楊勇 趙崇杰 張國泉 李俊杰

摘要：針對中職學(xué)校“工業(yè)機器人技術(shù)”課程教學(xué)存在的教學(xué)理念落后、理論教學(xué)有缺陷以及學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低等問題，結(jié)合STEAM教育提出了中職“工業(yè)機器人技術(shù)”課程教學(xué)模式改革思路以及分階段教學(xué)體系，構(gòu)建了基于STEAM教育的中職“工業(yè)機器人技術(shù)”課程教學(xué)新模式，為中職學(xué)校工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用專業(yè)課程教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：STEAM教育;教學(xué)模式;分階段教學(xué)體系;工業(yè)機器人技術(shù);中等職業(yè)學(xué)校

中圖分類號：G712? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1672-5727（2021）05-0087-05

工業(yè)機器人及應(yīng)用是中國制造邁向中國創(chuàng)造的一個重要競爭領(lǐng)域，而工業(yè)機器人職業(yè)教育對工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要作用[1]。但是，目前中職學(xué)校所培養(yǎng)的工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用專業(yè)人才并不完全符合工業(yè)機器人行業(yè)的新需求，仍有較大的技能型人才缺口[2]。要解決工業(yè)機器人技能型人才短缺的問題，從根本上來講就是要解決中職工業(yè)機器人課程教育的問題，相關(guān)的教學(xué)模式改革刻不容緩。目前，“工業(yè)機器人技術(shù)”作為中職學(xué)校工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用專業(yè)的主要課程之一，存在著教學(xué)理念落后、理論教學(xué)有缺陷以及學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的主動性較低等問題。為了解決這些問題，中職“工業(yè)機器人技術(shù)”課程需要引入新的教學(xué)理念和教學(xué)模式。STEAM教育的核心思想和我國中職工業(yè)機器人教育改革的方向一致[3]，可以為中職“工業(yè)機器人技術(shù)”課程教學(xué)模式的創(chuàng)新提供新思路。

STEAM教育是對科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Arts）、數(shù)學(xué)（Mathematics）進行整合的一種現(xiàn)代教育方法。STEAM教育最早由美國學(xué)者格雷特·亞克門（Georgette Yakman）于1990年提出，后來美國政府大力支持其發(fā)展，使其在美國教育領(lǐng)域里不斷深化，基于SETAM模式的課程也逐漸多了起來。STEAM教育作為一種新穎的教學(xué)模式，具備跨學(xué)科交融、實踐體驗、自主發(fā)散思維、團隊合作以及趣味學(xué)習(xí)等特征，這些特征不僅適合中職“工業(yè)機器人技術(shù)”課程教學(xué)創(chuàng)新，并且還可以培養(yǎng)中職學(xué)生在工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用專業(yè)方面獨立解決問題以及思維創(chuàng)新的能力[4]。

本文旨在探索STEAM教育與中職工業(yè)機器人教育的有效融合，提出一種基于STEAM教育理念與中職工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用專業(yè)課程相結(jié)合的課程教學(xué)新模式，打破傳統(tǒng)的中職課堂教學(xué)單一模式，以求“工業(yè)機器人技術(shù)”課程教學(xué)更具技術(shù)性、高效性和趣味性，為中職學(xué)校工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用專業(yè)課程教學(xué)提供參考。

一、中職學(xué)?！肮I(yè)機器人技術(shù)”課程教學(xué)現(xiàn)存問題

2010年新修訂的《中等職業(yè)學(xué)校專業(yè)目錄》并沒有出現(xiàn)工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用專業(yè)，但是國內(nèi)部分辦學(xué)實力較強的中職學(xué)校已經(jīng)開始開辦與之相關(guān)的專業(yè)方向，如電子與信息技術(shù)（工業(yè)機器人應(yīng)用與維護方向）和電氣運行與控制（機器人方向）等。然而，中職學(xué)?！肮I(yè)機器人技術(shù)”的教學(xué)存在著一些短板，這些問題對于專業(yè)課程開發(fā)有著較大的影響。

（一）教學(xué)理念相對落后

中職學(xué)校設(shè)置“工業(yè)機器人技術(shù)”這門課程，主要是為了培養(yǎng)學(xué)生面向企業(yè)的工業(yè)機器人操作與運維崗位所需要的專業(yè)技能，學(xué)生需要在校學(xué)習(xí)期間打好專業(yè)實操技能基礎(chǔ)，教師在教授實操技能時也應(yīng)該以學(xué)生為中心。但是，中職學(xué)?，F(xiàn)階段仍然保留著傳統(tǒng)的教育理念，教師在課堂中還是作為主導(dǎo)一方[5]，中職學(xué)生的主動學(xué)習(xí)性欠佳，導(dǎo)致學(xué)生掌握知識程度較低，學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)存在短板， 這會影響到學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的發(fā)揮。

