王学男 | STEM教育创新与实践：中小学机器人课程建设的研究

自 2017 年以来，全球加快了人工智能的应用普及，标志着人类社会进入了智能时代。教育作为前沿技术的重要实践领域备受瞩目，科技与教育双向赋能正成为人类教育发展史上的新命题。世界各国毫无例外地都在思考如何科学理性地善用技术来促进教育改革与创新。目前，我国已迈入教育高质量发展的新时代，针对关键领域核心技术培养紧缺人才、“双减”政策的持续有效推进、新修订课程标准 （2022） 等相继发布并落实，科技与教育自然成为社会与经济发展的战略重点。

STEM （Science， Technology， Engineering and Mathematics，简称 STEM） 教育，以跨学科性为突出特征，被视为培养学习者创新能力、批判性思维、协作沟通能力等核心素养的重要教育理念和教育形式。随着 2017 年 《新一代人工智能发展规划》 的发布，教育部先后提出将编程教育纳入中小学生必修课及高考等，并在北京、广州等 5 个城市进行试点。2022 年，《义务教育信息科技课程标准 （2022 年版）》的发布标志着信息科技正式纳入义务教育国家课程，这被认为是推动人工智能在基础教育阶段的普及性发展的重大标志和重要依据。然而，以机器人为内容体系的信息技术课程与教学，目前仍处于课程改革深化的初始阶段，尚需进一步研究与探索。据此，笔者提出基于STEM 的教育形态和学科融合的教育理念，以中小学机器人课程建设为内容进行研究与实践，以期为相关课程开发和课堂教学提供建议与启示。

1

研究方法与研究过程

本课题的研究对象是义务教育阶段中小学机器人课程体系。根据具体的研究问题、理论和目标选择不同的研究方法搭配来理解数据，使用定量与定性结合的混合研究方法能丰富和深化研究结论。因此，本 课题将理论研究与实践研究相结合应用于研究各阶段。

第一，国际比较研究。主要针对国际组织 （如联合国教科文组织）、 美国 、 日本和中国的 STEM 教育、机器人课程、信息技术课程和人工智能教育等相关政策，中外知名咨询公司的咨询报告等，进行搜集、整理与分析，重点聚焦中美、中日信息技术课程标准和典型教材进行比较和分析。

第二，全国范围的调查研究。在课程体系设计之初，以便利性和典型性为原则，对我国东中西部的中小学信息技术教师进行问卷调查、访谈 （含电话访谈、在线访谈）、课堂观察及校本教研，全面系统地了解我国信息技术课程与教学的现状和面临的挑战。

第三，跨学科领域的专家访谈。为更深入地理解STEM 跨学科教育的理念和实践，针对中小学机器人课程的建构，课题组对不同学科的专家和教师等 30余人进行访谈。就专业职称而言，包括中国科学院院士、教授、初/中/高级职称的一线教师；就工作内容而言，包括课程标准组核心成员、出版社编审、市区（县） 教研员和信息技术教师；就学科方面，包括计算机科学与技术、认知神经科学、信息与通信工程、教育技术学、教育学、课程与教学论教师。

第四，中小学机器人课程体系建构。在上述研究的基础上，以原中小学信息技术课程为依托，构建机器人课程的内容体系。经过 20 余名专家、教师讨论与评议反馈，进行修订与优化。在北京市海淀区和西城区共计十余所中小学，进行为期两年的教学实践，以行动研究的范式对中小学机器人课程体系不断检验与完善。

2

研究结果

（一） 我国信息技术课程标准及其实施的现状与面临的挑战

第一，信息技术课程内容选择随意零散，以操作性和工具性教学内容为主。在课程标准方面，义务教育阶段教师大多数 （81.6%） 呼吁旧版课标亟待更新，高中阶段教师则反映 2017 年版课程标准在观念和知识层面均需要适应和针对性的培训。在教材版本方面，目前各地、各校采用的版本纷繁多样，培训机构或科技企业提供的课程套件和配套讲义也占据一定比例；在教材使用方面，教师认为学生的使用率很低，教材编写缺乏教育性和趣味性，更像软件使用说明。在教学内容方面，小学和初中均以基本的 office软件和工具操作为主，高中则以学业水平测试为目标和导向，讲授人工智能的陈述性知识和 VB、python编程的程序性知识。

