周 倩，鄭 妍，楊 冬

陜西師范大學(xué)教育學(xué)院， 西安 710062

STEM (Science,Technology,Engineering,Mathe- matics，即科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué))教育源于美國，該理念主要是整合科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)4個學(xué)科的知識，進而有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力、批判性思維等能力。同時，在學(xué)生的未來生活和工作中持續(xù)發(fā)揮積極的作用。1986年，美國國家科學(xué)委員會(NSB)發(fā)布了第一個關(guān)于STEM教育的指導(dǎo)性文件《本科科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》(Undergraduate Science Mathemat- ics and Engineering Education)。該報告在肯定STEM教育突出地位的基礎(chǔ)上，提出了關(guān)于STEM教育發(fā)展的指導(dǎo)性意見，這成為STEM教育的戰(zhàn)略性開端[1]。2018年3月1日，美國發(fā)布的《美國機器智能國家戰(zhàn)略》文件中提到，機器智能可以融入日常的課堂教學(xué)，為學(xué)生提供個性化學(xué)習(xí)體驗的機會，同時，也可以提升教師的教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗。美國國家教育協(xié)會(NEA)已經(jīng)將機器人技術(shù)確定為提高學(xué)生對ST- EM興趣的一個關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域[2]。由于機器人教育的兩大特點：實踐操作性較強和多學(xué)科的交叉融合性，因此，被認為是整合STEM教育的一條有效途徑。機器人教育幫助教師將工程設(shè)計、科學(xué)的過程、技術(shù)的相關(guān)素養(yǎng)和數(shù)學(xué)放置在能與學(xué)生日常生活息息相關(guān)的情境中，因此，對于教育學(xué)者而言，具有較高的教育研究和實踐價值[3]。

自2003年以來，我國通過借助于機器人比賽來推動機器人教育的發(fā)展，同時，積極參與并承辦國際機器人的相關(guān)比賽，如2006年在南寧舉行的國際機器人奧林匹克大賽，2008年在蘇州、2015年在合肥所舉辦的機器人大賽等。在國內(nèi)，面向中小學(xué)舉行機器人競賽也受到了眾多學(xué)校的歡迎，例如：中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會主辦的中國青少年機器人競賽，設(shè)立了機器人綜合技能比賽、FLL機器人工程挑戰(zhàn)賽、VEX機器人工程挑戰(zhàn)賽、機器人創(chuàng)意比賽、WER工程挑戰(zhàn)賽等比賽項目[4]。較有影響力的國際比賽有“青少年機器人世界杯—Robo Cup Junior”“國際奧林匹克機器人大賽”“Bot Ball 國際機器人大賽”“VEX 機器人世界錦標賽”“WER世界教育機器人大賽”。

文章通過對Robo Cup Junior(RCJ)比賽進行介紹，結(jié)合比賽的特點，得到關(guān)于我國在學(xué)校開展機器人比賽的四點啟示，以此來更好地促進機器人教育和STEM的發(fā)展。

1 機器人教育概述

1.1 機器人教育的定義

機器人教育是指學(xué)習(xí)、利用機器人,優(yōu)化教育效果及師生勞動方式的理論與實踐。該定義的英文表述為:Robot-Based Education is the Theory and Practice of Studying and Utilizing robots to Optimize the Effect of Education and the Way of Teachers' and Students' Work[5]。對上述定義的理解有兩個問題需要注意：

一是機器人教育包含理論和實踐兩大領(lǐng)域。

二是機器人教育的目的包含兩個方面的內(nèi)容：其一優(yōu)化教學(xué)效果，即在教學(xué)過程中通過較少的教育投入來獲得最大的教學(xué)效果。教育投入是指教與學(xué)所投入的時間、人力、物力和財力等；教學(xué)效果主要是指學(xué)生通過學(xué)習(xí)，自身的知識獲取能力、對知識的建構(gòu)能力、情感態(tài)度和價值觀等方面均有提升。其二優(yōu)化教師和學(xué)習(xí)者的勞動方式，即在教學(xué)過程中采用教育機器人能夠幫助教師有效地改善教學(xué)方式，同時減輕教師和學(xué)生的勞動強度，以此來提高勞動效率。

