STEM教育下的可視化編程機(jī)器人課程開(kāi)發(fā)研究

何家輝

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)水平的提升，機(jī)器人課程已經(jīng)成了一項(xiàng)重要的科研內(nèi)容，而對(duì)于基礎(chǔ)教育來(lái)說(shuō)，可視化編程機(jī)器人課程的開(kāi)發(fā)已經(jīng)成了教育界所關(guān)注的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容之一，因此，就STEM教育下的可視化編程機(jī)器人課程開(kāi)發(fā)進(jìn)行研究，分析STEM教育理念，闡述開(kāi)設(shè)可視化編程機(jī)器人課程的重要性，提出課程開(kāi)發(fā)的具體模式，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)人士提供幫助。

關(guān)鍵詞：STEM教育;可視化;編程機(jī)器人;課程開(kāi)發(fā)

在如今的時(shí)代背景下，越來(lái)越多的小學(xué)開(kāi)展了STEM創(chuàng)客教育，以提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)的興趣。機(jī)器人課程因其學(xué)科交融性和實(shí)踐操作性，被認(rèn)為是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的有效途徑，它幫助教師將工程設(shè)計(jì)、科學(xué)過(guò)程、技術(shù)素養(yǎng)和數(shù)學(xué)置于能讓學(xué)生參與并理解的情境中，具有較高的教育實(shí)踐價(jià)值。因此，為了能夠促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展，應(yīng)該在STEM教育理念下開(kāi)發(fā)課程，以此建立更加完善的機(jī)器人課程體系。

一、STEM教育下的可視化編程機(jī)器人課程開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀分析以及STEM教育的內(nèi)涵

1.研究現(xiàn)狀

目前，隨著STEM教育的深入發(fā)展，其內(nèi)涵得到了更深一步的擴(kuò)充，教育價(jià)值也越來(lái)越明顯，在如今的小學(xué)教育中，利用STEM理念進(jìn)行整合教育已經(jīng)成了小學(xué)階段的主要內(nèi)容。在這種情況下，如何實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科教育，將STEM教育中的四門學(xué)科的課程進(jìn)行整合也成了教學(xué)難點(diǎn)與教學(xué)重點(diǎn)。對(duì)于數(shù)學(xué)學(xué)科來(lái)說(shuō)，從小學(xué)到高中都有非常完善的課程標(biāo)準(zhǔn)，但立足于STEM教育中所涉及的四門主要學(xué)科的角度進(jìn)行分析，我國(guó)課程標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)依然存在明顯的滯后性，所以應(yīng)該在STEM教育下尋找更加有效的教育教學(xué)方式和途徑。

在我國(guó)如今的小學(xué)教育中，可視化編程機(jī)器人課程的開(kāi)發(fā)依然處于一個(gè)發(fā)展時(shí)期，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力與動(dòng)手能力，但是在一部分STEM教學(xué)實(shí)踐中，卻依然沒(méi)有凸顯出工程設(shè)計(jì)與科學(xué)探究，更多則是采用項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方式完成實(shí)踐教學(xué)。同時(shí)在部分地區(qū)與學(xué)校的STEM教學(xué)中，無(wú)論是教學(xué)的主題，還是項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)，甚至是內(nèi)容的選擇與目標(biāo)的確定，都存在比較大的隨意性，無(wú)法將STEM教育與其他各大學(xué)科進(jìn)行融合，在這種情況下，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生綜合培養(yǎng)的教學(xué)目的。因此，在STEM教育下開(kāi)發(fā)可視化編程機(jī)器人課程，已經(jīng)成了小學(xué)教學(xué)階段的核心內(nèi)容之一。

2.STEM教育的內(nèi)涵解析

STEM具體指的就是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）以及數(shù)學(xué)（Mathematics）四個(gè)詞語(yǔ)的首字母英文縮寫，這也說(shuō)明STEM屬于一種多學(xué)科融合的新型教育模式。在STEM的視角下，主要的教學(xué)目的就是培養(yǎng)學(xué)生的綜合性實(shí)踐能力以及思維創(chuàng)新能力，從而逐漸提高學(xué)生的綜合能力，對(duì)學(xué)生的核心素養(yǎng)進(jìn)行全方面的培養(yǎng)，使學(xué)生能夠更好地適應(yīng)未來(lái)行業(yè)與崗位的需求。在STEM教育視角下，開(kāi)發(fā)可視化編程機(jī)器人課程指的就是深入地分析學(xué)生的現(xiàn)實(shí)需求，而后明確課程教育目標(biāo)，合理地選擇課程教育內(nèi)容，并采用適當(dāng)?shù)姆椒▽?shí)施課程，在完成課程后也要對(duì)課程的開(kāi)展情況進(jìn)行系統(tǒng)性與有序性的評(píng)價(jià)。現(xiàn)如今，隨著教育事業(yè)的改革與發(fā)展，為了能夠進(jìn)一步提高教學(xué)水平與教學(xué)效果，必須要及時(shí)優(yōu)化課程的開(kāi)發(fā)情況，確保課程的開(kāi)設(shè)可以與時(shí)俱進(jìn)。

