探索信息技術的應用，特別是在跨學科學習(STEAM 教育)教育模式中，要培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，提升學生的綜合素養(yǎng)、促進學生的全面成長。”基于STEAM 教育理念開展中學機器人課程教學研究，能夠給教師的教育研究提供一個新的視野，在“教師主導，學生主體”的支持下，充分拓展學生的知識廣度，提升學生的綜合素質(zhì)，培養(yǎng)全面發(fā)展的人才。

一、基于項目的學習模式

基于項目的學習以學科的概念和原理為中心，其目的是生產(chǎn)成品并將產(chǎn)品推銷給客戶。它是一種新型的探究學習模型，可以利用各種資源在現(xiàn)實世界中進行實踐活動，并及時有效地解決相互關聯(lián)的一系列問題[3]。

基于項目的學習貫穿于機器人教育的整個過程。該項目由一個促使學生參加活動的實際問題驅(qū)動。 學生利用多學科的交叉知識，通過交流討論和科學探究，利用多種認知工具和信息資源，完成一個或一系列的作品。 在這個項目完成的過程中，創(chuàng)設了一個具體的問題情境，不僅可以滿足學生對機器人的學習興趣，還能建構生成知識，產(chǎn)生記憶和知識遷移。該學習模式側(cè)重于面向?qū)W生，強調(diào)學生的實踐操作，從而提高其動手能力、設計能力、探究能力和團隊合作能力，讓學生“做中學”“玩中學”“錯中學”。

二、基于STEAM 理論的機器人課程教學設計

1.教學目標是培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)

機器人教育的總體目標是培養(yǎng)學生的綜合STEAM素養(yǎng)，特別注重提高學生的創(chuàng)新能力，其中包含問題解決、批判性思考以及概念理解能力。以學習者特征分析為依據(jù)，結(jié)合當前機器人教育重基礎輕應用、重模仿輕實驗的現(xiàn)實情況[1]，剖析“五維一項”的教學目標，具體如下。

(1)知識與技能

在真實的問題情境中，通過對主題的探索，了解和掌握相關的跨學科知識，設計和制作工作模型，提升科學技能與專業(yè)素養(yǎng)。在動手實踐的過程中，運用生活中所積累的經(jīng)驗解決問題，將自己的設計思路和創(chuàng)造靈感充分融入學生的作品和成果中。

(2)過程與方法

可以使用科學、工程、數(shù)學等方法探索實驗的主題并完成項目。在合作與交流中發(fā)現(xiàn)問題，得出相應的規(guī)律和結(jié)論，解決問題，學習嚴謹?shù)乃季S過程，掌握科學的操作方法和實際操作的基本流程。

(3)情感態(tài)度與價值觀

體會到將知識學以致用帶來的價值，激發(fā)學生的想象力和創(chuàng)造力，通過小組研究培養(yǎng)學生的溝通和合作技能。在機器人的創(chuàng)作中，增加藝術感的融入，提升學生的藝術審美。培養(yǎng)學生勇于探索的精神，培養(yǎng)嚴謹?shù)目茖W價值觀和耐心細致的學習態(tài)度。

2.教學內(nèi)容為“STEAM+R”

我國中小學智能機器人的教學內(nèi)容在融入STEAM理念后，可以分為兩類：一類是機器人學科的相關知識，也是機器人課程的主要內(nèi)容，包含了機器人基礎知識、機器人硬件、機器人編程、機器人的簡單應用等4個方面。另一方面是STEAM的相關內(nèi)容，包含了機器人的社會應用問題。這兩部分的內(nèi)容相互滲透與融合，沒有明確的分界線[4]。

具體到某一個機器人課堂(R)，需要教學生靈活運用機械、電子、傳感器等裝置，根據(jù)課堂主題項目搭建簡易機器人模型，通過圖形編程，學生將分為幾個合作小組，完成指定的活動任務，進行競賽，使學生在活躍的課堂氛圍中了解科學原理，掌握基本結(jié)構，利用網(wǎng)絡等資源，完成機器人程序的編寫，實現(xiàn)具體的功能，解決實際問題。

