STEM视域下教育机器人的...年国外核心数据库的文献分析_毛丹玲.pdf

第 22卷 第 2期2023年 2月Vol.22 No.2Feb.2023软 件 导 刊Software GuideSTEM视域下教育机器人的脉络分析及前瞻：基于近十年国外核心数据库的文献分析毛丹玲，惠恭健（江南大学 人文学院，江苏 无锡 214122）摘要：机器人作为人工智能在教育领域的典型应用，受到众多学者的关注。机器人课程的创新性、综合性、实践性以及学科的交叉融合性与STEM教育理念相似，被认为是提升学生STEM学科素养、实现STEM教育目标的有效途径。国外已经开展了整合STEM的机器人相关研究，而国内的实证类研究仍较为欠缺。基于此，立足于STEM整合视角，从教学价值、教学设计、教学模式三个方面对国际上的机器人教育研究进行梳理；随后从教学效果、课程设计、教学模式分析机器人教育实践过程中存在的问题；最后探索其对我国机器人教育发展的启示，以期为我国机器人教育的实践与应用提供参考。关键词：机器人教育；STEM；实证研究；教学实践；科学研究DOI：10.11907/rjdk.221133开 放 科 学（资 源 服 务）标 识 码（OSID）：中图分类号：G434 文献标识码：A文章编号：1672-7800（2023）002-0246-07Context Analysis and Prospect of Educational Robot from STEM Perspective：Literature Analysis Based on Foreign Core Databases in Recent Ten YearsMAO Dan-ling，HUI Gong-jian（School of Humanities，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）Abstract：As a typical application of artificial intelligence in the field of education，robot has attracted the attention of many scholars.The innovation，comprehensiveness，practicality and interdisciplinary integration of robot are similar to the concept of stem education.It is considered to be an effective way to improve students stem discipline literacy and achieve the goal of stem Education.Foreign countries have carried out robot related research integrating stem，while domestic empirical research is still lacking.Based on this，from the perspective of stem integration，this paper combs the international robot education research from three aspects：teaching value，teaching design and teaching mode.Then，the problems existing in the practice of robot education are analyzed from teaching effect，curriculum design and teaching mode.Finally，explore the enlightenment of the research to the development of robot education in China，in order to provide reference for the practice and application of robot education in China.Key Words：robotics education；STEM；empirical research；teaching practice；scientific research0 引言随着 5G、物联网、大数据和人工智能等新技术的发展，人工智能逐渐渗透到教育领域，给教育带来了巨大的变革。近年来，随着世界各国在人工智能领域的发展，机器人教育逐渐受到越来越多人的关注。美国、日本、欧洲等国家致力于发展人工智能教育，制定了人工智能与机器人发展战略规划，极大地推动了机器人教育领域的发展。2019年，教育部公布 2019年教育信息化和网络安全工作要点，强调了人工智能与教育深度融合的重要性，指出要对2万名中小学生进行信息素养评测，推动中小学阶段人工智能相关课程的设置，逐步推广编程教育。该文件中提出的人工智能教育规划可以追溯到2017年和2018年收稿日期：2022-02-17基金项目：江苏省社会科学基金青年项目（19JYC008）作者简介：毛丹玲（1998-），女，CCF会员，江南大学人文学院硕士研究生，研究方向为STEM教育；惠恭健（1975-），男，江南大学人文学院副教授、硕士生导师，研究方向为STEM 教育、教育传播。本文通讯作者：惠恭健。第 2 期毛丹玲，惠恭健：STEM视域下教育机器人的脉络分析及前瞻：基于近十年国外核心数据库的文献分析我国颁布的相关政策：2018年，教育部印发 教育信息化2.0行动计划，提出“在新课改背景下，要将大数据、物联网、人工智能等领域相结合，促进教育模式变革与生态重构，全面支持中小学机器人教育的普及和深化”1。