通过教育设计研究开发机器人一体化STEM课程外文翻译资料

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通过教育设计研究开发机器人一体化STEM课程

T. J. Kopcha1 amp; J. McGregor1 amp; S. Shin1 amp; Y. Qian1 amp; J. Choi1 amp; R. Hill1 amp; J. Mativo1 amp; I.Choi1

网上发布：2017年6月22日

＃教育通信与技术协会2017

摘要：本文提出了一个基于一定标准的综合STEM课程，它使用机器人来培养学生的计算思维。该项目的需求源于现有材料的整体缺乏以及需要以综合方式直接处理特定STEM标准的材料。本文详细介绍了一个教育设计研究项目（EDR）的第一个中周期，其中创建了一个强大的理论框架来支持开发为期两周的机器人课程。分析5名五年级教师及其学生的评估数据显示，综合课程支持学生解决问题也支持认知需求的教师的实践。并且讨论研究了设计和教学的意义。

关键词：机器人教育，教学设计研究，基于设计的研究，K-12STEM教学，计算思维。

介绍

在美国，科学、技术、工程和数学（STEM）教育被视为确保国家成功未来的重要一步（National Academies，2007）。对K-12STEM教育更综合方法的倡导者认为，以更加联系的方式教授STEM，尤其是在现实世界问题的背景下，可以使STEM科目与学生和教师更相关（Honey et al.2014）。需要更强大的STEM教育是由几个因素驱动的。首先，许多职业现在需要一支能够参与创新，创新，批判性思维，解决问题以及信息和媒体素养等STEM思维和技能的工作队伍（Kennedy and Odell 2014）。此外，随着技术的进步和更容易获得，预计学生对STEM思维和技能的需求会增加（Johnson et al.2015; Gonzalez and Kuenzi 2012）。

机器人被提升为STEM教育的重要组成部分，因为它将学生引入复杂的数学和科学思维。Bers（2010，p.2）指出，Brobotics可以成为学习应用数学概念，科学探究方法和解决问题的途径。“机器人可以复制人类的身体动作，并允许学生开发抽象数学的心理表征想法（Han 2013; Kennedy et al.2014）。此外，当学生遇到具有挑战性和复杂的学习情景时，机器人的使用可以增加学生的学习动机并鼓励持久性（Kennedy et al 2014; McGill 2012; Perlman 1976; Dick et al 2005）。

与机器人教育有关的数学和科学思想通常被称为计算思维。通过借鉴计算机科学的基本概念，计算思维是一个涉及概念化，解决问题和理解人类行为的过程（Wing 2006,33）。计算思维和活动是数学和科学专业知识的核心，包括抽象，问题分解、预测和迭代，递归思考和错误检测（Barr et al 2011，Grover和Pea 2013，Sengupta et al 2013）。研究表明计算思维对于STEM课堂学习成绩的学生来说基本上是有益的（Grover and Pea 2013，National Research Council 2011，Wilensky et al 2014）。

然而，将机器人包含在课程中并不能保证学生将参与计算思维。当机器人任务在环境中呈现时，他们很可能参与计算思维，也就是说，敏感技能与探索（2002）。在他们的功能环境中，学生通过测试和重新测试他们对机器人的编程来识别和解决复杂问题。虽然机器人可以作为学生思维的具体外部体现（Han 2013），但学生也必须参与抽象仔细考虑并编程机器人的物理运动。这些活动对STEM教育非常重要，因为它们可以帮助学生发展与同龄人的关系（Barr et al，2011）。

尽管机器人教育带来了显着的好处，但教师仍然努力融入主流教室。本文概述了机器人领域教学的重要性（Barretal.2011，Khanlari 2016）。对机器人进行编程，而不是提供应用主题特定知识的环境。Chang等人在五个小学课堂上工作时，（2010）发现学习如何学习更多东西更容易Khanlari（2011年）最近对11位中小学教师进行的一项研究发现，教师将机器人活动视为额外的负担。在机器人技术活动的背景下，这些可能比正规课程更容易被看到（Karim等，2015）。