第二，学校对信息技术课程重视不够，开设时间不充足。调查问卷数据显示，在开设学段方面，小学（82.8%）、初中 （76.5%）、高中 （91.0%） 的信息技术课程分别开设在三、四年级，初一年级和高一年级。在课程形态方面，小学主要是作为综合实践课程的组成部分，偶有与其他学科整合开展的情况，每学期根据区域或学校的规划而设定不固定课时；差异化的教学需求更多体现在以竞赛为主要驱动和目标的社团或选修课中。

第三，信息技术课程的教学和评价方式陈旧单一，无法有效培育学生学科核心素养。课题组在课堂教学的观察和访谈中发现，教师大多采取教师讲授、学生记录笔记和上机操作的讲授式教学 （67.2%）。在考试评价与学习效果方面，77.1%被访高中教师反映学校仍采用传统的终结性纸笔测试，学生在记忆的基础上背诵、默写编程语言和程序，校外竞赛成为评价学校的重要依据。

第四，信息技术教师职业吸引力不强，教师队伍专业化水平参差不齐。大多数任课教师在学校的教学地位低 （71.3%）、教学成就感低 （83.6%）。小学和初中 82.3%的信息技术教师本科专业为非计算机相关专业，有超过八成的教师兼任电教和团队等其他行政职务。65.8%的高中信息技术教师由计算机科学、机械工程和应用数学等相关学科构成，58.3%达到硕士以上学历，一半以上兼任社团工作，非教学型的工作量大，专业匹配性高于义务教育阶段。

第五，信息技术课程实施中的教育公平程度亟待提高。从校内教育来看，以面向竞赛获奖为主的学校教育，主要依托社团和外聘教练 （75.3%）。从校外来看，校外市场提供的产品和服务丰富多样，在线编程和线下编程不断被家长和学生所接受并主动消费购买课程 （50.3%）。校外编程培训对校内信息技术课形成一定的挤压。参与校外培训的区域差异较大，呈现出0.01 水平显著性差异 （F=5.62，P=0.00），且东部＞中部＞西部。

（二） 以学科概念结构为支撑研制课程标准内容

计算机科学兼具很强的理论性和实践性的学科特点，《美国

计算机科学，作为一门真正要深入中小学学校教育中的科学，作为未来信息社会的基本技能和工具媒介，被赋予了促进公平的更多责任和功能。《标准》也提出目前美国计算机科学教育面临的四大问题。第一，社会发展和公众对计算机科学提出更高的要求。大多数家长希望学校提供计算机科学课程，大多数美国人相信计算机科学和数学、阅读、写作一样重要。现在的学生大都是数字时代的原住民，在他们将来的职业生涯中将使用计算机科学，不仅在 STEM 领域，在非 STEM 领域也会广泛使用。第二，现有的学习计算机科学的机会和质量均不高。美国大部分地区的学校不提供计算机科学和编程的独立课程，许多学生不得不等到高中才学习计算机科学，这与他们所生活的依赖计算机的社会以及有设备随时学习计算机科学的学校来讲完全不符。据统计，在美国所有的K-12学校中，只有四分之一的学校能提供优质的计算机科学课程，22 个州在高中毕业时不考虑计算机科学的成绩。第三，有效地开展面向全体学生的计算机科学教育，是促进教育公平的有效路径。当不到一半的学校教授有意义的计算机科学课程时，巨大的入学机会上的差距往往会使传统上弱势群体的学生边缘化，他们面临的不仅是教育不平等的问题，而且这种机会差距还反映在技术劳动力的供给上。国家要重点向不同的人群推广计算机科学，包括年轻学生、残疾学生、女性和少数族裔，以确保所有学生学习计算机科学的利益。第四，计算机科学标准是计算机课程教材与课堂教学的重要依据。一方面，厘清国家和地方、州教育行政部门、学校、教师和家长对计算机科学与计算机日常使用的概念；另一方面，为课程教材、教学内容、教学难度和核心概念等提供共识的、稳定的、具体可操作的标准体系。由此可见，美国的计算机科学教育与我国的信息技术教育面临共性问题。