3.教學策略必須以學生為主體

基于STEAM理論的機器人教育強調(diào)將學生置于實際情境中進行科學探究，培養(yǎng)學生的發(fā)散思維和邏輯思維?？茖W探究型教學的基本導向是科學問題，而機器人可以為科學探究提供技術支持，是科學問題研究數(shù)據(jù)的來源，是科學探究的工具[4]?；诮嬛髁x理論，在教師或課程理念提出之前，先觸發(fā)學生的思想，讓學生充分交流構思與想法，形成思維碰撞與辯論；相互合作，尊重個人和分工；在時間充裕的情況下引導其反思自己，深入分析，全面思考；當學生提出新觀點和新思維時，給予充分的肯定和鼓勵，并且教學生將自己的想法進行實現(xiàn)與運用；并用新的經(jīng)驗重新組織學生的學習思路；利用新的思想，結(jié)合過去生活中的經(jīng)驗，加入學生的興趣設計課程。

4.教學評價的多元化

強調(diào)使用更開放和個性化的評估形式，將每個學習者視為一個自主的人。 周圍環(huán)境的變化同時也影響著學生的學習行為，因此在評估的時候不能只根據(jù)直觀的學習結(jié)果，輕易做出判斷和定論。在STEAM教育的評估概念中，一定要對學習者的真實學習活動進行描述，并且隨時記錄下教學活動中的突發(fā)情況，以便做出更為準確和全面的評估。要綜合考慮學生個人的價值觀，以及復雜的環(huán)境對個人評估的影響。

整合到STEAM教育理念中的機器人教學評估應注重評估的多樣性，并且可以使用多種評估工具。例如量規(guī)、研究日記、課堂試卷、課后作業(yè)、口頭點評等。評價必須形成一個全面而系統(tǒng)的評估體系，貫穿整個教學過程。除了過程性評價和總結(jié)性評價，還應關注發(fā)展性評價，其中學生的科學精神、創(chuàng)新能力和合作能力應是重點考核指標[5]。

三、以樂高EV3為例的中學機器人教育課程簡介

1.機器人硬件簡介

本研究使用教學機器人—LEGO Mindstorms EV3(如圖1所示)，LEGO Mindstorms是可編程主機、電動機、傳感器和LEGO Technic零件(齒輪、軸、梁、螺栓)的集合。早在1986年，丹麥樂高公司和美國麻省理工學院(MIT)合作，開展了一項名為“可編程式積木(Programmable Brick)”的研究活動，從此，LEGO Mindstorms EV3應運而生。

圖1 LEGO Mindstorms EV3硬件

2.機器人軟件簡介

LEGO Mindstorms EV3軟件是一款專業(yè)的樂高 EV3編程軟件，該軟件的操作界面(如圖2所示)為可視化模塊，功能十分強大，可以對各種機器人動作進行設計編寫。該軟件包含的EV3機器人編程工具覆蓋面廣，內(nèi)置的程序模塊內(nèi)容豐富，功能強大?？偣舶ㄎ孱惥幊棠K：動作模塊、數(shù)據(jù)流模塊、傳感器模塊、數(shù)據(jù)運算模塊和高級模塊。

圖2 LEGO Mindstorms EV3軟件界面

通過使用樂高智能積木和數(shù)字軟件，處于中學階段的學生可以探索科學、編程和工程。該課程有助于培養(yǎng)審辯式思維技能，提高創(chuàng)造力，以及探索現(xiàn)實生活中的 STEAM 主題。

3.機器人課程內(nèi)容

LEGO Mindstorms EV3機器人致力于機器人課程的研發(fā)，為教師帶去豐富的教學支持。樂高機器人解決了大部分人不懂電子電路、數(shù)字邏輯、機械力學等專業(yè)知識也能學習機器人制作的難題，簡單易上手，特別適合中小學生接觸學習。采用樂高機器人教育方案，學生用戶可以直接跳過大量繁雜的專業(yè)知識，只要自己有清晰的邏輯脈絡，就不愁搭建不出自己的機器人[6]。