一种专注于机器人课程的可行替代方案。STEM领域（例如数学和科学）正在被机器人翻译和应用。这种方法的综合性质有可能改进机器人教育。教师更有可能整合特定技术（Chang at el，2010，Karim at el，2015）。此外，课程材料以一体化的方式发展，更有可能培养学生的科学思维和专业知识（Sengupta et al.2013）。因此，使用机器人通过绘制多个STEM科目而不是单个科目来教授和应用概念的课程，即STEM综合课程（参见Capraro和Han 2014，Capraro et al，2013，Morrison et al，2015）更有可能被教师参与和实施。

因此，本文的目的是描述一个基于标准的综合STEM课程，该课程使用机器人开发计算思维。 该项目的需求源于缺乏现有材料，STEM标准以一体化的方式。 利用教育设计研究（EDR）指导我们的过程，我们首先开发并实施了符合特定数学，科学和工程标准的课程材料概念框架。课程材料随后在5个五年级的教室中实施，为期2周，作为学生的正规课堂教学的一部分。从教师和学生收集的评估报告显示该框架在实践中的有效性。

本文的其余部分描述了数据设计评估结果的EDR项目的每个阶段。为其他课程开发者和STEM学者提供的STEM材料。

材料和方法

McKenney和Reeves（2012）描述了EDR如何专注于一个在应用背景下针对多次迭代开发，测试和研究的教育创新。EDR的一个关键特征是创新基于与目标受众的协调理论，该理论提供了对创新的定期和频繁的投入和反馈。因此，EDR项目试图从学术角度为理论提供信息，这是源于在现实世界中得到重视和发展的创新。

EDR的通用模型由三个阶段组成：分析和探索，设计和构建以及评估和反思（参见McKenney和Reeves 2012）。分析和展开的重点是一个问题和潜在的解决方案，这些理论和现有研究都是基于这些问题。设计和建造的重点是以一种体现前一阶段理论和实践考虑的方式来构建教育创新。然后评估收集的关于创新的数据，并反映未来创新的未来。

McKenney和Reeves（2012）描述了这三个阶段如何处于一个灵活的迭代过程（p.77）。每个阶段代表一个活动的微循环，它有其独特的品质和目的。 两个或多个阶段/微循环经常被结合用于报告目的或做出决定。组合的微循环被称为中周期循环，其通常代表教育设计研究项目的一次迭代。

本文介绍了EDR在我们的机器人课程中的第一个中周期或迭代。循环从对文献进行彻底的分析和探索开始。接下来，在课程开发中设计和实施了一个概念框架。最后，课程在当地学校进行了测试，并收集、分析和反映了评估数据。下面提供了本研究中每个阶段的描述。

EDR第一阶段：分析和探索

对STEM教育和计算思维的文献进行回顾，得出了一套具体的三套综合设计原则来指导我们的课程开发：（a）创建一个功能环境，（b）嵌入体现学习的机会，以及（c）整合多个STEM标准纳入课程。

创建一个功能环境

功能环境是支持计算思维的学习环境的关键特征。正如Pea（1987）指出的那样，功能环境“有助于激发学生通过提供其目的超越学习数学的数学活动来进行数学思维”（p.103）。根据豌豆，数学变得功能化，因为技术促进了数学思维的发展一种解决问题而不是目的本身的手段，学生在解决问题的环境中以数学方式解释世界。豌豆认为，这些功能环境也具有社交方面，学生们在这些方面进行合作并参与学术讨论，以解决问题并激发数学思维。

功能环境通常涉及一个真实的问题，在这个问题中，学习者围绕一个复杂的开放式问题来进行学习。这些类型的问题通常都是以设计为中心的，通常可以在工程设计中看到（Kapur 2008）。这些问题为学习者提供了参与生产失败的机会。生产失败是学习者尝试问题时失败而形成的知识，并且必须根据失败的结果构建新的潜在解决方案（Tawfik et al.2015）。这种失败是有成效的，因为学习者在这个过程中所产生的思维和解决问题的过程在将来可能转移到新的情境中（Kapur，2008）。促进生产失败的问题和教学结构是复杂的，利用先前的数学理解，开发新的数学理解，是真实的，并且能够在安全的环境中进行合作以进行探索（Kapur and Bielaczyc 2011）。

