机器人教育在STEM课程中的设计研究

在美国，科学，技术，工程和数学（STEM）教育被视为确保国家成功未来的重要一步。基于现实世界中的问题开发的STEM课程，可以使课程更贴近学生和教师。对于更优质的STEM教育的迫切要求主要基于以下因素的考虑：许多职业现在需要一支能够参与STEM思维和技能的劳动力，机器人教育研究对创造力，创新，批判性思维，解决问题，信息和媒体素养的要求变得愈发重要。而STEM课程能比较好的培养这些素养，并为学生从事STEM相关领域的工作打下基础。

机器人技术被看作STEM教育的重要组成部分，因为它向学生介绍了复杂的数学和科学思维。机器人学可以成为学习应用数学概念，科学探究方法和解决问题的途径。机器人教育方案以模拟人类的运动，并允许学生发展抽象的心理表征、数学思维。此外，当学生遇到具有挑战性和复杂的学习场景时，机器人的使用可以提高学生的积极性并鼓励坚持性。

与机器人教育相关的数学和科学思维通常被称为计算思维。人工智能机器人教育中计算思维是一个涉及通过利用计算机科学的基本概念来解决问题，设计系统和理解人类行为的过程。计算思维促进了数学和科学的学习，包括抽象，问题分解，预测，和迭代，递归思维和差错检测。研究表明，计算思维从根本上有利于学生在STEM课堂上的学业表现。

然而，传统机器人课程并不能保证学生参与计算思维。只有在真实情境中呈现机器人任务时，学生最有可能参与计算思维。即，机器人教育怎么样？结合解决问题的场景和真实使用STEM技能的探索的环境。在真实情境中，学生通过测试他们的机器人编程来解决复杂问题。

功能环境通常涉及一个真实的问题，即让学习者围绕复杂的开放式问题进行学习。这些类型的问题通常以设计为重点，这些问题为学习者提供了参与有益性失败的机会。有益性失败是指当学习者尝试问题，失败并且必须基于失败的结果构建新的潜在解决方案时形成的知识。失败是有成效的，因为小学生机器人教育学习者在这段经历中开发的思考和解决问题的过程可能会转移到未来的新情境中。同时在功能环境中呈现的问题要让学生参与高阶思维。在功能环境中使用真实的，结构不良的问题可以提高学生的高阶思维。

功能环境的另一个特征是协作。当学生在功能环境中参与高水平认知活动时，协作可以让学生进入更深层次的对话。这种深层次的讨论可以了解同伴的思维模式，并允许学生讨论多种解决问题的方法来增强学习。通过合作，学生可以批判观察和监测彼此，可及时发现错误。

体验式学习一种允许学生与真实情境进行交互，体验和学习的方法。借助具身认知理论，机器人教育类特点实施方法应强调创造感性的身体体验，让学生通过在情景中体验这些概念并与周围的现实世界互动来学习抽象概念。它使用感知，行动和物理运动来外化并进行可见的数学思考和解决问题的过程。

老师应该加强学生的在项目领域的研发能力和工程设计规范训练。由于这个阶段课程的难度逐步提升，所以需要更具有师资的团队进行项目合理的整合。这时项目需要同时兼备创新型和社会实用性两种，也是为后续各类科技竞赛的发展做充分的准备。机器人教育有用吗？同时也可以作为大学生课程的普及。培养学生逐步成为成熟技术素养和项目研发能力的跨学科课程的理论与实践的学习。这个阶段课程主要适用于大学生和研究生。因为这个阶段的学生在知识储备以及思维上都有了自己的想法，在不同的事情上也有了自己的意见和想法，尤其在学习和操作上具有自律性和自我控制能力。而同时社会性创客空间也是大学生创客活动的重要场所，为他们的学习创造了有利的條件，而这个阶段的课程主要应用于日后学生自主创业和生涯规划，是大学双创教育的重要实践平台和人才诞生基地。

综上所述，使用综合方法在STEM科目之间建立联系有利于学生学习。首先，综合方法使学习者能够获得真实的解决问题的经验。通过这种真实问题的解决，机器人教育培训学生能够提高高阶思维技能和解决问题的能力。综合STEM课的另一个好处是，将科学和数学结合起来可以积极地影响学生学习STEM相关内容的动机和态度。然而，为了给学生带来综合性STEM课程的好处，教师需要一个连贯的课程，其中计算思维，编程和建模不是作为单独的主题教授，而应与科学领域的学习交织在一起。