1.2 機器人教育的特點

1.2.1機器人教育的開展途徑較為多樣機器人教育可以通過開設(shè)相應(yīng)的機器人課程、參與機器人競賽、參加機器人夏令營等多種途徑展開。尤其在美國，機器人教育的形式比較豐富，在中小學(xué)既可以作為機器人技術(shù)課程，也可以作為課外活動，或者作為機器人夏令營等。在高校中，機器人教育主要通過課程來開展。

1.2.2機器人教育的課程體現(xiàn)了多學(xué)科的交叉融合機器人技術(shù)的先進性和應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛性，同時，機器人教育融合了數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、藝術(shù)、工程等多學(xué)科知識，體現(xiàn)了多學(xué)科交叉融合的特點。

1.2.3機器人教育體現(xiàn)了“做中學(xué)”機器人的課程中都有實驗課程，學(xué)生可以使用各種工具來組裝機器人，編寫和調(diào)試機器人相關(guān)程序，不斷完善和改進機器人。這一過程體現(xiàn)了做中學(xué)，有益于學(xué)生對機器人課程的學(xué)習(xí)，從而有助于機器人教育的開展。

1.2.4機器人教育體現(xiàn)了學(xué)生的主體性機器人課程都是在教師的指導(dǎo)下，并且大部分都是以小組的形式開展。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中充分體現(xiàn)了自身的主體地位。同時，學(xué)生在團隊中相互合作，編寫和組裝機器人，在團隊成員的相互作用下完成任務(wù)。學(xué)生的主體性較強，激起學(xué)生對機器人學(xué)習(xí)的興趣。

1.2.5機器人教育的評價方式不再單一，注重評價的多樣性機器人課程的評價更為多樣化，這能夠幫助教師全面了解學(xué)生知識的掌握情況，以及是否能夠?qū)χR進行靈活的運用。評價不僅僅只靠學(xué)生最終的成績，也依賴于學(xué)生項目的完成情況。同時，評價要注重學(xué)生自身的反思，讓學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)過程中，不斷思考自身獲得了哪些知識和學(xué)習(xí)過程中的不足之處，不斷地發(fā)展完善自己各方面的能力。

2 STEM視野下開展機器人教育的必要性

2.1 滿足了STEM教育的需求

STEM的本質(zhì)即多學(xué)科交叉融合的教育，其對推進教育教學(xué)改革具有重要作用。STEM教育的特點：第一，關(guān)注的是跨學(xué)科之間的相互融合；第二，關(guān)注現(xiàn)實生活與學(xué)習(xí)之間的聯(lián)系；第三，評價的方式主要是學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，而不是最終的考試成績。STEM提倡學(xué)生采用“做中學(xué)”的方式，即學(xué)習(xí)者通過親自動手實踐，學(xué)習(xí)課程的相關(guān)知識。而機器人教育中包含了數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、工程、技術(shù)、藝術(shù)等多門學(xué)科的內(nèi)容，符合STEM的多學(xué)科交叉融合的教育教學(xué)理念。項目式學(xué)習(xí)作為STEM教育的主要學(xué)習(xí)方式之一，在機器人教育中可以更好地應(yīng)用。