（二）理論教學(xué)存在部分缺陷

由于“工業(yè)機器人技術(shù)”是一門多學(xué)科交叉的課程，所以理論課內(nèi)容對中職學(xué)生而言比較抽象。而大多數(shù)教師給學(xué)生講授理論知識時，沒有充分利用多媒體等形式將內(nèi)容形象化地教授給學(xué)生，導(dǎo)致學(xué)生對工業(yè)機器人主觀的認知比較薄弱。另外，“工業(yè)機器人技術(shù)”也包含著很多數(shù)學(xué)知識，如坐標系的計算以及編程邏輯計算等。當(dāng)教師利用板書的方式來講授枯燥的工業(yè)機器人數(shù)學(xué)知識時，學(xué)生會因此產(chǎn)生畏懼的心理，導(dǎo)致他們在工業(yè)機器人數(shù)學(xué)知識方面的學(xué)習(xí)進步很慢，難以對工業(yè)機器人有較清晰的基本理論認識。

（三）學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣較低、主動性不高

中職學(xué)校學(xué)生普遍比較好動，并且他們對專業(yè)學(xué)習(xí)的自覺性較低。“工業(yè)機器人技術(shù)”課程課堂教學(xué)時，學(xué)生的參與度較低，較難激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性不高，這也直接影響了中職學(xué)校工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量。

二、STEAM教育與中職課程教學(xué)融合的必要性

第一，面對中職“工業(yè)機器人技術(shù)”課程教學(xué)現(xiàn)階段存在的問題，需要中職學(xué)校教師加強教學(xué)模式創(chuàng)新研究，打破傳統(tǒng)的教育思想框架，可以在“工業(yè)機器人技術(shù)”課程開發(fā)中引入STEAM教學(xué)理念，把課堂中心從教師身上轉(zhuǎn)移到學(xué)生身上，讓每個學(xué)生充分享受到自主學(xué)習(xí)帶來的成就感以及樂趣，凸顯STEAM教育“做中學(xué)”的先進理念[6]。

第二，教師給學(xué)生講授“工業(yè)機器人技術(shù)”理論課時，可以多利用多媒體等教學(xué)平臺，讓課程內(nèi)容變得更加豐富，更好吸引學(xué)生的注意力。如教師在講授數(shù)學(xué)知識時，除了需要板書教學(xué)，也需要在學(xué)生的實操課上將數(shù)學(xué)知識與實操訓(xùn)練相結(jié)合，給學(xué)生以必要數(shù)學(xué)知識的講解，在動手過程中培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)能力。

第三，教師在課堂上可以更多展示工業(yè)機器人有趣的一面。例如，通過展示工業(yè)機器人下圍棋、工業(yè)機器人舞獅以及工業(yè)機器人畫畫等特殊場景，讓學(xué)生在工業(yè)機器人技術(shù)學(xué)習(xí)中融入藝術(shù)思維，以此提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

第四，STEAM教育理念強調(diào)多學(xué)科整合，呈現(xiàn)了一種開放性的教學(xué)形態(tài)?？茖W(xué)（Science）——旨在培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)的探索能力，教師可以引導(dǎo)學(xué)生探索工業(yè)機器人的總體結(jié)構(gòu)。如對于工業(yè)機器人本體、減速器的探索，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)知識的主動性。技術(shù)（Technology）——讓學(xué)生掌握工業(yè)機器人的編程、拆裝等技術(shù)范疇。工程（Enjineering）——要求學(xué)生認真對待工業(yè)機器人技術(shù)實訓(xùn)課程，形成工程的思維和能力，為以后進入企業(yè)打好基礎(chǔ)。藝術(shù)（Arts）——人文藝術(shù)的引入會使枯燥的傳統(tǒng)“工業(yè)機器人技術(shù)”課堂更加具有吸引力，學(xué)生將會更加積極地參與到課堂學(xué)習(xí)之中。數(shù)學(xué)（Mathematics）——這是學(xué)習(xí)工業(yè)機器人的基礎(chǔ)，數(shù)學(xué)可以培養(yǎng)中職學(xué)生的邏輯思維能力，而且坐標系的計算以及編程邏輯計算等也需要具有良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

