基于STEAM教育的中职“工业机器人技术”课程教学模式研究
杨勇 赵崇杰 张国泉 李俊杰
摘要：针对中职学校“工业机器人技术”课程教学存在的教学理念落后、理论教学有缺陷以及学生学习兴趣低等问题，结合steam教育提出了中职“工业机器人技术”课程教学模式改革思路以及分阶段教学体系，构建了基于STEAM教育的中职“工业机器人技术”课程教学新模式，为中职学校工业机器人技术应用专业课程教学提供参考。
关键词：STEAM教育;教学模式;分阶段教学体系;工业机器人技术;中等职业学校
中图分类号：G712? ? 文献标识码：A? ? 文章编号：1672-5727（2021）05-0087-05
工业机器人及应用是中国制造迈向中国创造的一个重要竞争领域，而工业机器人职业教育对工业机器人产业发展具有重要作用[1]。但是，目前中职学校所培养的工业机器人技术应用专业人才并不完全符合工业机器人行业的新需求，仍有较大的技能型人才缺口[2]。要解决工业机器人技能型人才短缺的问题，从根本上来讲就是要解决中职工业机器人课程教育的问题，相关的教学模式改革刻不容缓。目前，“工业机器人技术”作为中职学校工业机器人技术应用专业的主要课程之一，存在着教学理念落后、理论教学有缺陷以及学生对课程学习的主动性较低等问题。为了解决这些问题，中职“工业机器人技术”课程需要引入新的教学理念和教学模式。STEAM教育的核心思想和我国中职工业机器人教育改革的方向一致[3]，可以为中职“工业机器人技术”课程教学模式的创新提供新思路。
STEAM教育是对科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Arts）、数学（Mathematics）进行整合的一种现代教育方法。STEAM教育最早由美国学者格雷特·亚克门（Georgette Yakman）于1990年提出，后来美国政府大力支持其发展，使其在美国教育领域里不断深化，基于SETAM模式的课程也逐渐多了起来。STEAM教育作為一种新颖的教学模式，具备跨学科交融、实践体验、自主发散思维、团队合作以及趣味学习等特征，这些特征不仅适合中职“工业机器人技术”课程教学创新，并且还可以培养中职学生在工业机器人技术应用专业方面独立解决问题以及思维创新的能力[4]。
本文旨在探索STEAM教育与中职工业机器人教育的有效融合，提出一种基于STEAM教育理念与中职工业机器人技术应用专业课程相结合的课程教学新模式，打破传统的中职课堂教学单一模式，以求“工业机器人技术”课程教学更具技术性、高效性和趣味性，为中职学校工业机器人技术应用专业课程教学提供参考。
一、中职学校“工业机器人技术”课程教学现存问题
2010年新修订的《中等职业学校专业目录》并没有出现工业机器人技术应用专业，但是国内部分办学实力较强的中职学校已经开始开办与之相关的专业方向，如电子与信息技术（工业机器人应用与维护方向）和电气运行与控制（机器人方向）等。然而，中职学校“工业机器人技术”的教学存在着一些短板，这些问题对于专业课程开发有着较大的影响。
（一）教学理念相对落后
中职学校设置“工业机器人技术”这门课程，主要是为了培养学生面向企业的工业机器人操作与运维岗位所需要的专业技能，学生需要在校学习期间打好专业实操技能基础，教师在教授实操技能时也应该以学生为中心。但是，中职学校现阶段仍然保留着传统的教育理念，教师在课堂中还是作为主导一方[5]，中职学生的主动学习性欠佳，导致学生掌握知识程度较低，学生创新能力的培养存在短板， 这会影响到学生学习积极性的发挥。
（二）理论教学存在部分缺陷
由于“工业机器人技术”是一门多学科交叉的课程，所以理论课内容对中职学生而言比较抽象。而大多数教师给学生讲授理论知识时，没有充分利用多媒体等形式将内容形象化地教授给学生，导致学生对工业机器人主观的认知比较薄弱。另外，“工业机器人技术”也包含着很多数学知识，如坐标系的计算以及编程逻辑计算等。当教师利用板书的方式来讲授枯燥的工业机器人数学知识时，学生会因此产生畏惧的心理，导致他们在工业机器人数学知识方面的学习进步很慢，难以对工业机器人有较清晰的基本理论认识。
（三）学生学习的兴趣较低、主动性不高
中职学校学生普遍比较好动，并且他们对专业学习的自觉性较低。“工业机器人技术”课程课堂教学时，学生的参与度较低，较难激起学生的学习兴趣，学生学习的主动性不高，这也直接影响了中职学校工业机器人技术应用专业人才培养质量。
二、STEAM教育与中职课程教学融合的必要性
第一，面对中职“工业机器人技术”课程教学现阶段存在的问题，需要中职学校教师加强教学模式创新研究，打破传统的教育思想框架，可以在“工业机器人技术”课程开发中引入STEAM教学理念，把课堂中心从教师身上转移到学生身上，让每个学生充分享受到自主学习带来的成就感以及乐趣，凸显STEAM教育“做中学”的先进理念[6]。
第二，教师给学生讲授“工业机器人技术”理论课时，可以多利用多媒体等教学平台，让课程内容变得更加丰富，更好吸引学生的注意力。如教师在讲授数学知识时，除了需要板书教学，也需要在学生的实操课上将数学知识与实操训练相结合，给学生以必要数学知识的讲解，在动手过程中培养学生的数学能力。
