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0前言

《教育信息化“十三五”規劃》明確提出：有條件的地區要積極探索信息技術在眾創空間、跨學科學習（STEAM教育）、創客教育等新的教育模式中的應用[1]?！爸袊鳶TEM教育2029行動計劃”提出對未來十余年STEM教育的展望，培養學生的創新能力與科學探究能力[2]。因此，開展STEM教育，優化人才結構，激發學生的創新能力，已經成為21世紀教育領域的重要發展任務。STEM教師是開展STEM教育的關鍵因素，然而當前STEM教師普遍缺少STEM素養、跨學科整合能力以及STEM課程設計與開發能力等。因此，在信息技術飛速發展、人才需求不斷增大的時代浪潮下，如何提升STEM教師能力是需要關注的問題。

1核心概念界定

1.1STEM教育

10.3969/j.issn.1671-489X.2022.04.022STEM教師能力提升模式探究*——以基于AIKIT的AI探索賽為例◆張宇婷秦健邵夢秋20世紀80年代，美國有學者首先提出STEM教育[3]，這種能夠培養學生動手、創新、綜合運用多學科知識能力的教育迅速成為國際教育領域的研究熱點，學術界對STEM教育展開較為熱烈而深入的研究，不同的學者對STEM教育有著不同的看法。盡管對STEM的定義存在一定的差異與分歧，但也存在很多共同點。STEM教育具有以下特點：1）以項目學習為主要學習方式，能夠吸引學生參與跨學科活動，不斷地去發現問題，探究合作解決問題，從而不斷更新構建知識體系[4]；2）在STEM課程將機器人、3D打印等技術引入課堂，讓學生動腦動手創造出具有創意的作品的同時，促進學生對STEM知識的理解，從而引發并促使其進行深度學習[3]；3）在STEM活動中，學生通過合作來把控項目的進度，教師角色變成學生的幫助者、引導者[4]。

1.2STEM教師

1.2.1STEM教師概述

STEM教師是STEM教育的關鍵要素，其能力水平的高低直接影響STEM人才的培養質量。目前，STEM教師還沒有明確定義，在實際的STEM教育教學中，STEM教師常常以真實問題或任務驅動教學，用相應的教學儀器演示并講解相關結構和原理，引導學生去小組分工合作完成結構創造與算法設計，體驗工程設計流程，解決真實問題?！禨TEM教師能力等級標準（試行）》中指出：STEM教師能力核心要素包括STEM價值認同感、STEM學科知識、跨學科整合能力、STEM教學實施能力和多元化評估能力[5]?；诖?，本文認為STEM教師就是具有跨學科整合能力、計算思維，能夠合理使用STEM教學方法，引導學生利用跨學科知識去解決問題、完成任務，使學生創造力在內的核心素養得到提高的一類教師。

1.2.2STEM教師短缺

在人工智能時代，學校對STEM教師有著強烈的需求，然而相關研究發現：現有的STEM教師隊伍無論從數量上還是質量上都不能滿足STEM教育需求[6]，原因有以下幾點。

1）STEM教育涉及科學、工程、數學、藝術等多個學科，帶有整合的特殊性，這就需要STEM教師具有整合多門學科知識的能力，而大多職前教師教育存在的問題是多種素養在不同的課程中分開培養，沒有構成體系化的內容，因此，大多數STEM教師缺乏跨學科的專業背景支持。

2）近年來STEM教師相關的職業能力培訓也在如火如荼地開展，但是依然存在在職STEM教師培訓不完善、缺乏持續的專業培養的問題，導致STEM教師隊伍質量低。

3）在職教師成長相對比較緩慢，相應的激勵政策和人文關懷缺乏，使得STEM教師的專業發展得不到有效支持。STEM教育要得到蓬勃發展，離不開STEM教師強有力的助推，因此，未來社會需要更多具有創新意識與計算思維、跨學科整合能力的STEM教師，提升STEM教師的STEM素養和教育教學能力迫在眉睫。

2STEM教師能力提升模式理論基礎

本文提出提升STEM教育知識儲備、跨學科知識整合能力、STEM課程設計與實施能力的實施模式，以指導與提升STEM教師的素養，從而在教學實踐中助力學生STEM素養的提升。

2.1以項目式學習為媒介

項目式學習（PBL）包括基于問題的學習和基于項目的學習，兩者既具有一定的共性，也存在一定的差異，以學習方式的跨學科性和多元性特質逐漸成為STEM教育的首要媒介。通過基于項目的跨學科學習活動，學生不僅可以習得重要的STEM知識，還可以結合其他知識和技能進行實際應用。通過真實的問題或者任務進行引導，讓學生制訂計劃、確定方案、討論、協作等，這是一種主動的、創新的學習，更是一種綜合的、面向學生實際生活問題的學習，重視學習的過程而非學習的結果[7]。

