中小学智能机器人课程实施现状及对策建议分析研究 教育教学专业

中小学智能机器人课程实施现状及对策建议摘要人工智能元年的开启，使得国内以机器人科技为主的智能创新产业迅速发展起来，可以说，智能机器人技术的进步体现了一个国家高新技术的综合发展水平。在教育领域，创客、STEAM理念在世界范围内的兴起加上机器人技术的成熟与普及，越来越多的中小学纷纷尝试将机器人加入到学校课程中，智能机器人课程作为教育领域的新常态对学生创新能力的培养具有重要的意义。由于我国机器人进课堂正处于初步探索阶段，还存在着诸多问题，因此需要结合我国当前教育现状并借鉴国外优秀教学经验，为更好的发展我国机器人教育提供新的思路和方法。本论文调查了中小学机器人课程实施的情况，对调查结果进行了量化分析；在此基础上，结合国内外先进教学理论与典型教学实践提出了创新的教学建构模式并进行了教学案例的设计；最后提出了相应的课程实施对策与建议。该论文有图2幅，表6个，参考文献31篇。关键词：教育人工智能智能机器人中小学课程创客教育STEAM教育ImplementationstatusandcountermeasuresofintelligentrobotcoursesinprimaryandsecondaryschoolsAbstractWiththeopeningofartificialintelligenceinthefirstyear,China'sintelligentinnovationindustry,whichisdominatedbyrobottechnology,hasdevelopedrapidly.Itcanbesaidthattheprogressofintelligentrobottechnologyreflectsthecomprehensivedevelopmentlevelofacountry'shighandnewtechnology.Inthefieldofeducation,theriseofmakersandSTEAMideasintheworldandthematurityandpopularizationofroboticstechnology,moreandmoreprimaryandsecondaryschoolsaretryingtoaddrobotstotheschoolcurriculum.Asanewnormalofeducation,intelligentrobotcoursesareofgreatsignificancetothecultivationofstudents'innovationability.DuetothepreliminaryexplorationstageofrobotenteringclassinChina,therearestillmanyproblems.Therefore,itisnecessarytocombinethecurrentsituationofeducationinChinaandlearnfromforeignexcellentteachingexperience,soastoprovidenewideasandmethodsforbetterdevelopmentofChineseroboteducation.Thispaperinvestigatestheimplementationofrobotcurriculuminprimaryandsecondaryschools,andmakesaquantitativeanalysisofthesurveyresults.Onthisbasis,combiningwiththeadvancedteachingtheoryandtypicalteachingpractice,thispaperputsforwardtheinnovativeteachingconstructionmodeandthedesignofteachingcases.Finallyputforwardthecorrespondingcurriculumimplementationcountermeasuresandsuggestions.Keywords：educationartificialintelligenceintelligentrobotprimaryandsecondarycoursesmakereducationSTEAMeducation目录TOC\o"1-2"\h\u摘要 IAbstract II目录 III1绪论 11.1选题背景 11.2研究目的及意义 11.3相关概念界定 21.4国内外研究现状 31.5机器人课程教学理论 61.6研究目标和内容 81.7研究方法及过程 92中小学智能机器人课程调查分析 112.1研究设计 112.2问卷项目分析 112.3中小学机器人课程实施现状分析 163中小学机器人课程教学模式探究 203.1基于STEAM教育的机器人课程教学模式探究 203.2基于微信平台的机器人课程微学习模式探究 293.3机器人课程教学案例设计 344中小学开展机器人课程的策略与建议 374.1实施策略与建议 384.2以实践为导向改革机器人教学 415总结与展望 455.1机器人课程教学研究启示 455.2机器人课程未来发展趋势 46参考文献 47致谢 49附录 501绪论1.1选题背景人工智能3.0时代的帷幕已经拉开，以机器人科技为主的智能创新产业也随之蓬勃发展，各种重大成果和突破性的进展不断涌现。为了培养适应现代科技社会的技术创新型人才，教育部在2003年颁布的高中课程标准中就将“人工智能初步”和“简易机器人制作”分别列入“信息技术课程”、“通用技术课程”的选修内容来实施[1]。《普通高中物理课程标准（实验）》也提出“收集资料，了解机器人在生产、生活中的应用”的要求[2]。继国务院在印发的《新一代人工智能发展规划》中提出要在中小学阶段开设人工智能相关课程，并呼吁社会力量参与开发、推广寓教于乐的编程教学软件之后，全新的《普通高中课程方案和语文等学科课程标准（2017版）》也出炉了，并在通用技术学科中加入了“机器人设计与制作”课程。浙江省作为教育信息化的示范省份，也即将在2018年秋季学期把信息技术（含编程）纳入浙江省高考选考项目之中。由此，国家对于机器人的教育的重视可见一斑,全国范围内的机器人教育热潮开始掀起。随着创客、STEAM教育在世界范围内的传播与发展，机器人技术的成熟与普及程度也越来越快，教育部在《教育信息化“十三五”规划》中指出，有条件的地区要积极探索信息技术在STEAM教育、创客教育等新的教育模式中的应用。全国各地的中小学纷纷尝试将机器人加入到学校课程中，智能机器人课程在培养学生创新创造能力、分析解决问题能力和跨学科学习能力等方面具有重要意义，因此，它必将会作为一种新常态出现在教育领域中。但是，由于机器人教育引自欧美，在国内属于新兴事业，机器人进入中小学课堂也还处于初步尝试探索阶段，存在着诸多的不足，比如教育理念落后、课程体系不完善、教学模式陈旧、教学目标功利化、师资匮乏、产品缺乏规范等问题。因此，需要对我国各地开设智能机器人课程的学校进行调查研究，发现当前课程设计体系方面的问题，结合我国的现状并且吸收国外优秀教学经验、借鉴典型教学案例，为更好的发展机器人教育提供新的思路和方法。1.2研究目的及意义（1）目的就目前来看，机器人教育主要分为两类：其一是为机器人科技竞赛培养核心参赛选手，它旨在培养青少年动手实践、创新创造能力，激发他们对于科学技术的热爱，提高其科学素养，开展形式以兴趣活动小组为基础；其二是将智能机器人设置在学校正式课程中，作为信息技术或通用技术课程模块来学习。本次调查主要是围绕第二种分类的机器人教育展开，分析我国目前中小学智能机器人课程的实施情况，发现并总结出智能机器人在基础教育阶段可能出现的问题，进而提出有针对性的教学模式以及课程开展的教学策略。