第三，教师在课堂上可以更多展示工业机器人有趣的一面。例如，通过展示工业机器人下围棋、工业机器人舞狮以及工业机器人画画等特殊场景，让学生在工业机器人技术学习中融入艺术思维，以此提高学生的学习兴趣。
第四，STEAM教育理念强调多学科整合，呈现了一种开放性的教学形态。科学（Science）——旨在培养学生对科学的探索能力，教师可以引导学生探索工业机器人的总体结构。如对于工业机器人本体、减速器的探索，以提高学生学习科学知识的主动性。技术（Technology）——让学生掌握工业机器人的编程、拆装等技术范畴。工程（Enjineering）——要求学生认真对待工业机器人技术实训课程，形成工程的思维和能力，为以后进入企业打好基础。艺术（Arts）——人文艺术的引入会使枯燥的传统“工业机器人技术”课堂更加具有吸引力，学生将会更加积极地参与到课堂学习之中。数学（Mathematics）——这是学习工业机器人的基础，数学可以培养中职学生的逻辑思维能力，而且坐标系的计算以及编程逻辑计算等也需要具有良好的数学基础。
三、基于STEAM教育的中职“工业机器人技术”课程教学模式构建
教学模式是指在某种教学思想或教学理论指导下建立起来的一种较为稳定的教学活动结构框架和活动程序[7]。这种框架应包含二维教学模式、教学体系及其应用与分析等要素。
（一）基于STEAM教学目标的二维教学模式模型
要实现对中职工业机器人技术应用专业学生的全面培养，就要实现专业教学要求的基本职业素质能力和核心职业能力培养。因此，在构建STEAM教学模式时应将职业知识与技能作为教学目标的重点。（见表1）
（二）分阶段教学体系的构建
STEAM教学促成多学科的有机整合，使学科教育不再局限于单调学科本身[8]。鉴于中职“工业机器人技术”教学主要涉及工业机器人本体结构、运动编程及工艺运用等综合技术知識，将 STEAM 教学模式应用到工业机器人技术教育中，建立不同阶段的基于STEAM教育目标的中职“工业机器人技术”课程体系，以项目教学和兴趣驱动作为课程的设计理念，构建“工业机器人技术”教学体系框架。这里把中职“工业机器人技术”课程分为三个阶段。
第一阶段教学是工业机器人的基础教学，包括工业机器人的本体及其零部件等。首先用机器人科幻电影来吸引学生，把学生引入课堂;其次，教师为学生提供机器人本体模型、核心零部件以及配套教材，初步了解工业机器人的结构组成。教师多用现实中的案例来引导学生，帮助学生初步建立工业机器人综合知识体系。
第二阶段教学是工业机器人的编程及应用。学生在这个阶段学习实际生产中常用的工业机器人品牌的编程语言，掌握编程的逻辑思路以及语法，并能对简单工序的运动轨迹进行设定，初步建立对工业机器人控制的思维。
第三阶段教学是工业机器人的项目式教学。教师在这个阶段主要对学生进行项目式授课，通过实际生产当中的码垛、搬运、焊接等主要工艺项目的学习，让学生解决生产中的实际问题，培养学生工业机器人系统集成能力[9]，真正做到把STEAM教育的科学、技术、工程、艺术和数学运用到“工业机器人技术”教学中。
（三）课程教学模式应用与分析
以“ABB工业机器人基础运动编程”项目式课程为例，将STEAM教育理念下的“工业机器人技术”课程教学模式应用于工业机器人基础运动编程项目式教学中，并分析其教学模式的可行性。
1.课程设计理念及教学目标
该项目主要是围绕ABB工业机器人基础运动编程来展开的，基于STEAM的项目式课程可以挖掘出多学科的知识内容[10]，并可以让学生自主操作;学生可在教师设置的任务驱动下，进行自主学习，完成学习目标并总结学习过程。教师在学生操作过程中及时反馈，达到强调教学重点、解决教学难点的目的。据此设计的基于STEAM理念的教学目标思维导图如图1所示。
2.课程教学内容及教学流程设计
（1）教学内容设计。基于STEAM的“ABB工业机器人基础运动编程”项目式课程教学内容、教学重点以及教学难点如表2所示。
（2）教学流程设计。为了使STEAM理念与“ABB工业机器人基础运动编程”项目式课程的教学流程设计深度融合，教学流程分如下四个环节进行。
第一环节，理论讲授。课程的开始，教师先发起一个具有趣味性的游戏——与预先设定好程序的工业机器人下五子棋，以此来引入工业机器人的主题。游戏过后，教师再通过一小段慕课向学生介绍地方文化与工业机器人的结合——工业机器人舞狮，注入艺术文化的熏陶，引导和启发学生的思维，提高学生学习的主动性和兴趣。然后，教师具体介绍工业机器人的各种工艺运动控制以及基础编程语句，并向学生提出课程中的两个项目任务，分别是：运用基础的编程语句对涂胶工艺进行编程;运用基础的编程语句对码垛工艺进行编程。具体的任务设置是为了让学生对具体的项目产生期待并认真学习。
第二环节，基础实操。教师在实训室为学生演示常用基本运动指令和I/O控制指令的操作，让学生进行基础实操。学生4人为一组，每组选出一个组长，共同操作一台工业机器人，要求学生轮流进行操作，巩固在课堂上学习的操作指令。课程设置模拟工厂的工作环境及流程，可使学生进行岗位扮演式实操，让学生提前感受工厂里的工作环境。实操开始前给学生提出本环节需思考的问题，并将问题设置成梯度的方式，学生将随着问题的递进而深入学习。（见图2）