功能环境中出现的问题要求学生表现出高水平的认知需求。认知需求是“学生为成功地参与和解决任务而需要的种类和水平”（Stein et al.2000，p 11）。支持高水平认知需求的问题为学习者提供了形成猜想的机会，证明策略合理化，解释和完善解决方案，并在概念之间建立联系（Boston and Smith 2009; Tekkumru-Kisa et al.2015）。虽然在功能环境中使用真实的，结构不良的问题会提高学生遇到高水平认知需求的可能性，但这并不是保证。学习者必须被迫去证明和解释他们的想法，并且与先前的知识和经验。

功能环境的另一个特征是协作。当学生在功能环境中从事认知要求较高的任务时，协作可以让学生有机会参与更深层次的话语。参与更深层次的讨论可能会通过学生解释和证明他们与同龄人的想法并让学生讨论多种想法和/或解决问题的方法来增强学习（Lin and Anderson 2008; Nussbaum 2008）。研究人员发现，与同龄人一起协作解决问题时，学生的表现会更好（Lanzonder 2005; Witney和Smallbone 2011）。通过合作，学生可以批判性地观察和监督彼此，这可能会导致早期发现错误（Lanzonder 2005; Witney and Smallbone 2011），并相互促成对方的知识，反过来提高了解和填补知识空白（Manlove et al.2006）。

具体实施方式的体现

实施方式是一种让学生能够与真实情境互动，体验和学习的方法（Stoltz，2015）。通过对体现认知理论的描述，实施方法强调为学生创造感知和身体体验以学习抽象概念通过体验这些概念并与周围的现实世界互动（Han 2013）。它使用感知，行动和物理运动将外部化并形成明显的数学思维和解决问题的过程（Alibali and Nathan 2011; Daily et al。2015; Han 2013）。

在机器人教育的情况下，学生和机器人可以充当具体代理人。当学生使用机器人编程，测试和重新测试他们的解决方案策略时，他们可以看到他们思维的具体表现（Han 2013）。学生还可以演示机器人的运动，将计算思维和编程的各个方面与他们自己的方面联系起来Boncoddo等（2010）发现，学习者在认证时能够更好地理解STEM概念，并能够在安全的环境中进行探索合作（Kapur and Bielaczyc 2011）。在功能环境中呈现的问题要求学生表现出高水平的认知需求。认知需求是“学生为成功地参与和解决任务而需要的种类和水平”（Stein et al，2000，p.11）。支持高水平认知需求的问题为学习者提供了形成猜测的机会，证明策略合理化，解释和完善解决方案，并在概念之间建立联系（Boston and Smith 2009; Tekkumru-Kisa et al.2015）。虽然在功能环境中使用真实的，结构不良的问题会增加学生遇到高水平认知需求的可能性，但这不是保证。必须要求学习者证明自己的想法并解释他们的想法，并与先前的知识和经验联系起来。功能环境的另一个特点是协作。当学生在功能环境中从事认知要求较高的任务时，协作可以让学生有机会参与更深层次的话语。参与更深层次的讨论可能会通过学生解释和证明他们与同龄人的想法并让学生讨论多种想法和/或解决问题的方式来增强学习（Lin and Anderson 2008; Nussbaum 2008）。研究人员发现，当与同龄人一起协调努力时，学生的表现会更好解决问题（Lanzonder 2005; Witney和Smallbone 2011）。通过合作，学生可以批判性地观察和监控另一个可能导致早期发现的问题的错误（Lanzonder 2005; Witney和 Smallbone 2011），并相互促进了对方的知识，反过来又增进了解和填补知识空白（Manlove et al.2006）。为实例化嵌入机会实施例是允许学生与真实情况互动，体验和学习的方法（Stoltz，2015）。对体现的认知理论的描述，实施例方法强调为学生创造感知和身体体验，通过体验这些概念并与现实世界互动来学习抽象概念在他们周围（Han 2013）。它使用感知，行动和物理运动将外部化并形成明显的数学思维和解决问题的过程（Alibali and Nathan 2011; Daily et al.2015; Han 2013）。在机器人教育的情况下，学生和机器人可以充当具体代理人。当学生使用机器人编程，测试和重新测试他们的解决方案策略时，他们可以看到他们思维的具体情况（Han 2013）。学生还可以演示机器人的运动，将计算思维和编程的各个方面与他们的自己的身体。Boncoddoetal.（2010）发现，学习者能够更好地理解STEM概念，当他们把自己想象成机器人，并按照给定的指示移动自己的身体;这最终帮助他们理解了机器人在编程时

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