二、在可視化編程機(jī)器人課程開(kāi)發(fā)中融入STEM教育的重要意義

1.轉(zhuǎn)變教育理念，提高教學(xué)效果

雖然國(guó)家在教育方面的投入逐年增多，但是在實(shí)際的小學(xué)教學(xué)中，仍然會(huì)出現(xiàn)教育理念停滯不前的情況。對(duì)于小學(xué)教學(xué)來(lái)說(shuō)，最終的目的就是促進(jìn)學(xué)生健康成長(zhǎng)，不僅要求學(xué)生具備充足的理論知識(shí)，也要對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力與思維能力進(jìn)行全面的培養(yǎng)，從而為學(xué)生的日后發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。但是結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行分析，很多小學(xué)的教育教學(xué)工作中，依然將傳統(tǒng)的教育教學(xué)理念作為主導(dǎo)，教師在課堂教學(xué)中占據(jù)著主導(dǎo)地位，而且“灌輸式”教學(xué)模式也屢見(jiàn)不鮮，在這種情況下就會(huì)導(dǎo)致學(xué)生接受知識(shí)的效率比較低，降低了整個(gè)課堂的教學(xué)效果與教學(xué)質(zhì)量。為了能夠轉(zhuǎn)變這一情況，必須要把握新時(shí)代教育業(yè)的發(fā)展契機(jī)，轉(zhuǎn)變教育理念，將學(xué)生作為課堂的主體與核心，真正地將課堂還給學(xué)生，從而進(jìn)一步提高教學(xué)效果。

在實(shí)際的課程開(kāi)發(fā)過(guò)程中，融入STEM教育理念，不僅可以打破傳統(tǒng)教學(xué)觀念的束縛，而且也能夠真正地將主動(dòng)權(quán)還給學(xué)生，使學(xué)生成為課堂教學(xué)的主體，以此提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的能力，讓學(xué)生可以獲取更多的知識(shí)，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展與成長(zhǎng)，而這也就充分地體現(xiàn)了STEM教育理念的重要作用和先進(jìn)之處。

2.提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

對(duì)于小學(xué)生來(lái)說(shuō)，因?yàn)槟挲g、性格等因素的影響，無(wú)法對(duì)一件事保持長(zhǎng)久的注意力，而且學(xué)生也尚未形成完善的邏輯思維體系，在這種情況下，如果依舊對(duì)學(xué)生采用傳統(tǒng)觀念下的教學(xué)模式與教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)，則會(huì)影響到學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與興趣，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法積極地參與到課堂教學(xué)中。而借助STEM教育理念開(kāi)發(fā)可視化編程機(jī)器人課程，可以將不同學(xué)科的知識(shí)進(jìn)行優(yōu)化與整合，提高課堂教學(xué)的開(kāi)放性，使課堂能夠呈現(xiàn)出一種項(xiàng)目化的教學(xué)姿態(tài)，同時(shí)也可以在教學(xué)課程中引入人文藝術(shù)學(xué)科，從而使原本枯燥無(wú)味的課堂變得更加具有吸引力與生動(dòng)性，這樣一來(lái)，就能夠有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。

三、在可視化編程機(jī)器人課程開(kāi)發(fā)中融入STEM教育理念的可行性分析

將STEM教育理念融入可視化編程機(jī)器人課程開(kāi)發(fā)中具體指的就是將各種學(xué)科知識(shí)進(jìn)行統(tǒng)一化的合成，使原來(lái)比較獨(dú)立的多門科目課程可以整合成為一門多種學(xué)科融合的項(xiàng)目化課程，從而有效地提高可視化編程機(jī)器人的教育水平與教學(xué)質(zhì)量。而為了能夠?qū)崿F(xiàn)此目的與達(dá)到此要求，在進(jìn)行可視化編程機(jī)器人課程開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，應(yīng)該將STEM教育理念作為指導(dǎo)，將科學(xué)、技術(shù)、工程以及數(shù)學(xué)等相關(guān)學(xué)科的知識(shí)進(jìn)行融合。在STEM教育理念下的可視化編程機(jī)器人課程，可以有效地提高學(xué)生的探究能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生掌握更多的實(shí)踐操作知識(shí)，比如幫助學(xué)生掌握對(duì)機(jī)器人的編程與調(diào)試等技術(shù)手段。同時(shí)，在STEM教育理念下，也可以幫助學(xué)生形成良好的思維習(xí)慣，有助于學(xué)生未來(lái)的發(fā)展。除此之外，利用STEM教育理念可以培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力與邏輯思維能力，以此為學(xué)生的日后發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