第三环节，任务驱动。在学生掌握了基本运动指令和I/O控制指令后，同样以小组为单位开始项目任务实操，让学生运用基本运动指令和I/O控制指令对简单的涂胶工艺和码垛工艺两个项目任务进行编程。在进行任务实操的过程中，组长带领组员共同完成任务流程，教师作为辅导的一方对学生进行巡视和指导，对大多数小组存在的共性问题进行集中解答。此过程可包含竞技性比赛，完成效果好的小组可给其他学生展示，以此提高学生对任务完成的积极性。在进行项目任务操作时，也给学生提出以下问题，让学生在完成任务的过程中自主探索。（见图3）
第四环节，课程考核及成果展示。传统的课程考核以教师的评定分数为主，但项目任务的考核应该加入学生自评和学生互评。学生自评有利于学生对自身操作的优缺点有正确的认识;而学生互评则有利于学生之间互相学习，也能保持客观公平性。在所有小组都完成课程考核后，教师选出任务操作优秀的小组进行展示，并让组长总结经验。而能力较欠缺的小组也要寻找失败原因，并提出解决方案进行改进。最后，每个小组还要轮流上台对课堂中提出的问题分享答案及看法。这一环节要使学生在相互借鉴中进一步加深对知识的理解，并提高表达能力。
3.教学模式应用分析
本文以基于STEAM的“ABB工业机器人基础运动编程”项目式课程为例，把课程分为了4个教学环节，分别是理论讲授、基础实操、任务驱动、课程考核及成果展示。在该教学实践中，采用任务型教学法，以项目实操的方式让学生感受到实际工程中的操作，形成工程思维（Engineering）。
任务的设置难度按照一定的梯度，由简单到复杂，让学生循序渐进，激发学生的学习热情，驱使学生一步步去探索科学魅力。
学生在编程中使用的逻辑计算，也是提升学生数学思维的一个途径。
在视频介绍中，引入了工业机器人舞狮，让学生在日后学习过程中知道工业机器人也可以与艺术（Arts）结合;在分享环节中，学生的语言组织可以提升表达能力，表达也需要艺术渲染。
教师通过各种教学手段把STEAM教学贯穿于整个课堂，调动学生学习的兴趣，为学生创造愉悦的学习环境，让学生主动在工业机器人实操中学习相关技术。
把STEAM教育理念真正融入到中职“工业机器人技术”课程之中，对教师而言是教学改革创新，对学生而言则更加有利于他們的学习和职业发展。本文提出了基于STEAM教育的中职“工业机器人技术”课程教学新模式，构建了中职“工业机器人技术”分阶段教学体系，可为中职“工业机器人技术”课程教学改革提供新的思路。
参考文献：
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[8]蒙庆华，方锦烘，李一凡，等.基于STEAM的机器人教育课程探究与实践[J].中国教育信息化，2020（4）：43-45，49.
[9]蒋正炎，檀祝平.高职工业机器人技术应用专业课程教学资源开发路径研究[J].中国职业技术教育，2018（11）：47-52.
[10]张辉蓉，冉彦桃.STEAM教育理念落地：数学文化项目学习模式构建及案例开发[J].中国电化教育，2020（7）：97-103.
（责任编辑：张宇平）
Research on the Teaching Mode of "Industrial Robot Technology" Course in Secondary Vocational Schools Based on STEAM Education
YANG Yong， ZHAO Chong-jie， ZHANG Guo-quan， LI Jun-jie
（Guangdong Polytechnic Normal University， Guangzhou Guangdong 510635， China）
Abstract：Aiming at the problems of backward teaching concepts， defects in theoretical teaching and students' low interest in the "Industrial Robot Technology" course in secondary vocational schools， combined with STEAM education， we put forward the reform ideas of the secondary vocational "Industrial Robot Technology" course teaching mode and staged teaching system， which builds a new teaching model of "Industrial Robot Technology" course based on STEAM education in secondary vocational schools，? providing a reference for the teaching of industrial robot technology application majors in secondary vocational schools.
Key words： STEAM education; teaching mode; staged teaching system; industrial robot technology; secondary vocational school