（2）意义在学校中开展机器人教学，能让学生了解机器人的发展历史和应用现状，通过掌握机器人的工作原理和工作方式从而更进一步学习机器人相关技术知识；学生在了解机器人各个模块功能作用的基础上，学习编写简单的程序代码，逐步培养起学生的计算思维，提高学生的逻辑思维能力和分析解决问题的能力；学生在各种机器人项目和竞赛中，通过与他人合作，不断培养动手实践和团队沟通协作能力。总之，开展机器人教学符合当下社会对创新型人才的需求，研究中小学智能机器人课程的开展情况，总结出一套符合我国教育现状的机器人教学模式不仅有利于学生综合素质的发展，提升学校的办学水平，更有利于推动我国智能机器人知识与技术的普及发展，为我国人工智能相关领域培养高素质的尖端技术人才打下基础，提升我国人工智能总体技术与应用水平。1.3相关概念界定机器人，简单来说是可以自动执行工作的机器装置。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“它是用来搬运材料、零件、工具的操作机，具有可编程和多功能的特点，也是一种可用电脑改变和可编程动作的为了执行不同任务的专门系统[3]”。薛建新等认为“智能机器人能通过传感器获取多种外部环境信息，处理、识别并自主完成复杂的行为任务，是计算机、自动化、机械电子、脑认知、控制论等多学科和技术交叉的产物[4]”。张剑平教授曾指出，所谓机器人教育是指学习机器人的基本知识与基本技能,或利用教育机器人优化教育教效果的理论与实践[5]。关于机器人课程与机器人教学的区别与联系主要是课程与教学关系的解读，而关于这两者的关系目前有三种说法：其一是大教学与小课程，即教学属于上位概念，而课程只是教学的一部分，在日常教学中也常常被具体化为教学计划、教学大纲与教科书三部分；其二是大课程小教学，教学被囊括在课程中；第三种说法认为课程与教学属于目的与手段的关系，课程是指学校的目标，而教学则是实现目标的具体手段。笔者认为，这两个概念侧重点不同，教学强调教师教与学生学的双向交互过程；课程可以指培养人的蓝图，也指知识的体系及其获取途径，它有具体的实施文本，包括课程方案、课程标准以及教科书。综合以上概念，笔者认为智能机器人课程可以概括为：集机械、电子、物理数学、动力学、传感检测等技术为一体的综合性交叉学科，学生基于真实情景下的问题、项目或任务，通过小组协作等方式学习设计、组装、开发机器人，为学生跨学科思维、创新创造能力和动手操作能力的培养提供良好的平台。1.4国内外研究现状1.4.1国外研究现状机器人教育在国外一直是热点领域，尤其在发达国家，其普及程度从基础教育延伸到高等教育，各国都在积极的探索机器人教育的发展道路。在学前教育领域，麻省理工学院的“终身幼儿园”项目小组为学龄前儿童研究开发了各种学习工具，比如能让孩子们学会在数字时代灵活开展设计活动的Mindstorms可编程机器人套件。基础教育领域中的美国机器人教育在各州教育部门都设立了相关的课程标准，课程的开展形式有四种：一是机器人技术课程，主要以应用设计与应用项目为主；二是实践实验类课程，旨在培养学生操作应用能力；三是课外活动，以机器人为主题开展夏令营等定期活动；四是机器人的辅助教学，或将其作为学生的一种研究工具[6]。美国教育者在进行机器人教学设计时，更注重培养学生项目和时间管理、信息获取、资源分配、团队合作以及解决问题等信息科学素养[7]。美国早年的高等教育，为了检验大学生机器人知识水平和动手操作能力，提高工程设计专业学生的设计和创造能力，麻省理工学院（MIT）整合机器人教育和理科实验，设立了《设计和建造LEGO机器人》、《机器人学导论》等课程，并将具体动手制作机器人项目作品作为考试内容。隶属于美国卡耐基梅隆大学的机器人教育学院致力于研究教师如何在教室里使用机器人来教授计算机科学、科学、技术工程和数学等课程，其主要任务是利用机器人的动机效应来激发学生的在科学和技术方面的兴趣；机器人学院通过为教师开发基于研究的解决方案，在课堂上测试具有前景的计算机科学以及stem整合学科概念来满足其任务；目前该学院在ROBOTC平台上发布的近20门教育机器人课程构成了一个覆盖K12到大学阶段的课程体系[8]。整体而言，美国高校的机器人教育主要呈现出两个趋势：美国越来越多的高校开设机器人相关的课程；机器人作为课程的学习平台，开始慢慢应用于高校其他课程中[9]。日本作为世界上机器人文化普及水平与教育水平最高的国家之一，几乎每一所大学都有机器人专业，高水平机器人研究会也在不断推动机器人技术发展，并定期举办机器人竞赛，还在中小学的教学大纲中加入了机器人课程；在认识到机器人教育的重要性后韩国也开始全面进行该方面的研究；新加坡、台湾、香港等国家和地区，也在机器人教育上取得了很大的发展。1.4.2国内研究现状我国中小学机器人教育正逐步受到关注和重视。国家教育部、科协、国家体育总局等单位借鉴国外的成功经验，实施一系列举措大力促进我国大中小学校开展机器人教育，其中“以赛促教”就是根据该学科实践性的特点以及青少年的挑战心理而实施的举措之一。机器人教育的发展正朝着标准化、规范化的道路前进，教育部历时4年，在2017年底印发了普通高中课程方案和语文等14门学科课程标准。对比以往的通用技术学科课程标准，此次课程标准的修订是基于“大概念、大项目、大综合”的课程组织与教学理念，增加了“机器人设计与制作”选修模块，强化了计算机、机械、能源、电子、程序设计等内容的综合与集成。本模块旨在帮助学生深化对人机关系的理解，体会机器人设计与制作中的软硬件协调以及系统控制的思想和方法，由此高中阶段的机器人教育得以全面展开。此前国务院在印发的《新一代人工智能发展规划》中提出要在中小学阶段开设人工智能相关课程，这意味着系统性与科学性的机器人教育发展模式逐步形成，以此来为我国机器人高等教育铺路，国家建设创新型人工智能教育体系的步伐将势不可挡。目前，北京、上海、广东、江苏等地区已将机器人课程放入综合实践活动课或作为信息技术课的内容之一进入中小学课程教学，并且也把机器人通用技术编进教材；另外北京、长沙、南京等地，已经明确将机器人课程认定为科技特长生的项目之一；浙江省将对2018年秋季入学的高一新生使用按照新课标制定的新教材，并将在高考中进行机器人相关内容的考察；此后，北京、山东等省份也将逐步在高考中考察学生对信息技术的理解与掌握。机器人教育相关设备需要满足课程体系的设置。上海作为教育改革的试点城市，计划到2020年实现创新实验室覆盖全市中小学，为此编制《中小学创新实验室建设指南》，其中重要的组成部分是教育机器人实验室的建立，开展机器人教学与课题研究[10]。除了中小学之外，我国许多高校近年来也愈发重视机器人专业创新人才的培养与研究。2016年9月，复旦大学“复旦－南商智能机器人联合研究中心”成立；2017年，北京大学、清华大学、北京航空航天大学、北京科技大学、北京理工大学等数百家院校开设机器人类人才自主招生报名渠道；2018年3月，南京大学成立了人工智能学院旨在加强新一代人工智能研发应用。此后不久，2017年度普通高等学校本科专业备案和审批结果显示，最热门的新增备案本科专业均与信息技术相关，其中250所高校新增了“数据科学与大数据技术”专业，“机器人工程”已被添加进60所高校的专业，“网络空间安全”专业与“信息安全”专业均有接近20所高校增加。笔者在中国知网分别以“机器人课程”、“机器人教学”和“机器人竞赛”为关键词进行检索。时间跨度分别为1963年至2017年，1979年至2017年，1985年至2017年，按照主题进行排序，其中“机器人课程”的文献检索总数为1425篇，“机器人教学”的文献检索总数为2444篇，关于“机器人竞赛”的有1667篇，相关的期刊、博硕士学位论文以及会议论文数量如表1所示。表1-1文献检索结果从知网计量可视化分析结果的总体趋势分析来看，关于“机器人课程”的文献发表数量从2010年开始逐渐上升，2014年至2017年上升趋势更为显著，也就是说近几年来，研究者们对机器人课程的关注度持续升高，关注的角度包括课程的教学改革、教学模式、教学方法、课程建设开发以及创新能力的培养等方面。