2.2 機器人教育與STEM教育的結(jié)合是必然

當前國內(nèi)的應(yīng)試教育，在教師、家長和學(xué)生看來仍是十分重要的。他們認為機器人教育就是一項課外娛樂活動，并不是一門獨立的學(xué)科。此外，他們普遍認為學(xué)生更應(yīng)該學(xué)習(xí)書本上的知識，而不應(yīng)該過多地參與這種課外娛樂活動。這種想法也導(dǎo)致了機器人教育的開展較為困難，無法使學(xué)生能夠按照自己的興趣參與活動，從而無法激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力。STEM教育在教學(xué)中，強調(diào)將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)多學(xué)科進行融合，同時，十分注重學(xué)生的主體地位。當然在機器人教育中，教師通過運用多方面的教學(xué)內(nèi)容進行教學(xué)，在教學(xué)過程中，學(xué)生不僅僅能夠?qū)W習(xí)關(guān)于機器人的相關(guān)技術(shù)，同時可以通過團隊協(xié)作，培養(yǎng)溝通協(xié)調(diào)能力、團隊意識。在實際操作中培養(yǎng)自身的動手能力和創(chuàng)造力。教育機器人屬于信息技術(shù)的前沿領(lǐng)域，機器人教育可以與STEM教育的理念契合，能夠充分將STEM教育的思想體現(xiàn)出來。因此，對于機器人課程的教學(xué)并不是簡簡單單地傳授知識，而是能夠?qū)⒖茖W(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等科目有機地進行整合，將實際生活中的問題和所設(shè)計的機器人相聯(lián)系。在STEM視野下開展機器人教學(xué)，能夠培養(yǎng)學(xué)生多方面的能力。通過STEM和機器人教學(xué)的結(jié)合來打破上述的局面。通過這種方式幫助教師、家長和學(xué)生更好地意識到機器人教育的重要作用，利用機器人更好地解決教育中存在的問題。

3 RCJ比賽介紹

3.1 RCJ比賽

RCJ是一項國際教育機器人計劃。在2000年首次舉辦，旨在通過教育機器人競賽促進參賽學(xué)生對于STEM內(nèi)容以及相關(guān)技能的學(xué)習(xí)[6]。RCJ提供三種類型的比賽：足球、救援和舞蹈(如圖1、圖2、圖3所示)。RCJ足球聯(lián)賽是在Robo Cup Major Soccer聯(lián)賽之后創(chuàng)建的，作為大聯(lián)盟足球聯(lián)賽的入門級別。機器人的大小類似于小型聯(lián)盟機器人的大小。然而，RCJ足球通常會吸引男孩。近年來，世界錦標賽中有幾支女子團體參加比賽。RCJ Rescue聯(lián)盟受到主要救援聯(lián)盟的啟發(fā)，也被認為是Major Rescue聯(lián)盟的入門級別。雖然最初RCJ救援一般吸引男孩，但近年來有更多女孩參與初級救援。相反，RCJ舞蹈聯(lián)盟，將藝術(shù)融入STEM，旨在吸引女孩進入STEM。2013年，RCJ CoSpace機器人技術(shù)將虛擬模擬機器人技術(shù)與真實機器人技術(shù)相結(jié)合，作為救援和舞蹈的子聯(lián)盟被引入。

