魯藝，劉鍵，張印帥，王曉燁

1.北京工業(yè)大學，北京 100124；2.聯(lián)想集團有限公司，北京 100085

STEM 教育源于美國科學委員會發(fā)布的教育報告[1]，跨學科及對不同學科的整合是STEM教育的核心思想，項目式學習則是STEM 教育的獨特課程組織方式。在發(fā)展早期，STEM 教育比較偏重如物理、工程、計算機等工程類知識的跨學科學習方式。隨著藝術教育的不斷加強，STEM 在實際教學中得到了越來越廣泛的應用，更多的人文學科融合到了STEM 教育領域中，美國學者Georgette Yakman 還在教育論壇上提出STEAM 概念[2]，倡導以新加入的“A”代表藝術（Art），同時還涵蓋美（Fine）、人文（Liberal）、形體（Physical）、藝術（Art）等更豐富的意義。

STEM教育中的四門學科是以整合的方式培養(yǎng)兒童學習理論的能力、掌握實踐知識的能力，以及靈活運用所學習的知識來解決實際遇到的問題的能力，并不進行固定模式的教育，而是依托兒童平時生活所遇到的問題來進行教育，讓兒童真正產(chǎn)生濃厚興趣，培養(yǎng)自身向日常生活遷移的科學意識和能力。目前Scratch是全球用戶量最多的STEM 教育工具，它所面向的是七歲以上無年齡上限的用戶，這種定位野心勃勃，但在實際使用時年長用戶會認為界面過于幼稚，而對于低齡用戶而言工具的使用方法又不易理解。因此，在用戶年齡層的選擇上，本課題更傾向于與Scratch JR 保持一致，即面向用戶為6～10歲的學齡兒童。考慮到他們自身的邏輯思考能力和文字的識別數(shù)量等，這一年齡層的產(chǎn)品也更能體現(xiàn)設計驅動的價值。對于該年齡段兒童，最關鍵的部分就是趣味性，因此STEM課程內(nèi)容的設計一定要把知識與興趣結合，啟發(fā)兒童潛在的學習動機。游戲是兒童的天性，STEM 教育中教師往往把活動內(nèi)容游戲化，讓兒童快樂地學習抽象的科學內(nèi)容。同時STEM 教育強調(diào)團隊協(xié)作，開展群體性的知識構建，讓兒童共同活動或分組活動，一起搜集和整理資料來分析問題，通過會話分享自己的看法，提高溝通能力。

一、國內(nèi)外STEM教育研究現(xiàn)狀

STEM教育在20世紀發(fā)源于美國，21世紀在全球范圍內(nèi)盛行，而我國大多數(shù)關于STEM 教育的信息源直接來自于美國，因此在國際比較上，本研究主要對中美兩國的STEM教育進行論述。

（一）國外STEM教育研究現(xiàn)狀

1986年，美國國家科學委員會發(fā)表了有關本科院校的科學、語言和工程專業(yè)教育報告。2006 年，美國時任總統(tǒng)布什在“美國市場競爭力新計劃”中提出了系統(tǒng)培養(yǎng)具有STEM人文素質的技術人才是教育的長期目標之一，并將其稱為提高全球整體競爭力的關鍵點。2009年，美國國家科學委員會代表美國國家科學基金會發(fā)布了《改善所有美國學生的科學、技術、工程和數(shù)學教育》，明確指出大學前的STEM文化教育是成功幫助美國建立強大領導力的基礎，并且應該是美國最重要的任務之一。2016年，美國研究所與美國教育部綜合研討會聯(lián)合發(fā)布《教育中的創(chuàng)新愿景》，提出在實踐社區(qū)、活動設計、教育經(jīng)驗、學習空間、學習測量、社會文化環(huán)境等方面促進STEM 教育發(fā)展，以確保各年齡階段以及各類型學習者都能享有優(yōu)質的STEM學習體驗，解決STEM教育公平問題。因此，美國一直在加大對STEM 學校教育的投入，積極鼓勵部分學生輔修科學方法、各種技術、工程建設、數(shù)學和物理，系統(tǒng)地培養(yǎng)他們的智力水平和文化素養(yǎng)。