研究层次多以基础教育与中等职业教育和高等教育为主，师范院校以及工科院校对于机器人课程的研究居多。从学科分布来看，包含自动化技术、教育学、计算机软硬件、机械工业、电力工业、无线电电子学等，这也与机器人本身的属性有关。另外我国高等教育、中等教育和职业教育对于机器人课程的研究投入相差不大，但是初等教育的渗透力就相对较弱。近五年来，对机器人课程做专门研究的优秀硕博学位论文是屈指可数的，其中大部分更为关注教学机器、机器人工程、机器人足球、机器人竞赛，而较少关注课程教学、教学活动、校本课程的开发，研究层次停留在工程技术和社科类的基础研究方面。教育技术专业核心期刊《电化教育研究》曾刊登过一篇《基于“任务驱动”的小学机器人教育校本课程开发》，该文章为机器人教育的校本课程开发提供了一种比较清新明确思路，但是之后在教育技术核心期刊上就很少再出现过机器人课程相关的文章。“机器人教学”的相关研究开始的要比“机器人课程”早许多，从2004年开始，文献的发表数量开始明显增多，这说明，自从2003年教育部颁布的新的高中课程标准并将“人工智能初步”以及“简易机器人制作”加入信息技术选修模块中以来，我国的大中小学对于相关内容的研究还是比较重视的，2017年的预测值更是达到332篇。对“机器人竞赛”的关注起始年份与“机器人教学”相差不多，从侧面可以看出我国对于机器人教学的一般模式多是以竞赛这一方式展开，并且尽管在这十几年的发展中，对机器人竞赛的研究有两次下滑趋势，但是总体来说，“竞赛”仍然是我国机器人教学的主要驱动方式和目的之一，这也符合我国“以赛促教”着力推进大中小学开展机器人教育的举措。通过对检索的机器人课程相关文献的分析，发现目前对于中小学机器人课程现状的反思、课程开设的意义、宏观层面的教学建设与改革较多，而相对应的教学理念、教学模式以及具体应用案例却很少。由于机器人的跨学科性较强，大多数都是高校在研究开发工业机器人的运用，加上在我国应试教育的大环境下，中小学升学压力大，许多学校只是把机器人课程作为一种课外活动课程，并没有投入太多的精力，导致机器人课程在中小学不太受重视，因此机器人进课堂也比较难以实施。1.5机器人课程教学理论1.5.1乐高4C教育理论乐高是由丹麦语LEG与GODT两个单词构成——LEGO，即“playwell”其含义为“玩得好”。乐高教育以培养学生创新精神和问题解决能力为主要任务，愿景是将最具创新精神的解决方案引入课堂，颠覆传统的教学方式[11]。乐高教育不仅包含教具、教材、课程，更为教育者和学习者提供具有趣味性、挑战性的丰富的教学解决方案，既适用于课堂教学，同样能作为综合实践活动和专业技能培训内容，有助于学习者训练逻辑思维、计算思维、创新能力，激发每个学习者的潜能。乐高4C理论作为乐高教育创新理念，包含四个主要环节。联系（Connect）、建构（Construct）、反思（Contemplate）、延续（Continue）。因为不论是机器人课程还是智能机器人本身都包含了多门学科、理论，需要根据以往的知识经验与现有的、新的体验相结合，机器人课程则更强调要与教学目标相联系，这也是4C教育理论最为关键的过程之一。教师在帮助学生“联系”的过程中能激发学生学习兴趣，唤醒其创造力，学生在学习过程中的“联系”则能建立结构化的知识体系，甚至是直观的知识内容模型，与学生以往的知识产生联系，进而产生学习新知识的渴望。“建构”是一直以来被广泛提及的一个词，在机器人课程中，这比较容易理解，即要求学生能根据教师创设的情境协作策划、编写程序，最终搭建出相应的机器人模型，能充分锻炼了学生各个方面的能力。“反思”是所有教学中的必不可少的具有提升作用的环节，首先是教师对是否达到教学目标的反思，进而针对学生的建构活动、学生课堂表现、教学方案、教学效果等进行反思，这一过程不仅仅是教师的任务，需要教师通过组织学生展开讨论，反思自己并调整自己的想法。“延续”则是学生现有的建构模型基础上，发挥想象力做一些修改，例如功能的完善提升或者向学生提出新的挑战，教师则需要在这阶段将学生引入新的“联系”过程，使学生出于螺旋上升式的学习循环中，完成难度不断增加的挑战。乐高教育与中国教育部于2010年就已合作开展了“技术教育创新人才培养计划”，在2010-2014年项目基础上，教育部于乐高再度合作，深入推进项目二期的进行，签署“创新人才培养计划”（2015-2019），引入乐高创新教育理念，组织丰富的教学实践、教师培训、学生活动、交流研讨等，旨在提高学生动手能力，以培养学生创新思维为核心。将乐高教育创新理念与我国当前基础教育教学改革和国家培养创新人才的重点相结合，全面深化促进未来我国教育的健康可持续发展。1.5.25F教学理论5F教学理论包括：知识（Facts）、引导（Facilitate）、乐趣（Fun）、畅流（Flow）、4C（FourC），可见5F教学理论包含着乐高4C教育理念。知识（Facts）是一切学习活动得以进行的基础，它需要在不断的练习和检验中提炼出学习的价值，但是学习知识并不能作为课堂的全部内容，而应当扩展知识，因为学习新的思想，概念场景，故事，规则和技巧能够激发每个学生，并让他们拥有学习成就感。知识和理念能让学生与他人就某一话题进行有效的沟通，没有这些工具的话，学生则难以参与讨论，无法表达他们的观点。那么，教师如何才能向学生不以灌输式的方式传授知识，如何成为课堂的引导者（facilitater）？教师需要设置开放性问题，让学生都参与进来，首先就要设置教学相关情境，吸引学生兴趣，肢体语言是一个很好的工具，可以生动的表达。当然，现在有越来越多的辅助工具，比如VR、AR都可以辅助创造真实的情境。再提一些与教学目标相关的问题，提高学生的参与度，鼓励共同分享和交流，教师解决疑难帮助提高，从而驱动整个教学环节。其次是乐趣，也可以理解成是难度。耶鲁大学著名儿童心理学家曾指出，“玩中学，而不是死命钻研，更能激发学生的学习兴趣，提升发展性的成果和形成终身学习。如果我们想要为未来的全球工作环境提供聪明、社交能力强、有创意的思考者，我们必须恢复游戏在小孩生活中应有的地位”，许多非常好的学习体验都是孩子们在参与自己享受和关注的活动时产生的，当一个人处于自己喜欢的活动中，能运用自己储备的知识解决的问题时，学习就会自然而然产生。第四点是畅流（Flow）理论，之前说的让学生处于自己的兴趣之中是自己主动发现问题的自主性的学习，作为教师，也要充分发挥引导者的作用。了解了学生的兴趣点或者难点之后，要适时地提出一些具有挑战性的问题，促发学生继续钻研的欲望，这与维果斯基提出的“最近发展区”的理论有些类似，先保证基础任务是开放性的，门槛低的，但同时也要准备一些额外的挑战任务，这些任务能够达到很深奥的应用程度。人类本身具有与生俱来的好奇心和学习天赋，如今我们面临的挑战就是要助长这种学习过程，培养起学生努力探求知识的禀赋，当然，过度的挑战可能会引发焦虑，而恰如其分的挑战就能很好的激励学生去探索、去钻研，给学生带来高度的享受感，从而能够达到最佳的学习状态。最后一点是在上一节提出的4C教育理念，即联系、建构、反思和延续。1.5.3建构主义理论“做中学”这一理念最早由美国实用主义教育家杜威提出，杜威认为最好的教育是从生活中、从经验中学习，使学校中获得的知识与日常生活中的活动相联系，但是杜威的思想在那个时代代表着资产阶级初期的实用主义的教育理念，与我们现在强调的科学探究式的教育有着本质的不同。我国教育家陶行知师从杜威回国后，探索出了一套适合我国教育发展的“生活教育”理论，陶行知先生“做中学”中的“做”，强调在社会实践中学习，并且十分重视做在教学中的作用。知识不是灌输习得的，学习者需要建立在一定的社会环境背景下，结合获取到的学习资料和学习者同伴的协同作用，通过有意义建构的方式获得，学习的本质是学习者的自我建构。