三、基于STEAM教育的中職“工業(yè)機器人技術(shù)”課程教學(xué)模式構(gòu)建

教學(xué)模式是指在某種教學(xué)思想或教學(xué)理論指導(dǎo)下建立起來的一種較為穩(wěn)定的教學(xué)活動結(jié)構(gòu)框架和活動程序[7]。這種框架應(yīng)包含二維教學(xué)模式、教學(xué)體系及其應(yīng)用與分析等要素。

（一）基于STEAM教學(xué)目標的二維教學(xué)模式模型

要實現(xiàn)對中職工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用專業(yè)學(xué)生的全面培養(yǎng)，就要實現(xiàn)專業(yè)教學(xué)要求的基本職業(yè)素質(zhì)能力和核心職業(yè)能力培養(yǎng)。因此，在構(gòu)建STEAM教學(xué)模式時應(yīng)將職業(yè)知識與技能作為教學(xué)目標的重點。（見表1）

（二）分階段教學(xué)體系的構(gòu)建

STEAM教學(xué)促成多學(xué)科的有機整合，使學(xué)科教育不再局限于單調(diào)學(xué)科本身[8]。鑒于中職“工業(yè)機器人技術(shù)”教學(xué)主要涉及工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)、運動編程及工藝運用等綜合技術(shù)知識，將 STEAM 教學(xué)模式應(yīng)用到工業(yè)機器人技術(shù)教育中，建立不同階段的基于STEAM教育目標的中職“工業(yè)機器人技術(shù)”課程體系，以項目教學(xué)和興趣驅(qū)動作為課程的設(shè)計理念，構(gòu)建“工業(yè)機器人技術(shù)”教學(xué)體系框架。這里把中職“工業(yè)機器人技術(shù)”課程分為三個階段。

第一階段教學(xué)是工業(yè)機器人的基礎(chǔ)教學(xué)，包括工業(yè)機器人的本體及其零部件等。首先用機器人科幻電影來吸引學(xué)生，把學(xué)生引入課堂;其次，教師為學(xué)生提供機器人本體模型、核心零部件以及配套教材，初步了解工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)組成。教師多用現(xiàn)實中的案例來引導(dǎo)學(xué)生，幫助學(xué)生初步建立工業(yè)機器人綜合知識體系。

第二階段教學(xué)是工業(yè)機器人的編程及應(yīng)用。學(xué)生在這個階段學(xué)習(xí)實際生產(chǎn)中常用的工業(yè)機器人品牌的編程語言，掌握編程的邏輯思路以及語法，并能對簡單工序的運動軌跡進行設(shè)定，初步建立對工業(yè)機器人控制的思維。

第三階段教學(xué)是工業(yè)機器人的項目式教學(xué)。教師在這個階段主要對學(xué)生進行項目式授課，通過實際生產(chǎn)當(dāng)中的碼垛、搬運、焊接等主要工藝項目的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生解決生產(chǎn)中的實際問題，培養(yǎng)學(xué)生工業(yè)機器人系統(tǒng)集成能力[9]，真正做到把STEAM教育的科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)運用到“工業(yè)機器人技術(shù)”教學(xué)中。

（三）課程教學(xué)模式應(yīng)用與分析

以“ABB工業(yè)機器人基礎(chǔ)運動編程”項目式課程為例，將STEAM教育理念下的“工業(yè)機器人技術(shù)”課程教學(xué)模式應(yīng)用于工業(yè)機器人基礎(chǔ)運動編程項目式教學(xué)中，并分析其教學(xué)模式的可行性。

1.課程設(shè)計理念及教學(xué)目標

該項目主要是圍繞ABB工業(yè)機器人基礎(chǔ)運動編程來展開的，基于STEAM的項目式課程可以挖掘出多學(xué)科的知識內(nèi)容[10]，并可以讓學(xué)生自主操作;學(xué)生可在教師設(shè)置的任務(wù)驅(qū)動下，進行自主學(xué)習(xí)，完成學(xué)習(xí)目標并總結(jié)學(xué)習(xí)過程。教師在學(xué)生操作過程中及時反饋，達到強調(diào)教學(xué)重點、解決教學(xué)難點的目的。據(jù)此設(shè)計的基于STEAM理念的教學(xué)目標思維導(dǎo)圖如圖1所示。