2.2樹立主動學習意識，聚焦關鍵能力生成

在互聯網高速發展及教學資源泛濫的今天，學生對于陳述性知識和簡單的專業技能的學習已非難事，較低層次的教學內容已無法滿足社會對人才的需求。因此，作為培養STEM人才的助推者，STEM教師不能只停留在簡單STEM知識和技能的掌握，而是要樹立主動學習意識，積極利用教學資源，積極參與專業學習的網絡研修社區，不斷地拓展廣度、發掘深度、延展高度，并且要明確在完成階段性學習后需要達到的能力水平，無論是培養分析能力、評價能力、質疑能力、反思習慣、創新意識等高階目標的達成，還是信息收集能力的培養。

2.3案例教學法

案例教學法是19世紀70年代由美國哈佛大學時任法學院院長克里斯托弗所創。它不同于傳統的教學方式，以課本為中心，以灌輸式的方式從概念到概念進行講解。案例教學法一個最為突出的特征是案例的運用，案例是包含問題或者說疑難情境在內的真實發生的典型性事件[8]。在教學過程中，教師將內化的知識整合至案例中，讓學生通過討論、合作、師生交流等方式學習案例背后的理論、概念，既有利于學生問題解決等能力的培養，又使教師整合學科知識的能力得以提升。

3提升STEM教師能力路徑設計

為使STEM教師在獲得STEM教育知識儲備的基礎上進一步對其進行內化、重構，開發STEM課程，并能在課堂教學中靈活實施，能在“做中學”“學中做”的過程中有效指導學生，從而同步培養計算思維、跨學科解決問題的能力，本文基于上述理論基礎，構建一個提升STEM教師能力的模式，如圖1所示。該模式一共分為兩個階段：第一個階段以提升STEM教師跨學科知識整合能力，獲得STEM知識儲備為主；第二階段以提高教師STEM課程開發和實施能力為主。兩個階段從STEM教師學什么、如何學STEM相關知識到教什么、如何教STEM相關課程，幫助STEM教師按照循序漸進的原則提升職業能力。第一階段：學什么、如何學STEM教師能力提升模式的第一個階段即STEM教師為提升素養可以學什么、如何學。當前各類STEM機器人類比賽種類眾多、形式繁多，為STEM教師提升能力提供了極大便利。STEM教師應以此為契機，積極發揮主動意識，充分利用現有賽事，以各類賽事中真實挑戰或比賽場景中的問題為導向，通過賽事培訓、觀看往屆資料等方式，為解決真實問題或挑戰學習關于人工智能、電子電路、程序編寫、算法設計等專業知識與技能；在此基礎上，再融入競賽技巧，運用前一步所學知識，設計能夠實現問題解決的實踐項目流程，從而在自我模擬中完成項目。在此過程中，教師能熟悉且掌握STEM相關的知識技能與競賽技巧，跨學科知識整合能力和STEM知識儲備得以提高。第二階段：教什么、如何教當下，STEM教師能力缺失表現的另一個方面STEM素養和教育教學能力迫在眉睫。是開發和實施STEM課程能力薄弱。因此，第二個階段具體指導STEM教師在掌握一定STEM專業知識與技能之后，解決教什么和如何教的問題。

1）設計教學案例。STEM教師結合項目式學習過程與解決比賽問題過程，自主設計結合教學實際的案例，制作講解賽事相關原理或結構的教具，結合真實生活問題和賽事規則重整課程內容。

2）形成課程或指導學生參賽。STEM教師根據學生的認知水平與特點，結合設計的教學案例，創設STEM教學場景，引導學生運用信息技術，通過算法、數據和模擬對真實問題進行分析、計算、設計、決策與實現，在不斷的實踐中，迭代改進形成系列課程或教材，對于有興趣的學生可指導其參賽。此時，學生的STEM知識儲備、技能得到提升，還可有效提高競賽水平，與此同時也可反作用于競賽，推進機器人競賽、人工智能競賽向更尖端發展。

4STEM教師能力提升模式的有效實施

按照STEM教師能力提升路徑，以基于AIKIT的AI探索賽為例，闡述該路徑的實踐設計。

4.1AIKIT與AI探索賽

4.1.1AIKITAIKIT是一款采用英特爾NUC

mini主機、RealSense深度傳感器攝像頭以及Movi-dius神經元計算模塊等智能硬件的人工智能教育套件。它是一個將人工智能技術的學習與應用和機器人相結合的實踐學習平臺，學生可以開發語音識別互動功能，實現人與機器人、機器人與機器人進行智能語音對話；可以開發視覺互動功能，讓機器人追蹤人物、球或動物等；可以開發定位導航功能，讓機器人自主規劃路徑；可以實踐深度學習技術，讓機器人識別文字等。此外，平臺的高兼容性可以實現Python、C/C++、Java等語言的編程學習及實驗。在學習過程中，學生結合人工智能機器人的每個功能進行學習和實踐，產生破解智能機器人背后奧秘的成就感，極大促進進行人工智能領域學習和實踐的興趣。