这同样可以用由美国著名的学习专家埃德加·戴尔提出的“学习金字塔”来解释，以语言学习为例，经过两个星期的学习之后，初学者能记住10%阅读过的内容，20%聆听过的内容，30%以图像的形式储存，现场观摩、观看影像、展览、演示能记住50%，70%是通过参与讨论、发言、交流等记住的，作报告、讲解给别人听、亲身体验、动手做或者表演能记住90%。也就是说类似于听讲、阅读、视听、演示等更被动学习的方法对于学习内容的留存率是比较低的，而像小组讨论、实际演练、马上应用等主动学习的方式更有效率，学习内容的留存率也就越高。让学习者置身于学习的环境中，处于充满趣味性和挑战性的活动中，给予一定的引导，学习就会下意识地自然而然的产生，他们与环境发生构建，并在此基础上又在大脑中建构新的知识1.6研究目标和内容1.6.1研究的主要内容本研究的主要着眼点是机器人课程，不同于学校中的课外活动或者综合实践活动，而是将其作为一门正式课程来研究，结合前文对国内外机器人教学现状的分析，我国的机器人教学起步较晚，研究的方向偏向理论，即教育理念、课程设计以及教学模式等。虽然国外相关教学实践案例比较多，但教学主题较为分散不成体系，缺乏借鉴效果，因此有必要结合我国现阶段的教育教学现状开发适合我国学生特点的机器人教学课程体系。为此本论文拟研究如下内容：首先，扩大调查地区范围，通过问卷与访谈了解当前中小学机器人课程的实施情况；其次，根据调查分析机器人课程在我国实施过程中存在的问题，包括教学目标、内容模块的设置、教材以及教学工具的应用、教学理念、教学原则、教师队伍以及资金政策方面的问题；最后，探索提出与我国教育现状相适应的机器人课程教学模式，结合案例分析为我国中小学机器人课程开设提供一些建议。1.6.2研究的主要目标开展中小学机器人课程实施情况的调查，分析存在的问题科学把握中小学机器人课程开展的理念基础以及价值结合国内外优秀教学经验，初步制定符合我国教育现状的机器人教学模式并设计教学案例为我国更好的发展机器人教育提供对策与建议1.7研究方法及过程1.7.1研究方法文献研究法查阅国内外有关机器人教育的文献，了解当前国内外机器人教学的最新动态，包括机器人课程的普及程度、教学现状以及课程实施过程中遇到的问题和困难，确定了本论文研究的重点为机器人课程，通过对当前现状的分析，提出相应的对策以及适合我国中小学特点的机器人课程体系和教学模式。文献的主要来源是中国知网上检索的期刊、网络资源、著作以及硕博论文等，为课题的研究作了充分的准备。调查研究法 本论文采用的调查研究法，首先选取徐州地区三所中小学，分别是铜山区实验小学、徐州市第三十四中、徐州市高级中学，通过问卷调查以及访谈的方式，了解学校机器人课程的实施情况。另外，为了提升问卷的有效性，将调查范围扩大至全国范围内，将问卷发布至网上，信息技术教师群、教师论坛以及贴吧等，广泛收集调查数据。案例研究法通过大量收集国内外机器人教学的经典案例，包括国家教育资源公共服务平台上优秀的教学案例以及学校中现场教学的案例，综合分析当前机器人课程教学中存在的问题，并在此基础上提出相应的教学模式以及课程体系设置等建议，以期对为后续研究提供参考。1.7.2研究过程研究初期，是文献资料的阅读和分析阶段。阅读中小学开展机器人教育的相关文献，走访学校和相关单位，了解目前我国中小学机器人教育的现状和问题。同时认真学习和眼界中小学开展机器人教育的理论知识和现实意义。研究中期，是实施调查研究的阶段。本研究首先选取徐州地区三所中小学，分别是铜山区实验小学、徐州市第三十四中、徐州市高级中学，编写问卷题目和访谈提纲，通过问卷和访谈学校中领导人员、教师和学生了解机器人课程开展实施情况；其次通过网络传播扩大调查地区的范围，广泛收集调查数据，结合学校实际教学以及国内外经典教学案例，归纳总结教学实践中存在的问题。研究末期，是整理分析数据并总结的阶段。对问卷数据的分析以及访谈结果的整理，撰写调查报告，并针对提出的研究问题和需要研究的内容提出建议和策略。2中小学智能机器人课程调查分析2.1研究设计在问卷设计与框架编制方面，以中小学目前已经开设的机器人课程为核心，主要围绕机器人课程的教学目标、教学方法、教学理念、教学模式、教学评价方式、教材以及教学内容模块来源，还涉及到教师专业队伍的建设和培训、学生在学习过程中的兴趣点和遇到的困难、国家的政策和资金支持，影响机器人课程有效开展的原因和未来发展趋势等方面，共收集问卷504份。2.2问卷项目分析2.2.1关于教师表2-1教师基本情况根据表2-1，参与调查的教师性别差异较大，通过此前与在我院接受乐高“创新人才培养计划”的教师随机访谈发现，许多女性老师认为自己专业能力欠缺，希望通过培训和学习提升自己，并认为机器人教育行业应该有更多的男性教师参与进来。在所有接受调查的教师群中，共有66.87%的教师是信息技术、初等教育、小学教育、教育管理和理工科专业，他们教授小学、初中、高中的人数基本相当，小学稍微突出，这也是比较符合我国引导中小学生机器人入门的教育现状。表2-2教师对机器人课程的看法尽管目前我国比较重视人工智能、创客教育和STEAM教育的发展，仍然有少数教师认为学校没有必要开设智能机器人课程，将近一半老师对智能机器人课程持无所谓的态度（详见表2-2）。这说明机器人教育中存在这样一个问题：虽然国家层面对此非常重视，但真正落实到学校层面的时候，却败在学校升学率的重压下，或者只是将其作为学生课外的兴趣活动，家长目前还没有认识到机器人教育的价值，家校难以达成共识，导致教师动力不足。另外学校在机器人课程建设中投入的资金和设备不足，只有不到40%的被调查教师觉得建设机器人课程实验室是有必要的并且学校也在建设当中，有42.06%的教师对于机器人在线仿真教育平台的建设持无所谓的态度，这也是客观上导致机器人课程开展困难因素。从教师主观态度来看，认为机器人课程专业技能培训收获较大且有定期展开的教师不到半数，其他教师则认为效果一般或者没有必要培训。而当教师被调查到更倾向于参加哪种形式的机器人教育相关培训时，有59.92%的教师更青睐“项目实践教学”，其次是“在线教学平台”，这说明教师们认为这是一门实践性较强的课程，需要提升自己的动手能力，并且不想耗费自己多余的时间，喜欢采用更为自由便捷的方式进行学习。2.2.2关于机器人课程在笔者列出的一系列机器人课程教学目标中，有69.05%的教师认为该课程能够培养学生动手实践的能力，其次有70.44%的教师认为学生的创新创造能力会有提升，接下来是团队协作能力、计算思维、信息素养和分析与解决问题的能力。有44.05%教师认为机器人课程应该与“算法与程序设计（计算思维）”这一模块紧密结合，其次是“电子工程动力机械等”。当然机器人课程是一门综合性的学科，它所要培养的也是综合性的创新型人才，这是开设机器人课程的初衷，它的最终目的则是实现人才兴国。表2-3课程教学情况但实际上，通过调查发现（详见上表2-3），竟有73.21%的教师认为机器人课程的实施只实现了以上目标中的很少一部分，这说明我国目前的机器人课程体系存在着问题。首先，从课程内容来源上看，40.08%的课程都来源于学校进购机器人套装的类似产品说明书的教学内容，采用国家规定教材以及教师自主编写教材就少之又少了，教材缺乏精心设计。从侧面反映出，虽然我国对于机器人教育比较重视和推崇，但是课程体系的设置上还是缺乏一定的标准，导致无法达到既定的教学目标。另外教学方法和教学理念上的冲突也是一大比较重要的问题，对于STEAM教育、创客教育和乐高4C这些很早就引进的理念，虽然有40.87%的教师在教学过程中认为自己贯彻的是比较新颖的理念，但是落实到教学方法上却又是传统的讲授演示法，所占比重高达58.73%。教学模式则较多采用实验模拟和趣味交互，对于更深入的科学探究和发明创造则较少能够实现。但值得肯定的是，大部分教师认识到机器人课程是一门综合性的学科，单单依靠像普通学科那样的考核方式是行不通的，而是采用了小组竞赛和项目作品展示等方式来评定课程最终成绩。