圖1 足球比賽 圖2 救援比賽 圖3 舞蹈比賽

3.2 RCJ比賽的發(fā)展

第一屆RCJ比賽是在2000年墨爾本Robo Cup期間舉辦的，有來自3個國家的25支參賽隊伍，有3個挑戰(zhàn)(聯(lián)賽)—舞蹈、相撲和足球。第一屆RCJ比賽的成功促成了隨后的年度RCJ世界錦標賽。2001年，RCJ世界錦標賽在美國西雅圖舉行，來自4個國家(澳大利亞、德國、英國和美國)的25個團隊，104名學(xué)生和導(dǎo)師參加了會議。2001年，救援聯(lián)盟被引入取代相撲挑戰(zhàn)，形成目前的3個聯(lián)賽—足球、救援和舞蹈。自2000年以來，RCJ已成為世界各地許多國家學(xué)齡兒童的熱門教育活動。近年來，有大約二三百支隊伍參加年度RCJ世界錦標賽。2011年，年度RCJ世界錦標賽在土耳其伊斯坦布爾舉行，共有251支隊伍，來自30個國家的955名學(xué)生參賽。2012年，自啟動十年后，年度RCJ世界錦標賽在墨西哥首都墨西哥城舉行。共有209支隊伍，來自27個國家的796名學(xué)生參賽。由于比賽場地的規(guī)模，參賽隊伍的數(shù)量每年都會隨RCJ而變化。但參與RCJ活動的全球人口正在增長，越來越多的國家愿意啟動RCJ計劃。2013年，RCJ世界錦標賽在荷蘭埃因霍溫舉行，共有206支隊伍，來自29個國家的907名學(xué)生參加。2014年，RCJ世界錦標賽在巴西Jo?oPessoa舉行，共有197支隊伍，來自26個國家的778名學(xué)生參賽。目前，約有40個國家報告其參與RCJ比賽，比賽一直延續(xù)至今。

3.3 RCJ比賽的特色

RCJ有幾個關(guān)鍵因素，使其與其他教育機器人計劃不同：

①RCJ的游戲從上一年到下一年保持大致相同的目標，提供一個支架式學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生在成長、擴展技能和知識時不斷開發(fā)和完善他們的解決方案。

②相比競爭而言RCJ更注重教育。雖然每年的比賽保持不變，但每年都會通過技術(shù)委員會成員之間的密集討論來改進規(guī)則，不僅可以改善比賽本身，還可以提高參賽學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗。

③RCJ挑戰(zhàn)稱為聯(lián)賽，使用學(xué)生熟悉的主題(足球、救援和舞蹈)以吸引和激勵他們進入STEM，尤其是機器人技術(shù)。同時，RCJ對學(xué)生用于創(chuàng)建機器人項目的任何機器人平臺開放。

4 RCJ比賽的意義

4.1 提高學(xué)生對STEM的興趣

RCJ比賽提供三種聯(lián)賽：足球、救援、舞蹈，對機器人進行搭建的過程中體現(xiàn)了工程學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科的結(jié)合，同時融入了舞蹈項目的比賽，體現(xiàn)了藝術(shù)的特色。2012年，Benitti F B V認為可以通過使用機器人來幫助學(xué)生理解STEM領(lǐng)域相關(guān)的概念[7]。2015年，Eguchi和Amy對該比賽進行調(diào)查，結(jié)果表明教育機器人可以提高STEM學(xué)生的興趣。參賽學(xué)生在經(jīng)過比賽后對工程學(xué)的興趣大大提高。教育機器人競賽提供的實踐、基于項目和目標導(dǎo)向的學(xué)習(xí)體驗，對學(xué)生在STEM或STEM相關(guān)領(lǐng)域進行進一步探索的學(xué)習(xí)和動機有著持久的影響，RCJ比賽致力于通過教育機器人技術(shù)在世界各地的學(xué)生中促進STEM學(xué)習(xí)[6]。機器人在STEM教育中占據(jù)舉足輕重的地位，通過RCJ比賽有助于學(xué)生認識STEM,在比賽過程中培養(yǎng)對STEM的興趣。

4.2 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)造能力和動手能力

RCJ比賽采用基于項目的學(xué)習(xí)(project-based lea- rning，PBL)學(xué)習(xí)方法[8]。通過PBL使學(xué)生發(fā)展成為21世紀有效勞動力所必需的能力，包括解決問題、批判性思維[9]。在比賽的過程中，由學(xué)生決定使用什么來開發(fā)他們的機器人創(chuàng)作，從機器人套件到最好的微控制器，電機，傳感器和其他部件，甚至是3D打印或激光切割的某些部件，均由學(xué)生自己來選擇。在這一過程中學(xué)生進行大膽的構(gòu)想，通過運用自己所學(xué)的知識和技術(shù)設(shè)計機器人，能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力。創(chuàng)作機器人的過程中，需要對機器人進行組裝和測試，在該過程中，需要學(xué)生實際動手操作，從而鍛煉了學(xué)生的動手操作能力。

