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“互联网+”环境下协作问题解决学习的案例研究

——以面向STEM教育的机器人教学活动设计为例

一、研究背景

STEM教育缘于1986年美国国家科学委员会发布的“科学

（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数

学（Mathematics）”教育集成报告。它彰显的是一种多元学

科文化的学习创新，旨在通过跨学科知识融合和解决实际问

题的团队合作过程来培养学生创新思维与实践能力，因而受

到各地区教育研究者的关注和重视[1]。其中又以机器人科学

因其自身的学科综合性特征被广泛应用于STEM教育实践。机

器人科学与技术处于国际领先水平的Carnegie

Mello大学机器人学院院长Shoop认为[2]，面向对象编程、

嵌入式架构、工程设计和现代数学是技术开发恒久不变的主题，

而此类知识全都包罗在机器人科学这门新生代的交叉学科里—

—它既是统合性的典型产物，又有时代性的意义，与STEM教

育整合应用的前景广阔。

而且在学习技术日趋完善的今天，发展性地继承且应用学

习技术，推动机器人科学与

STEM教育全面融合，以及与学习者的认知结构彼此关联，成为

目前学习科学领域亟需重视的议题[3]。特别是步入“互联网+”

时代以来，技术与教育的深度融合更为促使基于网络的协作学

[4]

习和问题解决学习被广泛付诸课堂实践与教学应用。其中

尤以iCPSL（InternetPlusCPSL）作为“互联网+”环境下

的CPSL（CollaborativeProblem-solvingLearning，亦即

协作问题解决学习），借助“互联网＋”教育背景下的云计算

技术，鼓励学生在云端展开基于问题解决的协作学习，形成以

学生为中心的网络学习新形态，为面向STEM教育的机器人教

学活动建立开放型的学习环境与助力学习模式的变革构筑创造

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性的技术支撑[5]。

文献研究的结果显示，当前国内外关于“教育机器人课程

推动STEM教育”的研究已进入到规模逐渐扩大、形式不断涌

现的蓬勃发展时期，国内研究的理论性依然很强，着重聚焦

[6]

于教育思想、课程规划、教学组织等理论范畴；国外则立足

于理论，实施各种类型的机器人教学活动推进各年龄阶段、各

水平层次学生STEM教育的实证性研究，为组织和开展机器

教学提供了充分的活动案例[7]。但是国外研究成果的教学内

容都倾向于相互独立的主题，而活动案例的分布又过于零散，

因此不利于为国内的相关研究呈现出完整的可供效法的现实图

景。基于此，本文拟在STEM教育中整合iCPSL活动设计，

以改变传统课堂教学模式中知识单向传递的线性进程为学习者

意义建构的并发式协作问题解决学习体验，进而投射到机器

教学活动中实施案例研究。

二、概念界定与研究框架

目前相当多的中小学校在信息技术和通用技术课中增设了

图形化程序设计、开源硬件开发板和智能机器人的教学内容，

旨在提升学生创新思维和创造力。但是STEM教育并非单纯

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地开设Arduino或Python等编程类定向课程，也不是多个

学科教学内容的粗放式叠加，而是立足于现实生活中的问题

解决，对科学和数学科目的概念与工程、技术的知识实现关

联重组和交叉融合，从而超越单一学科界线完成知识的创造与

传播[8]。因此，STEM教育更加关注学习者从多元学科中发

掘它们共同点或矛盾统一点来建立知识结构的交叉性联系，

进而处理单一学科难以解决的应用问题和拓展新的知识增长

点，所以对发展学习者的问题求解、合作学习、实践操作和

创新思维等核心能力有着积极的推动促进作用[9]。

而iCPSL正是利用与新兴学习技术的对接