2.2.3关于学生学生在学习机器人课程时的基本情况，主要是机器人课程课时的安排，机器人套装的使用情况，上课过程中学生的兴趣点和感觉困难的部分，详见表2-4学生上课基本情况。表2-4学生上课基本情况由上表可见，有超过半数（50.4%）的学校采用的是9-12课时的课程安排，从课程开设的可操作性上来看，义务教育每周安排一课时，连续上一学期，总共有效课时约为17课时，中小学开设机器人课程的主流意见是一学期，因此大约是17课时；高中阶段以每周两课时计算，总共应为34课时较为合理。机器人课程强调创新和团队合作，每2~4人组成一个小团队使用一套机器人套装的占54.76%，可以说是现在学校上课的主流形式，如果是每人一套教学用具的话，学校就要花一大笔经费，超过5人合用就可能达不到团队协作的最佳效果，因为这其中会有学生参与不到团队中，无法获得团队归属感自然提不起学习的兴趣。机器人课程本身对中小学生来说会非常有吸引力，调查结果显示只有4.17%的学生感觉有难度不太想参与，总体而言智能机器人课程是受学生们欢迎的，他们在课堂上的积极性也会很高。另外，中小学生对于机器人课程最感兴趣的部分和感觉理解比较困难的部分分别是“观察、设计、组装机器人”（占45.24%）和“编写机器人程序代码”（占50.99%），这说明学生们比较喜欢动手实践，这与孩子们好奇好动的天性分不开，而编写代码本身就需要很强的逻辑思维和计算思维，这也是目前多数学生缺乏并且是机器人教育需要着重培养的一个方面。2.2.4原因剖析与发展趋势为何学生在学习机器人课程的时候会觉得比较困难？上文提到过，中小学生对机器人课程最感兴趣的部分是“观察、设计、组装机器人”，尽管如此，66.47%的教师反映其实学生们在“设计、制作机器人的动手实践能力”比较差，也就是说明虽然兴趣盎然但是没有掌握正确的方法，关于自己“设计”这一方面的创新能力和想象能力还不足。其次是54.96%的学生对“机器人基础知识掌握不牢”，接下来50.79%归咎于“编程、逻辑思维能力较差”。由于学习的是一门全新的课程，内容较为复杂，学生在学习的过程中较易产生畏难情绪，在我国教育大环境下也比较缺乏小组合作能力。详见表6。表2-5原因剖析与发展趋势虽然在我国中小学开设机器人课程的呼声越来越高，也有一些省份已经试行一段时间，但是还没有真正落实有效开展，甚至有些学校会因为升学率而持观望态度。对此问题，多数教师认为是机器人设施设备的价格偏高所导致的（占60.12%），而“学生学习存在困难”、“教师专业程度不够”、“缺乏国家政策和课程标准”也成为三大主要原因。那么如何才能更好的实施机器人课程，使机器人教学更具有导向型呢？62.3%的被调查者倾向于“与企业共建实验室，邀请企业工程师参与教学环节”，企业是最规范、最为流程化的，它面向的是社会，所以要求相应会更高，企业中的工程师一般有很丰富的实践经验，因此如果能够邀请到企业工程师参与学校的教学环节相信会让学生受益匪浅。“将机器人相关企业所需知识整合进课堂教学中”和“组织学生进行企业工厂参观学习”分别占到48.81%、45.44%，被调查者普遍认为学校教学应该和企业对接，不管是邀请企业工程师参与教学，还是融合企业培训知识进课堂，还是去企业参观学习都是需要学以致用的，而不是单纯的学会拼装一个机器人的步骤和方法。而被调查者回答对智能机器人热潮的看法时，有48.02%的人觉得应该将其根据学生的兴趣作为活动课程来发展，觉得智能机器人教育非常有前景应该加强普及力度的占到30.16%。这说明，绝大部分被调查者认为该热潮是有优势的，能够推动我国教育事业的发展，培养更多创新型人才，不管将其作为常规课程还是作为活动课程，至少在思想上已经朝着好的方向有所转变。2.3中小学机器人课程实施现状分析2.3.1国家政策及课程标准国务院在2017年发布的《新一代人工智能发展规划》中就提到，要实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程，呼吁社会力量参与开发与推广寓教于乐的编程教学软件，鼓励进行形式多样的人工智能科普创作，鼓励科学家参与人工智能科普。国家层面的总体战略规划目标是，到2030年要抢占人工智能的全球制高点，为了实现这个目标，国务院正式下文：从小学教育，中学科目，到大学院校，逐步新增人工智能课程，在高等院校设立人工智能专业并拓宽教育内容，加快建立人工智能学院，增加相关专业的硕博点，开辟专门渠道精准引进人工智能高端人才，从而建设全国人才梯队[12]。此规划的战略意义十分重大，我国必须运用人工智能提升国防实力，维护和保障国家安全，通过发展智能经济、壮大智能产业，带动国家整体竞争力和经济实力的飞速增长。教育部也于2017年底印发《普通高中课程方案和语文等学科课程标准（2017版）》，人工智能进课堂，将信息技术学科分为必修、选择性必修和选修三类，而人工职能初步被细化成了三个部分：人工智能基础、简单人工智能应用模块开发、人工智能技术的发展应用，实际教学可采用案例分析、项目设计的方法，也可以向学生展示一些比较典型的智能系统，学生通过学习简单的人工智能应用模块，能够初步实现智能系统的搭建，更加体现出这门课程的综合性和可发展性。在通用技术课程中增设了“机器人设计与制作”模块，通过该模块的学习，学生需要了解机器人的基本原理和结构，能设计、编写、调试计算机程序实现路径规划和运动控制。不难发现，我国已经将机器人教育和STEAM教育融合到了基础教育体系当中，国家层面对于人工智能、机器人教育越来越重视，并且要在全国范围内深入推广应用，机器人课程进校园直至普及的形势一片大好，这也是培养我国创新型人工智能相关领域高水平人才的手段。虽然国家方面给机器人教育、机器人课程提供了很大的发展空间，也有一定的政策鼓励，但是这些政策的制定往往停留在宏观层面，落实到教育部、各省、各市、学校的层层部署缺乏详细的标准，使得学校、企业都跟随人工智能教育潮流一拥而上，却在实践的小方向上各自为营、各自摸索，不成体系。当然，新出台的课程标准似乎给这一行业打了一针“强心剂”，机器人课程体系、教学目标等的设定也就有据可循。2.3.2资金资源配置科技部在2017年发布的《“智能机器人”重点专项2017年度项目申报指南》中明确指出，按照基础前沿技术、共性技术、关键技术与装备、示范应用四个类别层次，6个方向，启动42个项目，安排国拨经费总概算约6亿元[13]。国家对于工业机器人产业的经济效益的重视程度可见一斑，但是对于学校建设机器人相关实验室、在线虚拟仿真平台、购买机器人设施设备，教材等的经费补贴没有明确的政策支持。虽然机器人教育已经得到了国家的高度重视，也形成了良好的社会效应，机器人教育培训机构如雨后春笋般相继出现，但这毕竟属于精英化教育，教育资源分配不均衡。即使教育机构与学校合作教学，也只是将机器人作为学生课外兴趣活动课来开设。由于教育部和各省级教育行政部门未出台切实可行的具有引导作用的机器人教育推动办法以及详细的政策支持，导致在活动资金方面举步维艰，学校想要发展机器人教育也只能处于心有余而力不足的被动局面[14]。2.3.3教师专业队伍建设2015年，教育部和丹麦乐高集团的乐高教育在结束2010-2014第一期“创新人才培养计划”项目之后，继续在华深入推进“技术教育创新人才培养计划”，并签署相关的合作备忘录。在此前教育器材和师资培训合作的基础之上，乐高教育将为学前领域至高等学府的创新教育与学习实践提供先进创新的理念与课程体系，使之更为适应本地化教学的需要，相应的教师培训也将拓展到其他领域。在此次调查中发现，教师对于专业培训比较青睐在线学习，而教育部和乐高也开发了教师培训的平台，教师们可以在其中学习中小学课程的一些内容，这对于那些不是十分重视教师机器人课程培训的学校是一个不错的选择。据了解，在此创新人才培养计划实施之后，我校作为被教育司遴选的十家培训基地之一，也携手乐高教育，结合江苏中小学课堂教学实践，推出乐高教师培训系统课程，旨在帮助教师理解乐高教育改进课堂教学的作用，掌握STEM和跨学科教学的思维，能将乐高4C教育理念与学科教学深度融合，从而转变教学方法，优化课堂教学，提升教学效果。