面向職教學生計算思維發展的STEM機器人課程設計與應用

文/陳璟

近年來，關于STEM 與計算思維發展的融合設計研究在教育領域快速發展。本文通過梳理STEM 與計算思維的關系，結合職業教育學生的特點及其在機器人課程方面的興趣情況，探討了面向職教學生計算思維發展的STEM 機器人課程的設計原則、設計內容，并在此基礎上引入教學案例進行了應用分析。

近年來，STEM 教育在世界范圍內掀起一波熱潮，在各教育教學階段都受到諸多關注。美國更是將STEM 教育作為一項提高國家科技創新能力和國際競爭力的教育戰略，強調科學、技術、工程和數學四個學科領域的緊密聯系與交叉融合。[1]作為學生思維發展的重要內容，計算思維成為信息時代新興的教育主題。為了全面提高STEM 教育的實施水平，增強學生的計算思維，教育領域開始逐步開展對STEM 和計算思維發展的融合設計進行研究。而培養學生計算思維的一個重要方式就是進行機器人課程教學，特別是機器人的編程、構建、數理計算等方面的教學。

一、計算思維與STEM 概述

早期，計算思維被認為是一種以算法為核心、基于計算機科學的思維能力。2010 年，美國卡內基·梅隆大學的周以真教授在吸收和借鑒其他學者研究成果的基礎上，對計算思維進行了嚴密的定義，即計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學的一系列思維活動。[2]而STEM 是將科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四門學科進行融合，以整合上述四門學科的知識作為切入點，讓學生綜合運用整合知識開展創造性學習，從而到達解決問題的目的。[3]

由此可以看出，計算思維較為重視解決問題過程中產生的分析思維和創新思維，且思維過程最后能以信息化的方式加以呈現；而STEM 則重視將四門學科中有關聯性的知識以項目的方式整合呈現給學生。因此，在教學過程中，教師需要將二者進行有機結合，引導學生在解決問題時通過聯系實際、分析問題、設計方案來獲得跨科學知識，以及在設計方案時激發學生的創造力，使他們在構建知識體系的同時提升自身的抽象思維與批判性思維。

二、面向職教學生計算思維發展的STEM 機器人課程的設計原則

本文所選取的研究對象為職業教育學生，其與中小學生在機器人課程學習方面的最大區別在于：他們的自我表達能力和社交參與能力較高強。因此，在教學過程中，一般的模擬教學和仿真情境已無法吸引職業教育學生的學習興趣。另外，職教學生在編程方面掌握的技能有限，計算思維不夠縝密，但動手實踐能力較強，他們更喜歡自己嘗試搭建機器人模型。在這種情況下，教師首先要設計包含STEM 跨學科融合的真實問題情境，據此提出一系列問題，引導學生進行發散性思考，從而鍛煉學生的分析思維和批判性思維，達到知識遷移和增強學生計算思維能力的目的。其次，教師可要求并指導學生進行多種算法的探討，讓學生在深度討論中拓寬思維。這樣既有利于尋求到算法清晰、更為完善的最優方案，也可以強化學生的算法思維和系統思維，進一步促進學生計算思維的發展。最后，教師應從多維度對學生的學習過程及學習結果進行評價。針對學生計算思維的評價，國際教育技術協會（ISTE）將其劃分為創造力、算法思維、批判性思維、問題解決、合作學習等五個方面[4]，教師可在此基礎上設計更為細化的評價指標，對學生進行更為全面、客觀的評價，從而激發學生的學習興趣。

三、面向職教學生計算思維發展的STEM 機器人課程的設計內容

在通常情況下，完成一個STEM 機器人項目教學需要8 個課時，其主要涉及的教學環節有創設情境及確定問題、分解問題和規劃方案、嘗試解決問題和修改、成品展示與交流評價。其中，每個環節2 課時。教師需要對整個項目進行精心設計，在每個教學環節加入能夠提升職教學生計算思維的元素，整合STEM 教學目標，從而全面提高學生的計算思維能力。

（一）教學目標設計

教師要根據機器人項目的內容，結合STEM 和計算思維的發展規律，提升學生解決問題的能力及動手實踐能力。在進行教學目標設計時，教師應側重學生在不同學科中的計算思維的發展，將計算概念、計算實踐與計算觀念作為教學目標設計的三個維度，并將其融入STEM 的科學、技術、工程、數學四門學科教學目標中，使學生在STEM 機器人項目學習過程中不僅能夠提高協作探究能力，同時還可以發展計算思維能力，并能熟練應用程序算法解決問題。