（三） 以算法和编程为核心呈现计算机科学知识体系

《标准》将 K-12 阶段计算机科学学习分为 Level1-3共三个等级，Level 1 根据年级分为 Level 1A、Level1B，Level 3，根据难度分为 Level 3A、Level 3B （见表 1）。Level 3A 及之前的等级是针对所有学生的，而Level 3B 是针对对计算机科学有进一步兴趣的学生，也可以理解为我们所说的必修和选修。核心概念、核心实践是根据学生的认知和计算机科学的学科体系，在每一等级系统安排、循序渐进、不断深入。

其中，“算法与编程”所占比重最大，除 3B 之外占 42.39%，是计算机科学的学科重点内容。笔者在对核心概念与核心实践相互交叉重叠的知识点进行统计发现，在“算法与编程”“创造计算 （性） 的产品”交叉形成的数量最多，重点非常明确。同时，对概念与实践的有机联通进行体系化的设计提供了很好的示范。

此外，随着年级的升高，对同一个子概念有不同难度的标准要求，可以明显区分出教学重点和差异度；算法与编程的比重也逐步增加。对于教师、教研人员、行政管理人员和学生不同的使用群体而言，一目了然、主次分明。在横向维度上，可以总览全局结构和重点内容，在纵向维度上，可以区分教学梯度和难度。

（四） 以认知科学发展为依据表述课程标准及教学目标

美国教育心理学家布鲁纳在其 1963 年发表的著作《教育过程》 中，主张“任何学科的基本原理，都可以用某种形式，教给任何年龄的任何儿童。”作为结构主义课程论的代表，他提出重视学生认知结构的发展和学科的知识结构发展之间的相适性，提倡编写螺旋式上升的课程，以促进学生的思维发展。皮亚杰认为儿童的认知是由他自身与外部世界不断地相互作用而逐渐形成的一种结构。以运演 （operation） 作为标志，可以把儿童的认知发展过程划分为感知运动阶段 （0 至 2 岁），前运演阶段 （2 至 6 岁），具体运演阶段 （7 至 11 岁），形式运演阶段 （11／12 岁） 四个阶段。运演并非指形式逻辑中的运演和一般数学上的运演，而是指心理运演，即指对表象和概念等符号表征系统在心理上进行的内化了的操作。在小学三年级前，儿童认知发展在具体运演阶段尽管其心理操作已有可逆性与守恒性，但还离不开具体事物的支持，心理操作的内容与形式还不能分开，尚处于低级的阶段。因此，在小学一年级或者学龄前阶段，开设以实物和实操为主的机器人活动课程，重在培养兴趣，侧重组装和设计等，以及与其他学科、活动融合开展，而不建议过早地直接开设机器人编程课程。小学三年级后 （一般在 10 岁后），儿童认知在形式运演阶段，心理操作已经脱离具体事物的束缚，内容与形式之间已完全区分，运演已达到可以通过命题和假设来进行的高级阶段，可以逐步进行图形化编程到代码编程的一体化教学。

3

结论与建议

（一） 明确信息技术课程在义务教育课程方案中的独立地位和课时保障

信息技术的学科定位亟待转变，尽快出台修订的国家课程标准特别是义务教育阶段的课程标准，对于指导区域及学校的课程实施具有先决作用。建议信息技术以必修独立课程的形态出现，注重一体化地建构信息技术学科知识体系，形成小学、初中、高中连贯系统的知识体系和课程体系。第一，在开设年级方面，建议全国统一从一年级开始。一是学生经过 2~3年的学前教育已经具备一定的语言基础；二是逻辑思维的培养需要从小开始、循序渐进，计算思维不会在高中和大学阶段突然形成。第二，在核心素养和学科融合的理念下，从课程整合角度切入，特别是在小学低年级不涉及核心科学的课堂教学，将信息技术的基础技能作为必学必备的能力与语文、道德与法治、艺术和社会等学科有机整合，有效激发学生兴趣并系统培养学生高阶思维。