培训方式以混合式与体验式培训为主，其中混合式培训是集中培训与校本实践的结合。集中培训以实践案例为核心，关注学员的参与性与互动性；校本实践主要是“案例观摩”、“动手实践”、“教学设计”、“交流反思”等活动，渗透了乐高教具的操作技能学习与教学方法学习，着重强调教学体验与合作建构。体验式培训：学员分组体验，强化提升学员的实践能力和创新能力。在网络发达的环境下，教师也选择通过在线平台自学，这也是国家提出要加快在试点院校建立人工智能专业和学院的原因，只有这样才能尽快培养出一批专业创新型的师资人才。可以说，全国范围内的学校对于机器人教育的重视使得教师专业培训也至关重要，越来越多的学校也对教师培训重视起来，但是很少有学校会有专业的教师团队。由于机器人教育行业是从国外引进来的，国内缺乏相应的课程体系，也就缺乏强有力的师资，大多数学校的选择都是对现有的信息技术教师加强培训，但是，这样一来，每次的课堂上只有一位教师来完成指导全班操作性工作的任务是非常吃力的，教学覆盖显著不全导致教学效果也会大打折扣，如果学校采用外聘技术能力过硬的教师来开展相应的教学实践活动，则会在协调沟通方面出现障碍。因此，建立学校自己的一支专业化师资队伍是不可或缺的。2.3.4教育目标的制定在调查中发现，大部分学校的机器人课程还处在以传授知识与技能为核心的初步发展阶段，教学活动的设计与教学目标的制定较少关注信息素养、逻辑性、计算思维的培养。另外，有些学校只是专门为机器人竞赛培养核心选手，之中少数精英化的教育不符合我国在中小学开设机器人课程的初衷；还有学校将其作为活动课程以培养学生的兴趣，这种学习的深入度不高且教育目标模棱两可的课程对于学生综合能力的发展益处也不是很多。也就是说，我国对于从国外引进的机器人课程的研究还不够深入，各方面的发展尚未成熟，国内较短发展过程还不足以支撑国内理论研究体系。于2017年底发布的新课程标准中，通用技术课程中的“机器人设计与制作”内容被收纳在选择性必修的技术与工程系列模块中，为那些倾向于进入工科专业学习的学生发展技术与工程的兴趣和特长并强化进入工科深造的基础。课程具体目标是，“学生了解机器人基本组成和典型结构，能够组装、拆卸机器人，能结合具体案例设计、编写、调试计算机程序完成机器人路径规划和运动控制，在前期学习的基础上撰写机器人设计书”。可以发现，课程标准中对于机器人课程的学业要求非常具体详细，从掌握机器人的一般组成与结构理论性知识，到拆卸组装机器人的动手操作能力，再到机器人程序设计的掌握，到最终学生能够自主设计创新。总体而言，目标具体而且切实可行，但是教学策略基本上采用的都是讲练结合的方式，学生通过参观或观看视频的方式，观察日常生活中的传感器，了解机器基本结构，理解机器人结构的设计方法，再由教师讲解机器人实例，学生根据教师指导选择、模仿、修改，自主创新和团队协作的部分很少，重在基础知识和基本技能的掌握上，学生作品缺少个性化与创新的设计。2.3.5监管与评价体系课程标准中对于机器人课程的学科建设、资源建设、教学实施、教学评价等都作出了相应的规范要求，但是机器人课程与其他课程的不同之处是对于器材的依赖性较为显著，它需要的实验室、机器人相关套装设备、器材等都是很多且较为昂贵的，加上近来国内机器人教育热潮的涌起，市场上出现的纷乱复杂的机器人及其配件鱼龙混杂，并且主要以玩具的标准对这类产品进行审核，即满足的是《国家玩具安全技术规范》等强制性国家标准，致使硬件设备教育性作用难以发挥。同时，由于产品的的研发人员来源于各种技术专业，因此会导致产品的教育适用性不足以用于课堂教学，教学效果也就不尽如人意[15]。所以，就有必要对学校购置机器人设备制定统一的标准，这不仅有利于学校进行管理，更有利于教材的编写和课程体系的设置。机器人课程不同于以往课程的另外一点是综合性非常强。因为它涉及到的学科类目跨度广且数量多，对于教师的专业性和学生的要求都非常高，所以传统的教学方法已经不能适应这类课程的教学，相应地，传统的教学评价方法也无法测量学生在这门课程中的表现。目前许多学校的重心基本都放在知识技能的传授上，教物相对分离，也导致教师对学生评价这块不是足够重视，甚至采用书面等省事的考核方式，这些都不利用于机器人教育在我国长远的发展。3中小学机器人课程教学模式探究3.1基于STEAM教育的机器人课程教学模式探究STEAM多学科融合的综合教育——科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engine）、艺术（Art）、数学（Mathematics）是由美国政府为加强K12关于这五门学科的教育而提出来的，因其学科交叉整合的教育特点，STEAM教育经常被美国的校长、老师和教育家们挂在嘴边，而且当地大部分中小学都设有STEAM教育的经费开支。它有别于单一学科注重讲解书本知识的传统教学方式，旨在打破常规学科界限，因为不管是知识还是技能的习得都不能只依靠单一学科的知识，往往需要多门学科的理论基础作为铺垫，学习者再结合自身的理解与运用进行整合创造。在高新技术日益发展的现代社会，时代在不断进步，它会淘汰掉现实中看似稳定实则在倒退的陈旧事物，未来也只有综合性的创新型人才才是社会需要且能帮助社会发展的。机器人教育教学活动因其涉及到的学科跨度广、门类繁多，具备交叉融合性和较强的实践操作性，可以将科学、技术、工程、艺术和数学这五门学科有效的融合起来，是实现STEAM教育的一条较为理想的途径。它能帮助实现学生的核心素养，包括技术意识、工程思维、创新设计、图样表达和物化能力这五个方面，因此具有较高的教育研究和实践价值。但是我国对于机器人课程这个“舶来品”的研究依旧处在初步阶段，更多的是在国外研究的基础上加以修改，使之更符合我国的教育现状，并且国内研究的重点偏向理论，教学实践的重点倾向于技术能力的培养，教学内容单一，而不是以学科整合式的方式来实施，致使学生的创新能力、综合素质得不到发展。在之前的调查结果中也发现，多数教师采用的是讲练结合式的方法来上课，也就是重视基础知识、基本技能的传授，这样一来，只是把机器人当做是学习的对象，是达不到学科整合、综合实践能力提升的效果的，也必然无法促进STEAM教育在我国的发展。因此，就需要对机器人课程的现有教学模式进行修改并提出符合学生创新实践能力发展的新型教学模式。下面我将基于STEAM教育理念以及此次的调查结果对机器人课程的教学模式做一探究。3.1.1实验模拟型教学传统的实验教学实际上是一种非工程教育的教学实践，在这个过程中，教师通过讲解的方式对学生进行教学的指导，没有工程设计的思想往往致使教学方法缺乏系统性和全局性，忽视对学生发现问题、分析问题、设计解决方案、最终独立或协作解决问题等高阶思维能力的培养，学生只知道程序化的模仿上课流程，对于知识的理解不能形成体系，自然达不到融会贯通的程度。而机器人课程作为一种典型的工程教育则需要工程思维的参与，学生得到教师系统性的工程方法的指导，掌握基本的知识、基本的技能和基本的方法，基于此循序渐进，能够发挥主观能动性，进行创新实践，这是衡量学生学习效果的核心标准，体现在学生的物化能力上。这一小节所要探讨的实验模拟型教学有别于传统的实验教学，它强调再现现实生活中的实际场景，着重加强对学生工程思维和创新能力的培养。理论基础实验模拟型教学作为一种典型的工程教育，它遵循三个基本理念：成果导向、以学生为中心、持续改进，其中的成果导向教育（Outcomebasededucation），简称OBE，是指教学设计和教学实施的目标是学生通过教育过程最后所取得的学习成果，即学生在经过一阶段的学习之后所达到的最大的能力[16]。机器人教学中的工程教育强调要以现实生活中的科技产品为原型，运用编程软件和机器人模型的搭建还原产品，体验产品的基本原理和基本设计方法，着重培养的是学生物化能力和工程思维习惯。