（二）學習環境設計

為了更好地開展教學，以及促進學生間的交流與協作，在STEM 機器人課程教學的環境設計中，教師可以將環境分為硬件環境與軟件環境兩個部分。硬件環境的設計主要在于學習空間的創設。例如，在基于計算思維發展的STEM 機器人課程中，教師可將桌椅圍成一圈，并為學生開辟出可供書寫與展示的空間，讓學生可以更好地進行交流對話與合作創造。軟件環境的設計主要在于項目中的情境創設。例如，教師要根據項目內容創設出合適情境，使學生能夠沉浸其中開展探究，進行跨學科融合學習，進而完成學習任務。

（三）教學環節設計

如圖1 所示，教師可將一個項目作為大課程，對教學過程中各個環節的師生活動進行設計。

（四）教學評價設計

教師可以采用形成性評價與總結性評價相結合的評價設計，綜合教師評價、小組評價和學生自我評價三個方面，從創造力、算法思維、批判性思維、問題解決、合作學習等五個方面明確學生的計算思維發展情況。在教師評價層面，教師應對學生合作學習的表現、算法思維的優化程度、項目成果的創新性進行評價；在小組評價層面，教師可將其細分為小組自評及小組互評，讓所有小組采用相同的評價指標與標準，從學生對項目的貢獻度出發，對學生的整體情況做出評價；在自我評價層面，學生應從自身對知識的掌握程度、參與合作的程度、產生批判性思維的次數、產生創造性思維的次數等方面來進行自我評價。從多個層面和多種維度進行評價，有利于保證評價的全面性，讓學生發現自己的不足或短板，使其更加有針對性地制訂學習規劃。

四、面向職教學生計算思維發展的STEM 機器人課程教學案例

本文所選取的教學案例為“景區自動噴霧降溫裝置”課程，來自《智能硬件項目教程：基于Arduino》教材。筆者所在學校的教師以項目為學習任務，綜合傳感器、超聲測量、自動控制等知識，讓學生在已有知識基礎上完成綜合項目的設計與制作。

在進行STEM 機器人課程學習時，中小學生需要考慮的是機器人的功能是否能實現。而職教學生的思維更接近成人，在STEM 機器人課程學習中，不僅要考慮功能的實現，還需考慮程序算法的便捷性，以及環境、時間等因素對項目帶來的影響，從而使得設計的項目可以快速地投入生產運營中。

（一）課程教學目標設計

本文所選取的教學案例“景區自動噴霧降溫裝置”課程涉及了較多綜合性知識?？紤]到需要綜合判斷學生是否都掌握了STEM 中不同學科的知識，以及是否在計算思維的發展方面有所成長，教師根據教學內容，以計算思維中的計算概念為中心制定了以下課程教學目標：

（1）科學（S）：了解傳感器的概念、觸發原理以及學會通過控制距離與溫度等變量來觸發傳感器。

（2）技術（T）：學會綜合使用循環語句與數組結合，找到編程的核心，并選擇最優算法。

（3）工程（E）：學會設計穩定的自動噴霧降溫裝置，并能根據環境選擇合適的材質以及銜接位置。

（4）數學（M）：根據自動噴霧降溫裝置的噴水范圍，計算景區面積以及裝置所需數量與投資金額。

與其他課程的教學目標相比，“景區自動噴霧降溫裝置”課程教學目標在整體設計上更關注計算思維與STEM 目標的整合，在知識習得與能力培養方面設計得更為全面，對不同的STEM 學科在計算思維方面的融合也有一定程度的體現。

（二）課程教學過程的實施

根據上述教學目標，教師根據圖1 所確定的教學環節開展了教學工作。教學過程的具體實施情況如下。

1.創設情境，確定問題

教師根據教學內容，選取了學校所在地區的5A 級景區。學生為職教二年級學生，基本都已經去過該景區，對該景區的情況與布局都比較熟悉。此外，部分學生已完成了C 語言的學習，對編程理論與編寫程序較為熟悉。教師在情境創設過程中，一方面以學生較為熟悉的景區游玩路線為主線，為學生創造輕松愉悅的氛圍，讓學生能夠帶著探究的熱情進入學習情境；另一方面以解決實際問題為目標，讓學生帶著問題進入學習情境，為學生預留拓展探究的區域，讓學生通過有效的協作學習來解決問題。