四、STEM教育下可視化編程機(jī)器人課程開(kāi)發(fā)的流程

1.選擇課程開(kāi)發(fā)的模式

在選擇課程開(kāi)發(fā)的模式時(shí)，需要重點(diǎn)考慮兩個(gè)方面：一方面，應(yīng)該將STEM教育理念與可視化編程機(jī)器人課程進(jìn)行融合;另一方面，應(yīng)該滿足如今素質(zhì)教育的需求，重點(diǎn)對(duì)學(xué)生的綜合能力進(jìn)行培養(yǎng)，并做好課程設(shè)計(jì)工作，制定相關(guān)的教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)與教學(xué)制度，同時(shí)應(yīng)根據(jù)學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)情況，采取多樣化的評(píng)價(jià)方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.課程開(kāi)發(fā)的步驟

（1）分析工作內(nèi)容

根據(jù)學(xué)生的實(shí)際需要與課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，明確教學(xué)目的，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力與創(chuàng)新思維，使學(xué)生可以開(kāi)動(dòng)腦筋、發(fā)揮想象力，從而實(shí)現(xiàn)小學(xué)可視化編程機(jī)器人課程教學(xué)的目的。

（2）分析教學(xué)內(nèi)容

結(jié)合具體的任務(wù)內(nèi)容，明確最終教學(xué)目標(biāo)與能力目標(biāo)，而后編制完善的教學(xué)單元或者教學(xué)模塊，制訂詳細(xì)的教學(xué)計(jì)劃，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況以及其他多種客觀條件，明確教學(xué)組織形式以及教學(xué)開(kāi)展的具體方法。

（3）教學(xué)課程的開(kāi)發(fā)

根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)每一個(gè)教學(xué)課時(shí)編制詳細(xì)的教案，確保課時(shí)安排的合理性，同時(shí)也要根據(jù)課時(shí)的情況合理地確定教材內(nèi)容。

（4）教學(xué)的實(shí)施

按照制訂好的教學(xué)計(jì)劃與教學(xué)內(nèi)容，組織開(kāi)展課程教學(xué)工作。同時(shí)，在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，也要不斷總結(jié)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，并做好詳細(xì)的記錄，而后完善教學(xué)體系，根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整教學(xué)方法與教學(xué)內(nèi)容，確保教學(xué)方法與教學(xué)內(nèi)容能夠更好地滿足學(xué)生日后發(fā)展能力提升的要求。完成教學(xué)后，應(yīng)根據(jù)課程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行綜合性的評(píng)價(jià)，從而體現(xiàn)出STEM理念下可視化編程機(jī)器人課程發(fā)展的有效性。

比如，將《百變閃燈》課程的教學(xué)內(nèi)容作為主體，引導(dǎo)學(xué)生自己動(dòng)手進(jìn)行制作，明確任務(wù)目的為：制作一個(gè)流水燈作品。在教師的幫助下，準(zhǔn)備好Aduino主控板、面包板、發(fā)光二極管、導(dǎo)線、KT 板等制作材料。由教師統(tǒng)一發(fā)放制作工具，具體包括：移動(dòng)電源（充電寶）、剪刀、水彩筆、螺絲刀等。并采用小組合作的形式，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)制作流程，而后教師對(duì)學(xué)生提出的制作流程進(jìn)行分析與總結(jié)，指出其中的不足之處，最后讓學(xué)生自己動(dòng)手完成操作。具體流程為：①小組設(shè)計(jì)圖案并畫在KT板上;②連接主控板與面包板之間的線路;③連接發(fā)光二極管與面包板之間的線路;④安裝發(fā)光二極管;⑤通電調(diào)試。

在指導(dǎo)學(xué)生結(jié)合生活實(shí)際進(jìn)行機(jī)器人作品設(shè)計(jì)時(shí)，可視化編程機(jī)器人課程的學(xué)習(xí)為他們展開(kāi)多學(xué)科融合創(chuàng)作打下一個(gè)厚實(shí)的基礎(chǔ)，將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科綜合運(yùn)用展開(kāi)創(chuàng)作，解決實(shí)際問(wèn)題。例如：學(xué)生設(shè)計(jì)的作品“智能紫外線消毒燈防護(hù)系統(tǒng)”，就是通過(guò)機(jī)器人傳感器運(yùn)用可視化編程，簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)解決生活中發(fā)生的紫外線消毒安全意外問(wèn)題。在此也體現(xiàn)了可視化編程機(jī)器人課程的有效性。

總而言之，在如今的可視化編程機(jī)器人課程開(kāi)發(fā)中，應(yīng)該在STEM教育理念的指導(dǎo)下，組織學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而提高學(xué)生的綜合能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。

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注：此文為廣東省教育技術(shù)中心2018年度專項(xiàng)課題“在STEM教育下可視化編程機(jī)器人課程開(kāi)發(fā)研究”（課題立項(xiàng)號(hào)：18JX07030）研究成果之一。