这种习惯是一种倾向性的思维，主要体现在工程方法的全局性和系统性，学生在运用这种教学模式学习时，需要有意识地对整体情况有一个系统性的预测和评估，因为在具体实施的过程中往往会出现无法预料到的问题，不管是在搭建过程中自然出现的问题还是教师人为设置的难点，都需要以系统论是视角综合全面的采取直接正确的方式来纠正错误，所以应该避免仅仅着眼于工程本身而忽视系统与环境的相互作用。逆向工程思维，作为工程思维对立面，实质上是一种产品技术再现的过程，主要是对科技产品进行逆向的分析和研究，从而得出该产品的设计和工作原理，在此基础上运用现代的设计理论、方法和测量技术对其建模、修改和再创造，制作出与原产品功能不同的优化产品，是产品使用到产品设计再到产品生产的过程。将逆向工程思维运用到机器人教学中，学生可以根据已有的机器人模型分析其组成结构、设计思路、功能特性等要素，进而实现机器人模型的功能优化，创造出与原有模型不同的新成果。这对于学生的要求不再停留在模拟制作现实生活中原型产品，而需要对其有所创新和优化，在这个过程中学生的反求思维能力和创新能力能得到充分的发展。模式构建实验模拟型教学是机器人课程学习的初级阶段，教学的重点是学生对基础知识、基础方法和基础技能的掌握。李婷婷、钟柏昌[17]认为如果直接沿着工程设计过程来指导教学有一定的难度，因此在研究实验模拟型教学模式时从已有产品出发，以逆向工程思维为核心，并融合纠错学习理论，提出了六阶段的教学模式：把玩和摆弄、产品解构与复原、产品需求分析、设计可选方案、制作原型、测试与评价。本文结合新发布的课程标准中通用技术学科的核心素养：技术意识、工程思维、创新设计、图样表达和物化能力，并以核心素养中的工程思维和创新设计为重点目标，对六阶段教学模式进行修改整合，重新定义为：原型结构分析、拆解与组装、产品功能分析、创新设计制作、产品测试与评价五阶段模式。原型结构分析。这一过程主要是对机器人原型产品有一个初步的了解，学生通过自主的观察、试玩、体验，对其有一个初印象，激发他们对课程的兴趣，减少畏难情绪并培养独立自主的学习能力。然后小组协作结合教师的引导交流探讨该产品的基本结构和设计思路，所用到的学科知识，并做好结构分析记录以便后期创新制作环节的开展。拆解与组装。经过第一部分的分析，进而对现有产品进行结构的拆解，在拆解过程中明确各个部分零件的数量和作用，做好相关的记录。这个环节的另一个重要任务是要揣摩设计者的设计意图，并思考能否用其他的组装方式代替该部件或者进行功能的优化，最后要能熟练地还原产品，熟能生巧，创意的想法是在熟练掌握的基础之上得以开展的。拆解与组装的主要目的是培养学生基础的动手实践能力，并且这一环节掌握的越熟练工程思维与创新设计才有可能实现。产品功能分析。基于前两个环节，要再进一步分析产品的功能，即学生需要理解工程设计的价值。评价任何一个机器人模型的好与坏，优与差，都是以其在真实环境中创造出来的价值为标准，它能够解决人们实际生活中哪些问题，能够为人们的生活提供哪些便利，还要对产品的适用范围和需求对象作分析。比如灭火机器人能否准确灵敏的感知到火灾的情况开启警报，或者在此基础上添加灭火功能，可以在哪些场所配备相关设施等。这一环节同样可以设置独立自主学习和小组协作相结合的方式开展教学，主要培养学生的系统分析思考的能力。创新设计制作。这是五阶段模式中的核心，前面三个环节的分析与拆装都是为这一环节的创新设计做铺垫。有了原型产品的结构分析和功能分析，加上动手能力在拆解和组装中的锻炼，学生可以进行大胆的创新设计，当然并不是无目的的天马行空式的猜想，学生要制定给出具体的解决方案，而且教师要发挥引导性作用，为学生制定切实可行的目标和问题。比如需要优化哪些结构和功能？为什么要如此设计，这样设计能够解决哪些问题？应该通过什么样的方法完成制作，如果出现问题是否有其他备选方案可以选择？通过问题的引导，让学生有明确的方向但又不至于被框架所约束。创新方案设计完成以及相关问题解决之后所要做的就是具体实施过程，学生在物化的过程中体验到如何运用多门学科的知识支持模型的搭建，理解科学技术知识是如何转化为实际的机器人模型。学生在学习中势必会遇到问题和困难，运用小组协作的方式分工合作，教师现场指导学生的操作，为他们解答疑惑，或者提出建设性的意见，学生在教师指导和团队协作的基础上不断调试整改，以达到最佳状态。产品测试与评价。在制作产品模型之前进行的功能分析是用于判定其实用价值的，当在原型产品的基础上进行功能优化和创新之后，需要对新的产品进行功能的测评，只有将其放置在真实的情境中测试才能发现问题，然后进行调试与修正，机器人模型的搭建往往要经过多次的实验试错才能达到预期的目标，学生通过动手实践来验证理论与方法的可行性。运用实验模拟型教学模式开展学习评价可以从多个方维度进行，可以是理论、平时表现与实践相结合的方式，理论测试不仅仅包括专业性知识，也可以让学生撰写模型的设计方案或者现实生活中的问题解决方案；平时表现包括自评与小组互评保证评价的客观性；综合实践可以通过小组项目的方式开展，对现实产品的模拟搭建或者在其基础上的进行功能的优化和升级。适用范围实验模拟型机器人课程教学模式注重“三基”知识的掌握，以工程设计思维为核心，强调培养学生工程实践的能力。该模式的教学目标是在现有产品的基础上，能分析模型的结构，熟练掌握拆卸与组装流程，对每部分的结构进行功能的分析，创新设计相应的制作方案，并根据制作方案搭建出新的模型产品。虽然说不同于传统的实验教学法，但是从该模式的研究深入度上看，还是属于中下层次，因此它适用于机器人课程学习的前期，主要是针对刚刚接触机器人的学生，能够掌握机器人相关的基本理论知识、方法与技能，能够进行简单的组装与程序设计，随着学习的深入进行，具备一定的知识储备和动手能力之后，就要开始培养学生的创新设计与制作能力，逐渐形成工程设计的思维，提高物化能力，这一阶段要与后期更深入的探究性学习衔接。由于这种模式操作起来比较简单，课程开展所需要的设施与装备仅仅是计算机机房和足够学生使用的机器人器材，因此可以满足中小学实施创客教育的需求，也是学校开展机器人普及教学的良好模式。要发挥实验模拟型教学模式的最大优势，就要将其与传统的实验教学区别开来，注重以工程设计思维为核心，让学生掌握一般工程设计的过程，培养系统性和全局性的思维方式。由于中学生对于工程设计倾向于从主观片面的角度看问题，因此在教学中，还要结合学生的学习特点与风格，不断调整教学策略和方式，对学生出现的问题要有针对性的引导，从而帮助他们更好的理解课程内容开展教学活动。具体的实施过程学校也要根据本校的实际情况对这种教学模式进行修改，并且要在教学实践中不断改进模式才能发挥其最大的效用。3.1.2整合探究型教学众所周知，机器人课程因其涉及学科的广泛性是能够实现STEAM教育的最佳途径之一，但由于机器人课程在我国的发展实施还在起步的阶段，国内的相关研究倾向于基础理论性的发展综述，对于学科整合性的课程体系、教学模式、教学实践均为做出深入的探究。并且，在之前的调查结果中发现，尽管目前大部分学校的领导层面和一线教师都有意识地认为机器人课程开展的形式应该与学校基础课程相结合，开展深入探究型的教学实践，但实际上学校目前的教学方式仍然以传统的讲练结合为主，教学模式跟不上教学理论的发展，即国内的教学实践依旧滞后。这其中涉及到各方面的原因，单从课堂本身来看，机器人课程的教学应避免盲目的在理论知识和基础技能上耗费过多时间，因为过于注重本体知识的讲授以及程序化的技能训练会导致学生的积极性下降，学生只学到浅层次的关于机器人的结构原理和基础搭建方法，没有形成科学系统的思维过程和方法，致使机器人课程的教学成效不尽如人意，因此机器人教育应该重视学生STEAM的整合能力、科学探究的素养和综合能力的发展，将机器人作为科学探究的手段工具和平台进行学科整合的探究活动，这一小节主要的内容就是探讨如何在学校中开展整合探究型的教学模式。理论基础整合探究型教学模式注重学生学科整合能力和探究能力的培养，要求学生能够得到全面的发展，现代的社会是需要综合型发展的人。基于多年来对人类潜能的大量研究，美国心理发展学家加德纳提出并论述了多元智能理论。