（二）國內(nèi)STEM教育研究現(xiàn)狀

盡管中國在STEM 文化和教育浪潮中起步較晚，但其快速發(fā)展趨勢不可低估。2008年，陳超和其他學術領域的學者對美國高中建設的STEM 進行了梳理，并進一步擴大分析范圍，提出了美國STEM 教育策略。自2013年以來，中國STEM學校教育相關研究進入了全面快速發(fā)展的早期階段，2016年呈現(xiàn)爆炸性增長。在實踐層面，江蘇省同步啟動了第一個學校STEM教育項目，并于2016年宣布成立第一批二十六所STEM和教育工程學校。2017 年江蘇省教育廳進一步推進和擴大試點工作范圍，從幼兒園、小學到初中，共選擇了二百四十三所試點學校。在政策方面，2016 年6 月教育部發(fā)布的《學校教育網(wǎng)絡化“十三五”發(fā)展規(guī)劃》明確提出，在新興階段完成中國教育任務的兩個方面之一，即積極探索其他信息技術及其在教育中的應用。STEM 教育的重點是增強學生和教師的創(chuàng)新思維觀念、不斷創(chuàng)新的技術能力和促進部分學生全面持續(xù)發(fā)展。2017年2月，新發(fā)布的《義務教育小學科學課程標準》首次從官方的角度提出了STEM 的標準。我國目前對STEM 教育的理論探索、學校教育的具體實踐和有關教育政策均有明顯發(fā)展。

但是實際上，我國的STEM 教育還處于理論體系的早期探索、共識形成和實踐初期。與美國等發(fā)達國家相比，中國及其他有關國家戰(zhàn)略思想的具體規(guī)劃資源非常有限，因此難以系統(tǒng)地形成健康、安全和有秩序的基本保障體系。中國目前課程學習新體系相對較小，學科文化和教育歷史悠久，STEM教育相比學校教育仍處于邊緣地位。另外，在教學資源、師資力量、評價標準等方面，我國STEM 教育仍然面臨著諸多問題和挑戰(zhàn)。為了更好地保障我國STEM教育有效開展，通過選取CNKI和Web of Science數(shù)據(jù)庫作為來源，運用內(nèi)容分析法對比分析2008到2017年間的國內(nèi)外STEM教育相關文獻，從發(fā)文時間與載文量、研究對象、研究主題等方面梳理相關文獻，比較了國內(nèi)外STEM 教育的相似之處，為我國STEM 教育的研究成果和具體實踐提供了完整的啟示和有力的建議。

二、市場調(diào)研與產(chǎn)品功能

（一）現(xiàn)有STEM產(chǎn)品的功能形態(tài)與特點

隨著國內(nèi)外STEM 教育的興起，各大品牌爭先推出了相關產(chǎn)品，筆者針對一眾熱門STEM 產(chǎn)品進行了市場調(diào)研分析，總結見表1。

由表1數(shù)據(jù)可以看出，多數(shù)STEM教育類套件都是以模塊化結構為主的產(chǎn)品，具有豐富的色彩以及較多樣的拓展性，可以為使用者提供強大的拓展創(chuàng)新功能。

（二）現(xiàn)有STEM產(chǎn)品的玩法

現(xiàn)有STEM教育產(chǎn)品的玩法大致分為以下三類。

1）積木拼搭型，見圖1（圖片來源于Koov及LEGO EV3官網(wǎng)），需要大量簡單的零件進行預先設定或自由組合，搭建形式多樣化，配色十分豐富，能夠讓兒童充分發(fā)揮想象力、創(chuàng)造力，但難度在STEM產(chǎn)品中也是相對較高的。用戶在搭建時可以運用到很多編程、結構、電子知識。

2）硬紙板等特殊材料為核心模塊型，用于擴展現(xiàn)有的小型玩具，做成以較低成本來實現(xiàn)更多功能的模型。此外，進行模塊安裝的時候還可以增加兒童的樂趣。同時紙板材料還可以制作個性化小型玩具。以特殊材料為核心模塊型見圖2（圖片來源于Nintendo LABO及Makeblock Neuron官網(wǎng)）。

3）機器人獨立玩具型，見圖3（圖片來源于Matatalab及Cubeto官網(wǎng)）。這種類型玩具雖然不能在一定程度上完全改變它的基本形態(tài)和功能，但可以學習用各種方式來設計競技游戲，以達到娛樂和學習的目的。此外，還有一種物理編程方法，即通過許多替代編程語句來代替小玩具模塊的模式拼接。

骨科臨床實習是學生對于理論知識向臨床實踐轉變的重要過程，當前的醫(yī)療制度改革與社會醫(yī)療需求對臨床實習教學提出更高的要求[1]，探索一種新的提高教學質量的骨科臨床實習教學模式具有重要意義[2]。PBL是以學生為主體臨床教學方法，對提高學生綜合素質有積極作用[3-4]。近年來骨科學各種新理論、新技術不斷更新，3D打印技術的應用極大地提高了骨科臨床與教學的質量[5]。因此，本研究以脛骨平臺骨折為教學模型，對傳統(tǒng)教學方法與新型教學方法（3D打印技術、PBL教學法）的教學效果差異進行比較評價，現(xiàn)報告如下。