四、基于STEAM理 論的EV3機器人教學活動設計案例

機器人課程教學并不是單純講授編程方法，而是將STEAM教育中的相關科目進行有機整合，與實際生活相聯(lián)系，引導學生自主地開展跨學科探究活動。本課程按照學習內(nèi)容及難度分為基礎I、基礎II、進階三個部分，每部分各18次課，每次課1小時30分鐘(2課時)，共36課時。教學的基本內(nèi)容側(cè)重于機器人的相關知識和基本原理，在這一基礎上，允許學生通過模擬某些現(xiàn)實生活場景體驗機器人在現(xiàn)實生活中的重要作用。整體課程從現(xiàn)實出發(fā)，引導學生通過設計機器人并完成相關的競賽任務解決問題。

下面以基礎II中的一項任務“機器人餐廳I”(第 11次課)為教學案例加以說明，具體課程內(nèi)容及課時分配見表1?！皺C器人餐廳I”項目為EV3基礎II模塊的內(nèi)容，共2課時。

表1 EV3基礎II課程教學大綱(案例部分)

表1 (續(xù))

本項任務主要引導學生發(fā)揮想象力，使用EV3套件對機器人送餐車進行改造，使之更加美觀。通過程序設計與操作實踐，根據(jù)自行設定的應用情境，讓機器人送餐車完成巡線送餐任務，讓學生體驗將知識運用于生活的樂趣。

課程主題：機器人餐廳I

課程課時：2課時

教學目標：

知識與技能：認識顏色傳感器，會正確使用顏色傳感器測量光電值；綜合運用分支結(jié)構、循環(huán)結(jié)構等嵌套程序?qū)崿F(xiàn)巡線車功能。綜合運用跨學科知識，融入學生的項目設計中。

過程與方法：通過分析機器人送餐的目標需求，設計一套送餐問題的解決方案，采用項目式學習法，通過小組分工合作的形式，共同參與項目的各個環(huán)節(jié)。交流構思及想法，在機器人程序的編寫及調(diào)試過程中逐漸實現(xiàn)。

情感態(tài)度與價值觀：培養(yǎng)學生的科學意識、分析問題的全面性、自主學習能力；養(yǎng)成良好的探究思維、求真務實的態(tài)度、科學操作的習慣；提高綜合應用能力、動手能力、創(chuàng)新能力；更好地用自己的能力服務他人，為社會帶來效益。

教學重點：顏色傳感器的綜合應用。

教學難點：使用單光電巡線指揮機器人行動。

任務設計：完成基礎小車單光電巡線項目。

教學準備：學生考勤表、各組任務完成記錄表、機器人餐廳送餐路線(用黑色膠帶)、EV3機器人套件(含顏色傳感器)。

教學流程設計：

【導入】

教師有個好朋友是位廚師，最近他開了一家餐廳，雖然餐廳很小，只有兩張桌子(如圖3所示)，但是因為廚師的廚藝很棒，所以每次都坐滿了顧客。廚師一個人忙不過來，能不能幫他想個辦法呢？

現(xiàn)在很多餐廳里都使用機器人當服務員，為顧客提供點單和上菜等服務，今天一起給廚師的餐廳做一個機器人服務生吧。

圖3 機器人送餐路線

【建構】

任務分析：怎樣實現(xiàn)機器人的自由行進？—設計帶有輪子的車型機器人。

怎樣讓車子走規(guī)定的路線？—利用EV3主機中的PortView程序塊測量車輪的旋轉(zhuǎn)度數(shù)。

有沒有比測量度數(shù)更便捷、更智能的方法？—使用傳感器進行測量。

步驟1：認識顏色傳感器

現(xiàn)實生活中，螞蟻會沿著地上放有糖的線路行走；警犬和搜救犬會追尋氣味搜尋目標；地鐵和火車沿著既定的軌道行駛。而機器人汽車的基本功能，就是根據(jù)自身需要，通過自動分析及數(shù)據(jù)處理，沿著指定的路線前進。