4.3 培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作意識

RCJ比賽強調(diào)團隊的協(xié)作[10]。學(xué)生都是以團隊的方式參加比賽，學(xué)生不是一個孤立的個體存在，需要他們在小組合作中不斷完成挑戰(zhàn)。在比賽過程中，不斷地更新接收同伴特有的觀點，培養(yǎng)了自身寬容、虛心接收他人觀點的能力。發(fā)揮團隊精神、互補互助以達到團隊最大工作效率的能力。對于團隊的成員來說，不僅要有個人能力，更需要有在不同的位置上各盡所能，與其他成員協(xié)調(diào)合作的能力。通過比賽的形式使得參賽學(xué)生能夠高度集中，與成員相互協(xié)作，通過不斷地與他人溝通交流，最終完成任務(wù)。

4.4 促進學(xué)生文化之間的交流碰撞

RCJ比賽中，每個團隊展示了將技術(shù)與藝術(shù)、音樂和文化相結(jié)合的獨特和創(chuàng)造性方式。有些團隊遵循老故事，許多團隊通過這種方式分享他們國家的文化[11]。在比賽的過程中也增加了趣味性，了解了不同國家的風(fēng)俗習(xí)慣、文化特點。通過分享各自國家的文化，有助于學(xué)生增強文化自信，也有利于了解不同國家的文化，使學(xué)生對文化差異形成一定的認識。

5 對我國學(xué)校開展機器人比賽的啟示

2014年，CJ Chan Jin Chung通過全球機器人藝術(shù)節(jié)(global robot art festival，GRAF)對參賽學(xué)生進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)將藝術(shù)與機器人技術(shù)結(jié)合起來是一種有效的實踐范例，在學(xué)習(xí)STEM課程和計算時，甚至可以帶來美麗、歡樂、樂趣和創(chuàng)造力。GRAF的目標是讓學(xué)生通過對藝術(shù)的普遍興趣來追求他們對科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的興趣[12]。結(jié)合“青少年機器人世界杯—Robo Cup Junior”比賽，可以發(fā)現(xiàn)機器人比賽對促進STME教育具有重要意義。同時，國外正在嘗試將機器人應(yīng)用于STEM教育中，例如開展機器人音樂營[13]，將舞蹈機器人應(yīng)用于幼兒教育中[14]，以課外活動的形式進行機器人歌劇項目[15]等。筆者認為，可以將機器人以機器人比賽的形式融入學(xué)校教育中。

學(xué)?？梢怨膭罱處煄ьI(lǐng)學(xué)生積極參與機器人比賽。查閱相關(guān)機器人比賽的外文文獻發(fā)現(xiàn)，學(xué)生通過比賽對STEM的興趣逐步增高，尤其是工程學(xué)方面。同時，在比賽過程中學(xué)生的一系列能力得到了提升，比如同伴之間的交流互助、創(chuàng)新能力、動手操作能力等。因此，學(xué)校開展機器人比賽對于機器人教育無疑是一條有益途徑，通過結(jié)合RCJ比賽自身的特色，可以對我國學(xué)校開展機器人比賽提供相應(yīng)的指導(dǎo)，從而有助于我國STEM教育的發(fā)展。

5.1 比賽主題需貼合學(xué)生日常生活，以吸引和激勵他們進入STEM

RCJ比賽選擇足球、救援和舞蹈3個主題，可以看出這些主題都和日常生活息息相關(guān)，只有從日常生活出發(fā)，才能激起學(xué)習(xí)者的興趣。國外學(xué)者通過對RCJ比賽調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)該比賽的主題能夠吸引和激勵學(xué)生進入STEM學(xué)習(xí)。選擇好的比賽項目是比賽成功的前提，對激發(fā)學(xué)生的興趣有著重要意義。因此，對我國而言，在學(xué)校進行機器人比賽也要充分考慮主題的選取是否與日常生活相關(guān)，同時，結(jié)合學(xué)校的實際情況選擇符合學(xué)校自身特色的比賽項目。