目前，各種品類的STEM 教育產(chǎn)品都具有很強的趣味性，以用戶體驗為中心，注重提升兒童的學習興趣，引導STEM課堂教學課程的順利開展，確保課程內(nèi)容符合用戶群的學習認知特征。

表1 市場競品分析

圖1 積木拼搭型

圖2 特殊材料為核心模塊型

圖3 機器人獨立玩具型

（三）現(xiàn)有STEM產(chǎn)品存在的問題

針對現(xiàn)有玩具主要的三類玩法以及用戶的體驗反饋建議，總結出STEM產(chǎn)品主要存在以下問題。

如在LEGO 拼接的過程中，產(chǎn)生碰撞后外部干擾之間的實際關系會發(fā)生變化，兒童經(jīng)常被困在這里。要搭建一輛穩(wěn)固的車并不容易，這是因為LEGO 模塊是用圓錐形螺栓固定的，車后的重物至少要用兩點固定，但兒童無法理解這點，需要老師的幫助引導。此外，一些對于拼插沒有興趣的兒童表示，他們認為拼插是一種時間上的浪費。

無論是前面提到的自由拼搭，還是瓦楞紙等低成本材料所構建的配件，對于想法天馬行空的兒童而言似乎都是不夠的。兒童不喜歡按部就班地照著說明書搭建模型，他們喜歡加入一些自己的想法和元素，如果搭建方式有太多限制，可能會影響他們的創(chuàng)造力。

機器人獨立玩具型不再引入拼搭，而是要求兒童與某個預先設定好功能的智能終端進行互動。在使用中會發(fā)現(xiàn)，例如Cubeto等終端顯然由于其過于簡約或功能化的外觀，使得兒童無法與其構建起情感聯(lián)系，難以體驗實體互動的樂趣。

三、用戶需求分析

課題目標用戶群定位在6～10 歲的K12 兒童群體。這個年齡段的兒童對科學實驗等相關活動非常感興趣，校內(nèi)外課堂經(jīng)常開展一些創(chuàng)造性的科技活動，STEM 教育的融入可以將各學科知識串聯(lián)起來，加強學科知識在實際情境中的運用。該年齡段兒童已經(jīng)具備精細動作能力，可以對大量較復雜的零部件進行操作，按步驟搭建或根據(jù)自己的喜好創(chuàng)造新玩法。同時，該年齡段用戶也比較喜歡游戲競技、合作與分享，在課程設計中加入競技、對抗的玩法會增加STEM 教育的樂趣，促使STEM課堂教學順利展開。

圖4 顏色偏好分析

圖5 外觀偏好分析

圖6 功能偏好分析

四、STEM教育產(chǎn)品設計過程

（一）設計定位

以6～10歲兒童為主要用戶，設計一套基于智慧課堂的STEM 教育產(chǎn)品，以模塊化的智能硬件產(chǎn)品結合圖形化編程應用軟件為原型。一方面，通過一系列動手與動腦結合的操控能力和邏輯思維能力訓練，提升兒童的創(chuàng)新思維和技術水平。另一方面，產(chǎn)品區(qū)別于當前同質化的教育產(chǎn)品，以創(chuàng)新的體驗、炫酷的造型、科幻的特征等設計語言來吸引兒童。

（二）產(chǎn)品構思

根據(jù)前面的產(chǎn)品定位，進行深化和模型制作，見圖7。主要的設計流程如下：（1）確定產(chǎn)品的基本使用方式，明確功能定位；（2）將涉及到的功能模塊進行匹配設計；（3）設計配套轉換模塊（機器人變成小車）；（4）設計模塊的具體形態(tài)和細節(jié)。

筆者嘗試用Arduino 套件搭建模型框架，測試其交互可行性，經(jīng)過多次調(diào)試后進行外觀造型和內(nèi)部結構的方案建模，并且將部分配件3D打印后進行實物測試，確保元器件和外型結構能夠完美搭配，草模原型搭建見圖8。

（三）最終方案

本體包括核心、外甲和四肢。而核心內(nèi)置一塊基于Arduino的編程主板，具有四個電機接口、四個改良的4pin接口、一個Micro USB接口，內(nèi)部結構與四肢結構見圖9。

拓展模塊包括三十六塊LEGO 型積木，四臺模塊化電機，可以搭建成小車狀態(tài)。將主體的核心部分插入，可以組合成具有競速、避障、巡線等不同玩法的小車形態(tài)。同時可以購買更多LEGO系配件來搭建個性化的STEM玩具，與好友分享創(chuàng)造的喜悅，拓展模塊及主體部分效果見圖10—11。

