STEAM教育机器人课程案例研究

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1、科技服务教育，智能引领未来www.robot-edu.comSTEAM教育机器人课程案例研究——以卡耐基梅隆大学机器人学院ROBOTC课程为例STEAM学科整合是STEAM（Science，Technology，Engineering，Mathematics）教育的基础，旨在将科学、技术、工程和数学四门独立学科知识紧密关联，进而以整合的教学方式使学生掌握概念和技能，最终提升学习者的STEAM素养。机器人教学活动因其学科的交叉融合性和实践操作性，被认为是整合STEAM学科教学、培养STEAM素养的一条有效途径，它帮助教师将工程设计、科学过程、

2、技术素养和数学置于能让学生投身并理解的情境中，因而具有较高的教育研究与教育实践价值。目前国内外对于“如何通过教育机器人课程促进STEAM学科整合及学生STEAM素养提升”这一主题，已逐步展开内容广泛的研究。通过文献梳理发现，国内以理论研究为主，主题涉及教育理念、课程设计、教学模式等相关领域；国外则在理论研究的基础上，开展了大量利用机器人、地理空间等新技术促进各年龄段学生STEAM发展的实证性研究，并通过建设相应的专题网站，为学习者和教学组织者提供了丰富的机器人教学实践案例。但是，国外研究成果的教学主题分布较为分散，教学案例内容较为独立，相互

3、之间缺乏系统性的联系，因此很难向国内研究者提供可借鉴的完整图景。美国卡耐基梅隆大学在机器人科学与技术领域处于国际领先的地位，也是较早探索并推广STEAM与教育机器人整合的研究机构之一，其教育机器人课程具有先进性、系统性、突出教育理念与教育技术以及信息技术之间有机整合的特点。本研究选取美国卡耐基梅隆大学机器人学院系列教育机器人课程作为研究对象，采用内容分析法对其课程体系、课程理念、课程结构及教学设计等主题进行研究，以期为国内相关领域的本土化理论研究与实践探索提供有益的参考。一、RoboticsAcademy教育机器人课程体系Stem教育·编程

4、机器人·搭建机器人·智能造物·无人机·服务机器人科技服务教育，智能引领未来www.robot-edu.com美国卡耐基梅隆大学机器人学院（RoboticsAcademy）是隶属于美国卡耐基梅隆大学的机器人教育机构，致力于研究教师如何在课堂教学中使用机器人，讲授计算机科学并借助机器人技术媒介，提升学习者在交叉学科技术领域中的学习兴趣，推广机器人与教育的整合性应用。目前该学院以ROBOTC平台为基础，已发布近20门教育机器人相关课程，构成了一个覆盖K12到大学阶段的课程体系。以国内熟悉学龄建制为依据，表1罗列了其中5门具有代表性的课程。表1 R

5、oboticsAcademy教育机器人典型课程列表通过对已发布的近20门教育机器人课程进行系统分析，可发现RoboticsAcademy教育机器人课程体系具有如下特点：1.课程不局限于单一的教育机器人载体该课程体系支持的教育机器人硬件平台具有多样化、层次性特点。支持的平台包括常见的LEGONXT、EV3、VEXIQ、VEX、RobotVirtualWorld、BOE-bot等，其中既有实体机器人，又有虚拟机器人平台（RobotVirtualWorld，RVW）。RVW包括机器人虚拟技术、竞技仿真、以探险故事为主线的游戏教育软件等。从层次上看

6、，该课程涵盖了K～12阶段STEAM教育目标下常见的教育机器人平台，如LEGO系列。该课程同时提供更高阶段STEAMStem教育·编程机器人·搭建机器人·智能造物·无人机·服务机器人科技服务教育，智能引领未来www.robot-edu.com教育目标下满足大学层面需要的、技术与功能上较为复杂的教育机器人硬件平台的支持。比如，该课程体系所支持的VEX机器人平台就以突出机械与电子技术的整合而著称。课程还将当前创客领域中广泛应用的开源硬件ArduinoUNO引入工程项目实践，进一步增加了课程所支持的机器人硬件体系的创造性与开放性。2.课程适于不同

7、阶段及知识背景的学习者该课程体系以计算机程序设计为主线，分别通过图形化编程平台与抽象化、形式化编程语言ROBOTC平台，将不同认知水平的学习者广泛纳入到课程体系的不同阶段之中。通过课程实践项目中挑战案例难度的差异化设计，以及解决方案中所需要的不同层次的背景知识与技术工具，区分了对STEAM素养不同程度的要求，为学习者对课程的差异化选择提供了依据。图形化编程环境针对认知水平处于前运算或具体运算阶段的学习者，借助形象的编程模块或流程框架，帮助他们熟悉程序设计的流程，建立逻辑思考问题的能力；对于建立起抽象思维的学习者，藉由VEX机器人硬件平台和R

8、OBOTC编程软件，可获得基本程序设计、机械结构、机器人运动、传感器技术领域的知识和技能；而对于更高阶段的学习者，则可通过诸如CAD机械结构件建模或扩展Arduino的VEX/B