2017年，国务院颁布的 新一代人工智能发展规划 中多次提到机器人，明确指出全民智能教育项目的重要性，强调在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育2。然而，我国中小学机器人教育仍处于起步阶段，存在教学内容单一、包容性差、跨学科性不足等问题。我国有学者从研究目的、技术和方法三个层面分析了机器人教育的现状并对未来的发展趋势进行展望3；钟柏昌等4聚焦于机器人教学模式，分析了不同教学模式应用的场景与效果；李幸等5提出基于设计的 STEM+C 课程，以提升学生的计算思维水平。以上研究表明，机器人作为人工智能教育的代表，具有非常大的潜力。它不仅能够用于教授机器人本位知识，而且在促进学生参与科学、技术、工程和数学（STEM）领域，培养计算思维、创造能力、问题解决能力，提升学习动机、兴趣、态度等方面具有很大的价值。因此，梳理国际上 STEM 领域中的机器人教育研究，探究 STEM 与机器人进行整合的形式，可以为我国机器人教育研究带来新的启示，促进我国中小学机器人教育的发展。在现有研究中，周进等6采用CiteSpace工具对国际上的机器人教育进行梳理，从学习效果层面进行探究，指出机器人教育实践与应用的重要性；龚礼林等7对国内外K12阶段的机器人教育进行梳理，划分了STEM领域和非STEM 领域的机器人教育，但未对 STEM 领域的机器人教育进行深入探究；钟柏昌8对国外机器人支持数学教学的案例进行剖析，提出机器人作为教学工具进入课堂的可能，同时指出开展STEM相关的教学活动是中小学机器人教育发展的重要方向。随着人工智能技术的迅猛发展，机器人的创新性、实践性、多样性都为中小学实施STEM教育提供了可能。然而，已有研究多集中在机器人本位知识学习，整合STEM的机器人教育甚少。基于此，本研究对国际上STEM领域的机器人教育进行了梳理，总结了STEM+机器人的教学价值、教学设计、教学模式以及现存问题，以期为我国机器人教育的实践与应用提供参考。1 研究设计1.1文献检索为获得国际范围内STEM+机器人的相关研究，研究者在 Web of Science、EBSCO、SpringerLink、Wiley等国际权威的社会科学引文索引中检索，以检索式“（robotics OR Lego）AND（STEM OR STEAM）AND（learn*OR education*）”在摘要中检索，文献类型设为期刊文章，时间设定为2012年1月-2021年12月，共获得348篇文献作为数据源，以备后续数据处理。1.2文献筛选为保证研究过程的严谨性与科学性，本研究制定了4条文献筛选标准，包括纳入标准与排除标准，以此来评估文献质量，如表1所示。剔除重复文献后，首先进行初筛，阅读文献标题与摘要，根据上述筛选标准进行初步筛选；其次进行二次筛选，对文献进行全文阅读，根据筛选标准进行深度复筛；最后，补充筛选阶段，采用“滚雪球”的方式，以二次筛选过后所得文献以及综述类文献为基础，对其所引用以及被引用的文献进行检索与阅读，并根据筛选标准进行最后筛选；最终共得到符合要求的文献30篇。筛选过程如图1所示。1.3数据抽取与整合为从选取的文献中抽取出关键信息，对机器人教学的过程与方法进行系统性分析，将抽取信息分为以下四个维度：文献基本信息，包含第一作者、发表年份、发表期刊；研究问题，包含对该文献研究问题及结果的提炼、总结；研究方法，包含研究设计、数据收集、数据分析方法；教学情境，包含教学年级、工具、内容、对象、场景。2 研究结果通过系统性文献综述法梳理出国际上整合STEM的机器人教育在中小学阶段的最新研究现状，为更清晰地明确研究进展，仔细阅读全文并结合抽取信息的4个维度，将研究主题分为以下 3 种（见表 2）：机器人教学的价值；机器人教学设计与方法；机器人教学模式。2.1机器人教学的价值对数据源进行分析发现，机器人走进教育领域的角色包括学习的对象、认知工具或者教学工具等，研究者多从知识与技能两个维度验证机器人教学的有效性。2.1.1知识维度在知识维度上，机器人教学的目的主要是促进学生理解 STEM 相关学科知识，包括以机器人作为教学主题的综合性STEM课程和以机器人作为教学工具，强调促进目标学科知识理解的跨学科课程。机器人教育集创新性、实践性与多学科性于一身，涉及数学、科学、物理等多个学科领域，因而研究者常将机器人作为教学主题开设STEM课程。如Coxon9设计并开发Table 1Literature screening criteria表1文献筛选标准标准维度1234研究学段为中小学领域：小学、初中、高中研究内容同时涉及 STEM 理念和机器人在教育中的应用研究类型为实证类研究文献类型为同行评审的期刊文章纳入标准是是是是排除标准否否（仅包含STEM理念或机器人在教育中的应用）否否（会议、报告等文章）2472023 年软 件 导 刊以数学为重点的CREST-M课程，在课程中围绕机器人的设计、搭建、编程等活动进行了为期一周的教学实践，机器人的加入帮助了学生减少视线转移，从而专注于学习内容，最终学生的数学成绩以及认知能力都有所提升；Vicente等10以问题为驱动，将“可持续性城市”作为主题设计科学活动，开展为期九周的STEM主题项目课程，并在课程结束时以小组为单位制作课程作品来提高学生的项目参与度。最终，学生的反馈结果显示，STEM课程不仅促进了他们科学技能的发展，而且增加了学习的兴趣和积极性。除了综合性的STEM课程之外，机器人也常作为教学工具，被用于学科教学之中。在科学课的学习中，学生们所学习的知识点多是由教师对照课本讲解，并没有通过具体的实例帮助学生理解，为此 Guven等11将 Arduino机器人加入到课堂中，通过利用机器人模拟“能源转换”、“能源效率”等场景，帮助学生理解生活中的科学知识，同时提高对学习的兴趣。Saez等12则分别将mbot和Arduino整合到数学知识点“整数”与科学知识点“电与磁”之中，以4所小学的 93 名六年级学生作为研究对象，采用测试、问卷、课堂观察等多种方式收集实验数据，结果显示学生的数学成绩有增长趋势，但科学成