2.課程教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)流程設(shè)計

（1）教學(xué)內(nèi)容設(shè)計。基于STEAM的“ABB工業(yè)機器人基礎(chǔ)運動編程”項目式課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)重點以及教學(xué)難點如表2所示。

（2）教學(xué)流程設(shè)計。為了使STEAM理念與“ABB工業(yè)機器人基礎(chǔ)運動編程”項目式課程的教學(xué)流程設(shè)計深度融合，教學(xué)流程分如下四個環(huán)節(jié)進行。

第一環(huán)節(jié)，理論講授。課程的開始，教師先發(fā)起一個具有趣味性的游戲——與預(yù)先設(shè)定好程序的工業(yè)機器人下五子棋，以此來引入工業(yè)機器人的主題。游戲過后，教師再通過一小段慕課向?qū)W生介紹地方文化與工業(yè)機器人的結(jié)合——工業(yè)機器人舞獅，注入藝術(shù)文化的熏陶，引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生的思維，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和興趣。然后，教師具體介紹工業(yè)機器人的各種工藝運動控制以及基礎(chǔ)編程語句，并向?qū)W生提出課程中的兩個項目任務(wù)，分別是：運用基礎(chǔ)的編程語句對涂膠工藝進行編程;運用基礎(chǔ)的編程語句對碼垛工藝進行編程。具體的任務(wù)設(shè)置是為了讓學(xué)生對具體的項目產(chǎn)生期待并認真學(xué)習(xí)。

第二環(huán)節(jié)，基礎(chǔ)實操。教師在實訓(xùn)室為學(xué)生演示常用基本運動指令和I/O控制指令的操作，讓學(xué)生進行基礎(chǔ)實操。學(xué)生4人為一組，每組選出一個組長，共同操作一臺工業(yè)機器人，要求學(xué)生輪流進行操作，鞏固在課堂上學(xué)習(xí)的操作指令。課程設(shè)置模擬工廠的工作環(huán)境及流程，可使學(xué)生進行崗位扮演式實操，讓學(xué)生提前感受工廠里的工作環(huán)境。實操開始前給學(xué)生提出本環(huán)節(jié)需思考的問題，并將問題設(shè)置成梯度的方式，學(xué)生將隨著問題的遞進而深入學(xué)習(xí)。（見圖2）

第三環(huán)節(jié)，任務(wù)驅(qū)動。在學(xué)生掌握了基本運動指令和I/O控制指令后，同樣以小組為單位開始項目任務(wù)實操，讓學(xué)生運用基本運動指令和I/O控制指令對簡單的涂膠工藝和碼垛工藝兩個項目任務(wù)進行編程。在進行任務(wù)實操的過程中，組長帶領(lǐng)組員共同完成任務(wù)流程，教師作為輔導(dǎo)的一方對學(xué)生進行巡視和指導(dǎo)，對大多數(shù)小組存在的共性問題進行集中解答。此過程可包含競技性比賽，完成效果好的小組可給其他學(xué)生展示，以此提高學(xué)生對任務(wù)完成的積極性。在進行項目任務(wù)操作時，也給學(xué)生提出以下問題，讓學(xué)生在完成任務(wù)的過程中自主探索。（見圖3）

第四環(huán)節(jié)，課程考核及成果展示。傳統(tǒng)的課程考核以教師的評定分數(shù)為主，但項目任務(wù)的考核應(yīng)該加入學(xué)生自評和學(xué)生互評。學(xué)生自評有利于學(xué)生對自身操作的優(yōu)缺點有正確的認識;而學(xué)生互評則有利于學(xué)生之間互相學(xué)習(xí)，也能保持客觀公平性。在所有小組都完成課程考核后，教師選出任務(wù)操作優(yōu)秀的小組進行展示，并讓組長總結(jié)經(jīng)驗。而能力較欠缺的小組也要尋找失敗原因，并提出解決方案進行改進。最后，每個小組還要輪流上臺對課堂中提出的問題分享答案及看法。這一環(huán)節(jié)要使學(xué)生在相互借鑒中進一步加深對知識的理解，并提高表達能力。

3.教學(xué)模式應(yīng)用分析

本文以基于STEAM的“ABB工業(yè)機器人基礎(chǔ)運動編程”項目式課程為例，把課程分為了4個教學(xué)環(huán)節(jié)，分別是理論講授、基礎(chǔ)實操、任務(wù)驅(qū)動、課程考核及成果展示。在該教學(xué)實踐中，采用任務(wù)型教學(xué)法，以項目實操的方式讓學(xué)生感受到實際工程中的操作，形成工程思維（Engineering）。