4.1.2AI探索賽AI探索賽是一項結合機器

人以及人工智能技術的競賽，2020年高中高校組的主題為智能管家，將場景設置在家庭環境中，讓機器人代替人類做更多的事。比賽分為物品尋找賽和物品分類賽，要求機器人完成對物體的識別、分類及投放任務。在這個過程中，參賽隊要自主搭建機器人以及機械臂，撰寫工程筆記，并基于ROS系統完成AI探索挑戰賽程序的編寫。搭建的機器人尺寸以及使用的硬件需符合比賽要求，并能完成規則指明的挑戰，如智能機器人自主建圖及導航，顏色識別、條碼識別、物體識別，機械臂能夠抓取，能夠程序控制放置物體。

4.2STEM教師能力提升的實踐設計

第一階段重在提升STEM教師跨學科知識整合能力，通過以下步驟，逐步增加STEM知識儲備。

1）分析。在該賽事中以物品尋找賽和物品分類賽指定的任務為導向，教師結合往期比賽經驗對以往案例和參賽視頻進行觀看和分析。2）學習。AI探索挑戰賽涉及ROS機器人系統、Python編程以及人工智能技術、機器學習等，所以教師需要提前學習并掌握此類科學文化知識。

3）項目設計。教師需要圍繞該項目制訂方案，并參照以往的比賽經驗對AI機器人的結構進行設計、搭建和程序設計。

4）模擬演練。根據項目設計對該比賽進行模擬演練，總結經驗。如表1所示，在此項目完成過程中，教師的科學、工程、數學、技術等知識儲備得到進一步提升，跨學科知識整合能力得到增強。第二階段以提高教師STEM課程開發和實施能力為主。將AI探索賽大項目劃分為不同的子任務落實到每節課的教學中，教師需要結合真實場景設計教學案例，學生需要體驗、掌握特定的知識模塊。各任務間相互聯系，知識與能力的層次也隨著任務的推進而提升。課程面向高一學生，高中生應當具有獨立思考、問題解決以及創造能力[9]，并且具有一定的信息技術基礎。涉及人工智能的課程內容設計應偏重于創造創新，強調基本理念與原理的傳遞，注重創造力、想象力以及動手能力的提升[10]?；谶@兩種現實需求，課程分為18個課時，具體如表2所示。

在課程中以項目式學習的流程，引導學生組建團隊，學生首先從模仿入手，輔以相關教具；在熟悉掌握之后進行小組分工合作，分析、設計完成機器人的結構搭建和算法設計，同時記錄工程日志或學習反思。經過七個主題的學習，學生將機器人與各類人工智能技術、開源硬件等結合起來，實現各類結構、任務與算法的融會貫通，完成作品制作。對于設計制作良好的學生，可以指導其參賽，形成理論—實踐—比賽三級一體化的教學模式。

5結束語

鑒于STEM教師科學素養、計算思維以及創新意識等方面的能力素養普遍不高的問題，本文提出STEM教師能力提升模式，幫助教師了解學什么、如何學，教什么、如何教，并以AI探索挑戰賽為例具體說明。但在人工智能的浪潮下，面臨學習環境、方式的改變等不確定因素，如何推進STEM教師職業素養和專業水平的提高，仍然是今后長期面臨的挑戰，還需要在實踐中結合更多的理論繼續探索、不斷完善?！?

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.教育信息化“十三五”規劃[M].北京:中華人民共和國教育部,2016.

[2]中國STEM教育2029行動計劃在京啟動[EB/OL].(2018-05-17)[2018-07-17].

[3]傅騫,王辭曉.當創客遇上STEAM教育[J].現代教育技術,2014,24(10):37-42.

[4]魏曉東,于冰,于海波.美國STEAM教育的框架、特點及啟示[J].華東師范大學學報（教育科學版）,2017,35(4):40-46,134,135.

[5]STEM教師能力等級標準（試行）[S/OL].(2018-08-07)[2018-8-23]

[6]王文珠,何齊宗.國外STEM教師專業發展路徑研究:進展與啟示[J].中小學教師培訓,2019(9):74-78.

[7]蹇世瓊,彭壽清,李祥.STEM教師職前培養課程體系改革研究[J].教師發展研究,2019,3(4):64-71.

[8]鄭金洲.案例教學:教師專業發展的新途徑[J].教育理論與實踐,2002(7):36-41.

[9]宋靈青,田羅樂.“互聯網+”時代學生核心素養發展的新理路[J].中國電化教育,2017(1):78-82.

[10]謝忠新,曹楊璐,李盈.中小學人工智能課程內容設計探究[J].中國電化教育,2019(4):17-22.所示。

作者:張宇婷 秦健 邵夢秋