（四）產(chǎn)品可用性測試

圖7 設計創(chuàng)意草圖

圖8 草模原型搭建

圖9 內(nèi)部結構與四肢結構

圖10 拓展模塊三視圖

圖11 主體部分效果

圖12 學生使用產(chǎn)品測試

產(chǎn)品測試階段中，通過對承德市灤平縣火斗山鎮(zhèn)一百多名學生使用STEM教育產(chǎn)品的情況進行觀察記錄，來驗證學生對STEM教育產(chǎn)品的使用興趣情況，見圖12（圖片來源于聯(lián)想研究院）。首先利用觀察法，邀請四位引導老師和21位學生，利用課堂的2 h，觀察引導老師和學生的互動以及學生在完成的過程中遇到的問題；其次還有問卷和訪談法，即邀請21位同學，利用課后的15 min時間，分組引導學生填寫體驗問卷；在活動結束后，邀請一位副校長，進行時長40 min的訪談，一對一深度了解學校目前的教學情況以及他對STEM教學的態(tài)度。同時邀請3 位培訓講師（云計算工程師兩位、AI Lab工程師一位，兩男一女），進行時長60 min的經(jīng)驗分享，講述培訓內(nèi)容及在課上引導過程中的體驗感受、問題及建議。在本次測試中，老師、同學、企業(yè)培訓師對STEM LEGO 編程的形式和內(nèi)容，普遍持認可態(tài)度，認為該內(nèi)容有助于培養(yǎng)學生的動手能力及邏輯思維能力，但也發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)品設計中存在的問題：（1）產(chǎn)品不適合常態(tài)化學習，目前的內(nèi)容與學習的關聯(lián)性不強，無法與常規(guī)教學內(nèi)容結合；（2）準備環(huán)節(jié)耗時長，學生注意力無法集中，由于課堂時間有限，應該讓學生將注意力集中在拼搭環(huán)節(jié)；（3）安裝及原理指導說明不詳實，部分操作無法理解，指導說明需要更詳細的資料，如操作步驟拆解展示、安裝位置明確標識、部件及組裝的工作原理等；（4）編程界面及交互方式待改善，例如界面找功能不便利、無法快速找到相關功能入口，拖拽交互時必須要對準凹槽，操作方式不友好等；（5）界面視覺設計需優(yōu)化，尤其是可視化圖形編程部分；（6）不適宜零基礎學習，產(chǎn)品內(nèi)容需擴展，建議通過內(nèi)置多種模板式程序，實現(xiàn)直接連接操控，可修改參數(shù)提升學習速度。具體的學生體驗滿意度測試結果見圖13（圖片來源于聯(lián)想研究院）。

（五）品牌設計

圖13 學生體驗感受滿意度

圖14 標志品牌設計

該STEM教育產(chǎn)品命名為“AMIGO”，中文譯為“朋友”，代表著一方面設計者希望用戶能與好友一起分享搭建智能玩具的喜悅，另一方面設計者希望“AMIGO”能像朋友一樣陪伴兒童成長，同時設計者也希望兒童能將“AMIGO”當作自己的朋友。標志采用藍色為主題色，一條紅線貫穿標志，將“朋友”連在一起。同時，標志底色和字體配色可隨使用場景進行變化，象征著“AMIGO”不斷發(fā)展，STEM 教育與時俱進的內(nèi)涵，標志品牌設計見圖14（筆者自繪）。

五、結語

本課題分析了基于智慧課堂STEM教育的兒童需求及產(chǎn)品設計應用。通過對智慧課堂STEM課程的需求提取，最終設計開發(fā)一套基于實體交互的模塊化、情感化智能機器人產(chǎn)品“AMIGO”。產(chǎn)品創(chuàng)新之處一方面在于構成方式上的創(chuàng)新，通過“主體模塊+擴展套件”的方式來盡可能拓展STEM教育產(chǎn)品的多種模式；另一方面，在使用方式上既可以進行單人游戲模式，例如避障、尋線、講故事等，也支持多人合作與對抗游戲模式，例如搬運貨物、競速比賽、格斗等，同時未來還可以擴展更多模塊，例如無人機模式等。在未來的工作中，筆者將繼續(xù)對產(chǎn)品教學內(nèi)容的創(chuàng)新性互動方式進行探索，同時將進一步完善用戶研究實證實驗，針對兒童在體驗中的實際問題優(yōu)化產(chǎn)品的迭代設計。