“互联网+”环境下协作问题解决学习的案例研究

“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

Mellon 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

习和问题解决学习被广泛付诸课堂实践与教学应用[4]。其中

尤以 iCPSL（Internet Plus CPSL）作为“互联网+”环境下

的 CPSL（Collaborative Problem-solving Learning，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

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

于教育思想、课程规划、教学组织等理论范畴[6]；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，为组织和开展机器人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，进而投射到机器人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

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，将拥有深度团队互动和精准资源配置的“互联网+”教育优势作用于发展和创新学习者的核心能力，形成其独特的活动模式（如图 1 所示）。由此，透过 iCPSL 活动设计与 STEM 教育整合的视角思考如

何令两者的深度融合使学习者的项目式问题探究更具操作性和实效性，是本文重点关注的问题。为对该问题建立更加明确的 认识，研究拟选用自内而外的角度，对 iCPSL 与 STEM 教育的关联性和两者整合的基础进行探讨。

学习者 异质分组 协作学习小组一 参与 分享

协作学习小组二 信息传递

信息传递 角色定位

角色定位 自主探究 辅助 支持 “互联网+” 教学平台

辅助 支持 自主探究 资源共享

资源共享 协作问题解决过程

组织 管理 协作问题解决过程 指导 指导 协作

勘探

教师

协作 勘探 问题

识别

协商 重构 问题 识别 协商 重构 问题一

问题二 调整

反思

交流 解释 调整 反思 交流 解释 形成

形成 修改

修改 问题解决方案一 评价 评价 问题解决方案二

图 1 iCPSL 的活动模式

（一）iCPSL 与 STEM 教育的关联性

1.问题导向，重视课程知识和真实场景的联系

STEM 教育可以项目式的问题探究活动整合科学、技术、工程和数学的学科知识，学生围绕自己的爱好倾向和实际存在的能力差异，既能够探讨识别面包板电路的简单问题，也能够探讨拼装演奏机器人、无人机模型的复杂问题，还能够针对现实生活中的真实问题加以探索及求解。因而，在 STEM 教育的“做中学”实践体验活动中，学生们通过探求解决一个个富有趣味性、开放性和挑战性的现实问题，回归具体的生活场景去理解抽象事物和科学概念，发掘自己的知识增长点。

2.协作探究，培育学生的团队精神和合作能力

协作探究是为达到共同的学习目标而以小组互助合作形式开展的一种学习行为[10]。广泛