5.2 比賽主題要考慮學(xué)生的性別差異

主題的選擇也要考慮參賽學(xué)生的性別差異。RCJ比賽在前期并沒有“舞蹈”這一主題，導(dǎo)致進行參賽者學(xué)生男生居多，女生偏少?？紤]到女生可能對于足球不感興趣，于是將“舞蹈”這一主題納入該比賽以吸引女生的興趣，之后參賽的女生數(shù)量逐漸增多。由此可以發(fā)現(xiàn)，主題選取要適宜于所有學(xué)生，照顧到每一位參賽學(xué)生。不僅要考慮男生的興趣愛好，也要明確了解女生的興趣愛好。學(xué)校開展機器人比賽的目的在于提升學(xué)生對STEM的興趣，要考慮大多數(shù)人的需求，尊重性別的差異。在此基礎(chǔ)上選擇比賽的主題。

5.3 每年的比賽保持大致相同的目標，但需不斷修改和完善比賽的規(guī)則

RCJ比賽雖然每年的比賽目標大致相同，但是比賽的規(guī)則卻在不斷地改進。大致相同的目標可以使得之前參與比賽的學(xué)生有充足的時間不斷改進參賽作品，不斷地學(xué)習(xí)和總結(jié)；同時，在比賽的推動力下，學(xué)生的機器人技術(shù)水平進一步提升。學(xué)生能夠在下一年比賽中，借助已有的學(xué)習(xí)經(jīng)驗和技能，展示一個更加優(yōu)秀的作品。同時，比賽的規(guī)則需要相關(guān)負責人不斷進行修改，使得整個機器人比賽項目不斷地完善。比賽的規(guī)則變化也極大地提高了學(xué)生的應(yīng)變能力，能夠使學(xué)生更加靈活地創(chuàng)作自己的參賽作品。當然，最終的比賽作品是很重要的，而更加重要的是學(xué)生在完善作品的過程中能力得到提升。

5.4 建立關(guān)于機器人比賽的資源學(xué)習(xí)平臺

RCJ比賽對學(xué)生用于創(chuàng)建機器人項目的任何機器人平臺開放。如果在學(xué)校開展機器人比賽，想要達到學(xué)生在創(chuàng)建機器人項目時，任何機器人平臺都能夠開放這一水平有較大的困難。但是，學(xué)?？梢越⒁粋€內(nèi)部關(guān)于機器人學(xué)習(xí)的網(wǎng)站，在網(wǎng)站中提供比較全面的資源供學(xué)生自主學(xué)習(xí)。當學(xué)生遇到困難時，可以及時地解決自己的問題，也可以及時與教師或其他學(xué)習(xí)者分享學(xué)習(xí)心得，促進學(xué)習(xí)者自主探究的能力以及和同伴交流互動的能力。豐富的資源能夠激發(fā)學(xué)生的求知欲，是學(xué)生在解決問題的腳手架。

學(xué)校的機器人比賽在機器人教育中發(fā)揮著重要的作用。從2003年起，我國以機器人競賽的形式推動機器人教育的發(fā)展,雖然取得一定的成績，但是也存在一些問題。該文主要根據(jù)RCJ比賽，得出在我國校園中開展機器人比賽的幾點啟示，目的在于促進機器人比賽在校園中更好的發(fā)展。同時，在學(xué)校開展機器人教育可以通過開設(shè)教育機器人課程和機器人競賽結(jié)合的方式進行，采用課堂授課和比賽的方式更能激發(fā)學(xué)生對機器人相關(guān)內(nèi)容學(xué)習(xí)的興趣，以更好地促進機器人教育和STEM的發(fā)展。