在情境學習中，學生展開了積極發言與討論，發現需要解決的主要問題有：①自動噴霧降溫裝置是通過什么來實現自動控制的？②自動噴霧降溫裝置的款式如何設計得比較輕便穩定？③自動噴霧裝置需要裝在什么位置才能實現景區范圍的全覆蓋？

2.分解問題，規劃方案

在該環節，教師讓學生根據已確定的問題進行小組討論和頭腦風暴。小組需要將主要問題分解為若干小問題，確定關鍵問題與關鍵技術，并在此基礎上規劃解決方案與步驟，同時對小組成員進行任務分工。

以某一小組討論問題“自動噴霧降溫裝置是通過什么來實現自動控制的”為例，在一輪深入討論后，學生分解出了以下問題：①有哪些常用方式可以實現自動控制？②傳感器在自動控制系統中的作用是什么？③使用什么類型的傳感器可以實現自動噴霧降溫裝置的快速啟動與關閉？④根據什么條件選擇合適的傳感器或觸發器？⑤觸發傳感器的編程關鍵技術點是什么？⑥使用哪種編程語言能夠節約時間，更快啟動自動噴霧降溫裝置？

小組成員將問題分為傳感器、編程兩種類型進行了任務分工，分別獲取兩種問題的答案，并開展了進一步的交流與協作。

與其他環節相比，學生在這一環節有著充裕的時間進行討論。教師可通過學生頭腦風暴情況來判斷學生的問題分解能力。同時，教師還可根據學生制訂的解決方案以及方案執行情況，判斷確認學生的概括能力是否有所提高。

3.解決問題，修改調整

在問題解決階段，教師帶領學生學習傳感器自動控制原理，引導學生找到傳感器在距離、溫度等方面的數學變量，以及通過編程循環語句來實現對噴霧降溫裝置的自動控制。在這一過程中，學生的“算法思維”得到了有效培養，他們在編程過程中不斷嘗試不同變量因素對整個作品設計的影響，評估自己小組的程序設計是否存在改進提升的空間，是否需要調整或改善程序設計的某些部分，等等。此外，學生也對自動噴霧降溫裝置進行了工程結構方面的設計與構建；教師引導學生如何使用常見的工具去制作富有創造性的作品，鼓勵學生在進行小組討論時更多地關注作品的獨特性，同時不斷探尋和調整作品的完整度。

在學習過程中，學生表示：更加愿意嘗試挑戰復雜問題；除了獨立思考之外，通過合作學習能夠產生更多的想法；在思考問題的同時會產生新的疑惑；在解決問題或做出選擇時，能夠進行綜合判斷；等等。由此可見，學生的批判性思維、算法思維與問題解決能力都在學習中獲得了提升。

4.成果展示，交流評價

在這一環節，學生的主要任務是進行小組成果匯報與作品展示，向其他小組分享作品的設計思路、在整個STEM 機器人課程學習過程中遇到的問題、如何通過討論和測試調整來解決問題等。同時，各小組之間還會互相評價作品，交流設計心得。此外，教師也會根據學生的匯報與展示情況、小組的自評和互評情況以及自身在課程教學過程中對學生的指導情況，對學生的STEM 學習情況進行評價，并有針對性地進行課程教學設計的調整和知識內容的融合。

（三）課程教學評價

在結束課程教學后，教師組織開展了教學評價。78.3%的學生表示自己的創造力、批判性思維得到了提高。其中，30.6%的學生表示有顯著提升；54.8%的學生表示，感受到自己的計算思維、算法思維得到了增強；另有38.4%的學生對自己在合作學習方面的貢獻表示欣喜。教師則對學生在合作學習的完成度方面表示滿意，但認為學生在優化算法、作品創新方面還需進一步完善?？傮w來看，本次課程的完成度以及師生的滿意度較好，教師與學生普遍認可這種教學模式。

五、結語

作為計算機教育中的重要組成部分，計算思維的培養尤為重要。在STEM 視野下，培養職教學生的計算思維，教師需要創造問題化的情境，助力學生打破思維局限，綜合多門學科知識創新性地解決問題。機器人課程是建立在STEM 與計算思維發展之上的，在職業教育的機器人課程中開展STEM 與計算思維發展的融合設計，能夠全面提升職教學生的思維能力、計算能力、創造能力和實踐能力等，促進職教學生不斷成長。