（二） 聚焦智能时代信息科技课程的信息素养培育

任友群等人对比中美信息技术课程标准发现，在义务教育阶段美国重视逻辑训练，力推编程内容，在其 CSTA 课程标准的基础内容占 42%，并从一年级开始开设课程；中国重视以 Office 为代表的软件工具应用，重视操作技能。学校应逐渐转变对信息技术作为软件操作的、工具性使用的认知判断，将信息技术作为一种载体和内容，注重对学生思维的系统性培养。计算思维的本质特征可以理解为一种人类解决问题的思维和能力体现的过程，它是在核心素养框架下，具有各学科通用性和计算机科学学科的专业性的高阶思维和过程。这种过程性能力和发展性技能是无法通过机械训练和记忆来获得的。因此，切实理解计算思维，从课程认知与观念到教学内容与行为的转化与转变，成为新时代信息科技课程改革的关键转折点。

（三） 构建横向融通、纵向衔接的小初高一体化信息科技课程体系

信息意识、计算思维和高阶思维的养成不是一蹴而就或突然形成的。因此，需要注重从小学一年级到高中的信息科技课程及课程标准的学科知识和教学实施的系统性、连贯性，在小学低年级阶段，以培养兴趣和科学精神为主；在小学中高年级段，逐渐增加对于逻辑思维和信息意识的养成；初中和高中阶段不断深入编程等计算机科学的主体内容。通过采用具有一定的空间和弹性的课程结构，进一步优化基础教育阶段的课程标准。在阶段划分上，不针对每个年级进行内容设置，而是按照学生思维发展水平的阶段性和学科内容体系，给予不同区域、不同师生一定的空间和弹性，将一年级至九年级划分为3~4个教学段，以核心知识点为纲，以掌握程度为可选择性的教学空间，为全国各地切实开展信息技术的教学奠定必要的基础。

（四） 面向全体学生发展，不断提升信息科技课程的公平实施

从教育对象的全纳性出发，考虑计算机科学在学生成长过程中，贯穿从小学到高中这一连续的学课教育过程的可教性、可学性与可获得性。信息科技不再只是少部分学生的“特长”或少部分学校的“增光项目”，而是面向所有学生、扎根于日常课堂教学中的基本素养和必修学科。越是贫困欠发达、高寒高海拔、少数民族等理科教育和工业产业落后的地区，越应落实信息技术课程的开设和差异化的教学，将信息技术课程的落实作为促进公平、提高学校吸引力的有力载体。在开设内容和结构上，建议注重差异化和个性化，基于本地的知识、经验起点和教学环境，制定相应的教学方案。转变对区域、民族和性别的刻板印象，面向低年级学生、初学者和少数民族学生使用多种方法让他们感觉编程更容易接受，图形化编程、游戏化学习可以减少语法错误或语言文字带来的障碍。

（五） 教师职后培训与教育资源配置一体化推进

随着我国网络环境的不断优化，信息科技教育及其课程资源也将成为充实“三通两平台”、国家中小学网络云平台、国家智慧教育公共服务平台和其他在线教育平台的重要支点。充分利用已有建设和资源，辅助中小学信息科技教师开展教学，与学生同步学习，充分运用“互联网+”的共享理念，形成“网络资源助力下的师生”教学共同体，在教学相长、强资源支撑的新常态和新模式下，弥补当前信息技术师资和课程资源的短板问题。与此同时，信息技术被认为是弥补区域差异和师资结构性不足的最有可能的手段。注重细化明确教学内容和知识要点等具体标准，完善教学组织形式、教师培训指导手册、教学素材资源、教学课例和教学评价等各种配套性资源的同步配套，师资的本地化程度越高，其稳定性就越强。

来源 | 《教育科学研究》2022年第11期

作者 | 王学男（中国教科院副研究员）