任務(wù)的設(shè)置難度按照一定的梯度，由簡單到復(fù)雜，讓學(xué)生循序漸進，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，驅(qū)使學(xué)生一步步去探索科學(xué)魅力。

學(xué)生在編程中使用的邏輯計算，也是提升學(xué)生數(shù)學(xué)思維的一個途徑。

在視頻介紹中，引入了工業(yè)機器人舞獅，讓學(xué)生在日后學(xué)習(xí)過程中知道工業(yè)機器人也可以與藝術(shù)（Arts）結(jié)合;在分享環(huán)節(jié)中，學(xué)生的語言組織可以提升表達能力，表達也需要藝術(shù)渲染。

教師通過各種教學(xué)手段把STEAM教學(xué)貫穿于整個課堂，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，為學(xué)生創(chuàng)造愉悅的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生主動在工業(yè)機器人實操中學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)。

把STEAM教育理念真正融入到中職“工業(yè)機器人技術(shù)”課程之中，對教師而言是教學(xué)改革創(chuàng)新，對學(xué)生而言則更加有利于他們的學(xué)習(xí)和職業(yè)發(fā)展。本文提出了基于STEAM教育的中職“工業(yè)機器人技術(shù)”課程教學(xué)新模式，構(gòu)建了中職“工業(yè)機器人技術(shù)”分階段教學(xué)體系，可為中職“工業(yè)機器人技術(shù)”課程教學(xué)改革提供新的思路。

參考文獻：

[1]楊勇，劉霞云，黃福.工業(yè)機器人高職師資培養(yǎng)質(zhì)量的分析與提升策略[J].清遠職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2019（5）：1-5.

[2]溫宏愿，孫松麗，劉超.工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用專業(yè)集群建設(shè)探索與實踐[J].高等工程教育研究，2019（3）：47-51.

[3]袁磊.核心素養(yǎng)視域下STEAM教育的課堂教學(xué)變革[J].中國電化教育，2019（11）：99-103，128.

[4]王運武，黃榮懷，楊萍，等.改革開放40年：教育信息化從1.0到2.0的嬗變與超越[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2019（1）：1-7.

[5]張展榮，王星宇.基于STEAM教育的中職學(xué)校機器人專業(yè)課程開發(fā)研究[J].廣東職業(yè)技術(shù)教育與研究，2020（3）：120-122.

[6]周倩，鄭妍，楊冬.STEM理念下機器人教育的啟示——以Robo Cup Junior比賽為例[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2019（5）：554-558，562.

[7]萬云，韓亞軍，呂值敏.工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用專業(yè)“四化一體”教學(xué)模式的構(gòu)建研究[J].中國職業(yè)技術(shù)教育，2019（5）：68-71.

[8]蒙慶華，方錦烘，李一凡，等.基于STEAM的機器人教育課程探究與實踐[J].中國教育信息化，2020（4）：43-45，49.

[9]蔣正炎，檀祝平.高職工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用專業(yè)課程教學(xué)資源開發(fā)路徑研究[J].中國職業(yè)技術(shù)教育，2018（11）：47-52.

[10]張輝蓉，冉彥桃.STEAM教育理念落地：數(shù)學(xué)文化項目學(xué)習(xí)模式構(gòu)建及案例開發(fā)[J].中國電化教育，2020（7）：97-103.

（責(zé)任編輯：張宇平）

Research on the Teaching Mode of "Industrial Robot Technology" Course in Secondary Vocational Schools Based on STEAM Education

YANG Yong， ZHAO Chong-jie， ZHANG Guo-quan， LI Jun-jie

（Guangdong Polytechnic Normal University， Guangzhou Guangdong 510635， China）

Abstract：Aiming at the problems of backward teaching concepts， defects in theoretical teaching and students' low interest in the "Industrial Robot Technology" course in secondary vocational schools， combined with STEAM education， we put forward the reform ideas of the secondary vocational "Industrial Robot Technology" course teaching mode and staged teaching system， which builds a new teaching model of "Industrial Robot Technology" course based on STEAM education in secondary vocational schools，? providing a reference for the teaching of industrial robot technology application majors in secondary vocational schools.

Key words： STEAM education; teaching mode; staged teaching system; industrial robot technology; secondary vocational school