今天將要設計一個裝有顏色傳感器(如圖4所示)的機器人，將顏色傳感器設定為反射光強度模式，就可以實現(xiàn)沿著黑線行駛。

圖4 顏色傳感器

顏色傳感器有幾種使用模式？—3種模式：顏色模式、反射光線強度模式、環(huán)境光強度模式。

顏色傳感器可以測量感應幾種不同的顏色？—7種顏色：黑、藍、綠、黃、紅、白、棕。此外還有一種無顏色感應。

步驟2：搭建模型

分組設計并搭建車型服務機器人(如圖5所示)在餐廳工作，要注意車輪的安裝距離，保持車身行進過程中的平衡性。

圖5 車型服務機器人模型

注意思考顏色傳感器的安裝方向和它與地面的距離，多遠的距離才是檢測顏色的最佳距離？—3厘米左右(如圖6所示)。

圖6 顏色傳感器的安裝

步驟3：單光電巡線原理

根據(jù)巡線示意圖(如圖7所示)，可以分析出機器人沿線走時做了兩個動作：“看到”黑線轉(zhuǎn)向白色區(qū)域和“看到”白色區(qū)域轉(zhuǎn)向黑線。可以用新的模塊完成巡線任務。

圖7 巡線示意圖

步驟4：運用流程控制模塊中的“切換”模塊，可以實現(xiàn)程序在多種情況中的選擇。切換模塊涵蓋了多種程序的序列，不同的序列代表了不同的情況(如圖8所示)，由機器自動選擇。

圖8 序列切換情況

步驟5：如何使機器人準確判斷黑線和白色地面？方法：測量地面的反射光強度。

將顏色傳感器連接主機的端口，進入程序塊Port-View菜單(如圖9所示)中，找到顏色傳感器所連接的端口，程序塊屏幕會顯示當前顏色傳感器反射光模式的數(shù)值。

圖9 EV3主機Port View菜單

步驟6：測量

測量黑線反射光強度、白色場地反射光強度，并記錄下來。

步驟7：編程

在切換模塊中選擇顏色傳感器→比較→反射光強度(如圖10所示)。

圖10 切換模塊

判斷條件的閾值，應該如何填寫呢？

一般情況下為測量出的黑色反射光值和白色反射光值的平均值(如圖11所示)。

圖11 閾值設定

根據(jù)巡線小車的兩種不同狀態(tài)：感測到黑線，往白色區(qū)域偏轉(zhuǎn)；感測到白色，往黑線偏轉(zhuǎn)；“服務員”程序應該如何編輯，有幾種方式？

方法1：如顏色傳感器檢測到反射光值＞50的區(qū)域，往右無限制轉(zhuǎn)彎；如顏色傳感器檢測到反射光值＜50的區(qū)域，往左無限制轉(zhuǎn)彎(如圖12所示)。

圖12 不使用切換模塊

方法2：如果顏色傳感器檢測到反射光值＜50則無限制右轉(zhuǎn)，否則無限制左轉(zhuǎn)(如圖13所示)。

圖13 使用切換模塊

思考：為防止菜品灑落，程序可以怎樣調(diào)整？——降低轉(zhuǎn)向值和功率。

注意：顏色傳感器擺放的初始位置(位于黑線的某一側(cè))，要跟自己的程序?qū)饋怼?/p>

【延續(xù)】

步驟1：上臺展示并總結(jié)

單光電的特點：能完成基礎巡線，但是速度慢，擺動幅度較大。

步驟2：師生評價和小組互評

步驟3：拓展任務

成功走完直線，嘗試走一走曲線吧！需要注意什么呢？

五、結(jié)語

科技推動教育，知識改變命運。隨著智能教育機器人的不斷更新?lián)Q代，中小學生有了更多機會接觸和學習機器人的相關技術和知識。在中小學的信息技術課堂以及社團活動中，越來越多地出現(xiàn)了機器人和編程的身影。本研究中所提及的丹麥樂高機器人(LEGO Mindstorms EV3)，既是針對中小學生開發(fā)的學習型教育機器人代表，也是機器人行業(yè)與產(chǎn)品中的領頭羊。針對這一產(chǎn)品所開發(fā)的校本課程，對于國內(nèi)的中小學智能機器人教育的持續(xù)發(fā)展具有重大意義[7]。該課程的教學內(nèi)容涉獵廣泛，綜合了多學科知識，趣味性高，實踐性強。同時，課程結(jié)合了最新、最前沿的科學成果，將STEAM教育中提倡的素質(zhì)教育也涵蓋其中，值得大范圍應用與推廣。