根据加德纳的理论，人的智力领域是多方面的，在现实生活中我们需要多个领域的智能协同解决问题，这个过程实际上也是一种创造性培养的过程。因此，机器人课堂教学的基本知识和基本概念应该涉及多个学科和不同领域的智力，从不同维度，通过不同的学习活动调动学生多方面的智力潜能，在充分发挥优势智力潜能的同时还要迁移到弱势智力领域，使多种智力协同发展，保证学生的综合素质得到全面的发展。每个学生的智力特点和表现都是不平衡的，并且有自己独特的表现方式，有自己的学习风格和习惯，因此作为教育工作者应该充分尊重每个学生的智力特点，针对不同学生的特点进行针对性的启发教育从而激发潜在的智力领域，当学生的多种智力被激发和唤醒之后，有利于机器人课程的学习，才能整合多学科的知识和技能进行深入的科学探究。STEAM教育有别于传统的重视书本知识讲解的教育方式，是一种超学科的重实践的教育理念，鼓励培养孩子的综合素质，以提升核心竞争力，为我国培育高水平的科技人才。但是STEAM教育不仅仅是提倡学习科学、技术、工程、技术和数学这五门学科的的知识，而是更加重视学生的学习过程，让孩子们动手完成自己感兴趣的与生活相关的项目，在实践中体验跨学科知识的学习。这种强调实践的跨学科学习体验最初来源于美国的创客运动，开始只是自己动手制作一些手工、家具，慢慢就加入了电子科技的元素，制作的成品越来越复杂，所需要的知识储备也越来越多，许多图书馆、博物馆、科技馆、居民社区都建立起了创客中心，并有专业的指导人员让更多人接触并学习到高科技的制作工具。发展到学校教育中，传统意义上桌椅整齐的教室是无法满足STEAM教育的需求的，学生们应该在充满趣味以及各种富有创意的科技制作工具的实验室中学习。正是受到建构主义理论的影响，现在强调的STEAM教育就是需要学生在制作过程中建构起对科学、技术、工程、艺术和数学的知识，在做中学，从而让学生们投入到创造的过程之中。模式构建探究性学习是一种积极的学习过程，主要是指教师在教学中从学科领域或现实生活中选择并创设一个适合学生研究的情境，让学生通过自主的发现问题、思考、调查、实验、收集与分析信息、交流与表达等途径探究，掌握发现和解决问题的方法和步骤，明确事物内部的联系和规律，从而建立自己的学习框架和认知模型，发展探索与创新能力。整合探究型教学模式不光强调学习者的探究学习，更融合了机器人课程学科交叉的特点，要求学生在学习的过程中对学科知识有一个整体的系统性认知与运用。由于整合型探究学习是一种高阶的学习模式，对于学生的要求也相应较高，所以教师应该发挥好引导者的作用，研究学生的思维方式和习惯，从课堂的导入部分给学生创设真实的情境或者任务，善于将各种间接的理论经验转化为实际生活中的直接经验，要站在整体和全局的高度有意识的进行系统的设计，充分发挥学生的主观能动性鼓励学生在原有知识水平上创新学习。因此，整合探究型教学模式的建构除了包含常规的教学分析之外还需要特别考虑这三个部分：学习情境设计、认知工具设计和学习策略设计。学习情境设计。学习情境是指还原知识的完整、真实的背景，或者真实的问题背景，赋予其丰富性与趣味性，以此启动教学，促使学生群体产生独立的或协作学习的需求。不管是什么样的课程，良好的情境导入是学生投入学习的第一步，建构主义强调要基于真实的背景环境发现并探索问题，减少知识与实际问题之间的差距。不同的学科对情境设计的要求也不同，机器人课程作为多种学科整合的一门综合性实践类课程，学科知识结构严谨且较为复杂，学生对该课程有着强烈好奇心的同时不免会有些畏难情绪，因此课程情境的设计应多一些趣味性，并且要包含丰富的资源和许多不同情境的应用实例，学生可以根据自己的兴趣和学习需求主动学习和探索，这是一种比较开放的学习情境。在课程的初期，教师可以在学习情境的设计中布置明确的学习任务，学生在教师的指引下有方向的去探索研究，能保证课堂的秩序和学习效果。理想的学习任务是与学生在校学习的基础课程相结合，例如，高中阶段的物理课程有一个重要实验是探究小车的匀变速直线运动，教师在设计与匀变速直线运动相关的情境后，可以让学生运用传感器等配件搭建一辆工程小车，使传感器能够获取小车的瞬时速度以探究匀变速直线运动。学习情境的设计是学生完成意义建构的外部条件，理想的情境设计能够以自然的方式展现所要解决的矛盾或问题，其最终目的是促使学生进行自主的学习并完成知识意义建构过程。认知工具设计。认知工具的定义最早由戴瑞提出，是指能支持、指引和扩充学习者思想过程的心智模式和设备。乔纳森认为，认知工具作为一种软件在学生批判性思维、创造性思维以及综合思维能力的发展上有所帮助。在现代学习环境中，主要是指能够进行信息资源的获取、分析处理、制作并且可以用来表征思想、与他人通信协作、促进认知过程的广义上的计算机工具。对于机器人课程而言，认知工具包括两方面，一是用于搭建的机器人实体套装，比如控制器、传感器、执行器这些核心的部件，帮助学生认识理解机器人的基本结构和功能模块；二是用来帮助学生开展探究学习的工具，比如关于情境设计中任务或者问题的表征工具，涉及多学科的知识建模工具，帮助解决问题的信息搜索或者视频工具，学习成果评价的绩效工具，协作工具以及管理与评价工具等。教师需要根据本节课不同的学习目标和要求，充分运用现代教育技术手段为学生设计并提供相应的认知工具，从而促进学生的思考过程，帮助他们培养批判性、创造性和综合性思维能力。学习策略设计。由于整合探究型学习模式强调的是学科整合式的培养学生自主研究学习的能力，因此学习策略的设计应包含教师对学科整合的教学情境性策略以及学生的自主学习策略的设计。由于之前已经论述过学习情境的设计过程，因此这部分内容主要强调学生的自主学习策略的设计。自主学习策略的核心是要充分发挥学生作为认知主体的作用，激发学习者的主动性和创造性，学习要呈现自主、主动、创造三个层次相互依存的局面，教师需要安排学习环境中各种因素的模式和方法，保证学习活动的完整性，并且要给每个学生创造并提供尝试的机会，实现学习过程的亲历性。在设计自主学习策略时需要考虑主、客观两方面的因素：客观因素是指知识内容的特征，在此教师就需要考虑机器人课程教学内容的学科整合性和综合实践性特征，运用好情境性策略和抛锚式策略，在情景导入时要将课程与现实生活或与基础课程的知识相联系，在实践操作时，要使学生处在完整真实的问题背景中，产生学习的需求，并通过自主学习和小组协作学习完成任务；主观因素则与作为认知主体的学生有关，教师要充分考虑学习者所具备的能力结构、学习风格和学习习惯等这些智力因素，选择能够激发学生兴趣、动机、意志、情感等非智力因素的学习策略。适用范围整合探究型教学相较于实验模拟型教学是属于高阶的机器人教育模式，因此在教学内容的选择上应该要以现实的生活情境为背景，并且与目前学校开设的普通基础课程相结合，教师应该提出不仅能够激发学生探究欲望和学习兴趣的问题，而且这些问题要有探究的价值和意义，必须在现有的学习资源和学习工具的条件下切实可行的。这种教学模式注重培养学生的跨学科整合能力、科学探究素养以及解决实际问题的能力，需要学生具备扎实的理论知识基础和熟练的搭建能力，对学生的要求相对较高。因此不适合作为机器人教学的初期课程，而应当在中后期作为学生的能力提升课程来实施。由于开展科学探究课程培养学生研究性学习的能力是一个长期且较为复杂的过程，让学生再利用课余时间去完成对专注力的培养也没有益处，因此教学课时的安排最好是一周两课时并且课堂要延续不要有间隔，学生在充裕的时间内通过小组协作完成课堂探究活动。探究型的课程往往离不开数据的收集和分析，机器人实验室也就必不可少，但教师可以根据不同的研究主题选择相应的教学活动场所。这一小节所讨论的整合探究型教学模式强调培养学生学科知识的整合运用能力、科学探究能力以及问题解决能力，有利于实现机器人教育的功能和价值并推进STEAM教育的发展。值得注意的是，新的教学模式的提出不仅对学生更对教师是一项巨大的挑战，不仅需要掌握多学科的基本理论知识，尤其在设计教学情境和教学任务的前期工作上要与现有的课程