0前言

《教育信息化“十三五”规划》明确提出：有条件的地区要积极探索信息技术在众创空间、跨学科学习（STEAM教育）、创客教育等新的教育模式中的应用[1]。“中国STEM教育2029行动计划”提出对未来十余年STEM教育的展望，培养学生的创新能力与科学探究能力[2]。因此，开展STEM教育，优化人才结构，激发学生的创新能力，已经成为21世纪教育领域的重要发展任务。STEM教师是开展STEM教育的关键因素，然而当前STEM教师普遍缺少STEM素养、跨学科整合能力以及STEM课程设计与开发能力等。因此，在信息技术飞速发展、人才需求不断增大的时代浪潮下，如何提升STEM教师能力是需要关注的问题。

1核心概念界定

1.1STEM教育

10.3969/j.issn.1671-489X.2022.04.022STEM教师能力提升模式探究*——以基于AIKIT的AI探索赛为例◆张宇婷秦健邵梦秋20世纪80年代，美国有学者首先提出STEM教育[3]，这种能够培养学生动手、创新、综合运用多学科知识能力的教育迅速成为国际教育领域的研究热点，学术界对STEM教育展开较为热烈而深入的研究，不同的学者对STEM教育有着不同的看法。尽管对STEM的定义存在一定的差异与分歧，但也存在很多共同点。STEM教育具有以下特点：1）以项目学习为主要学习方式，能够吸引学生参与跨学科活动，不断地去发现问题，探究合作解决问题，从而不断更新构建知识体系[4]；2）在STEM课程将机器人、3D打印等技术引入课堂，让学生动脑动手创造出具有创意的作品的同时，促进学生对STEM知识的理解，从而引发并促使其进行深度学习[3]；3）在STEM活动中，学生通过合作来把控项目的进度，教师角色变成学生的帮助者、引导者[4]。

1.2STEM教师

1.2.1STEM教师概述

STEM教师是STEM教育的关键要素，其能力水平的高低直接影响STEM人才的培养质量。目前，STEM教师还没有明确定义，在实际的STEM教育教学中，STEM教师常常以真实问题或任务驱动教学，用相应的教学仪器演示并讲解相关结构和原理，引导学生去小组分工合作完成结构创造与算法设计，体验工程设计流程，解决真实问题。《STEM教师能力等级标准（试行）》中指出：STEM教师能力核心要素包括STEM价值认同感、STEM学科知识、跨学科整合能力、STEM教学实施能力和多元化评估能力[5]。基于此，本文认为STEM教师就是具有跨学科整合能力、计算思维，能够合理使用STEM教学方法，引导学生利用跨学科知识去解决问题、完成任务，使学生创造力在内的核心素养得到提高的一类教师。

1.2.2STEM教师短缺

在人工智能时代，学校对STEM教师有着强烈的需求，然而相关研究发现：现有的STEM教师队伍无论从数量上还是质量上都不能满足STEM教育需求[6]，原因有以下几点。

1）STEM教育涉及科学、工程、数学、艺术等多个学科，带有整合的特殊性，这就需要STEM教师具有整合多门学科知识的能力，而大多职前教师教育存在的问题是多种素养在不同的课程中分开培养，没有构成体系化的内容，因此，大多数STEM教师缺乏跨学科的专业背景支持。

2）近年来STEM教师相关的职业能力培训也在如火如荼地开展，但是依然存在在职STEM教师培训不完善、缺乏持续的专业培养的问题，导致STEM教师队伍质量低。

3）在职教师成长相对比较缓慢，相应的激励政策和人文关怀缺乏，使得STEM教师的专业发展得不到有效支持。STEM教育要得到蓬勃发展，离不开STEM教师强有力的助推，因此，未来社会需要更多具有创新意识与计算思维、跨学科整合能力的STEM教师，提升STEM教师的STEM素养和教育教学能力迫在眉睫。

2STEM教师能力提升模式理论基础

本文提出提升STEM教育知识储备、跨学科知识整合能力、STEM课程设计与实施能力的实施模式，以指导与提升STEM教师的素养，从而在教学实践中助力学生STEM素养的提升。

2.1以项目式学习为媒介

项目式学习（PBL）包括基于问题的学习和基于项目的学习，两者既具有一定的共性，也存在一定的差异，以学习方式的跨学科性和多元性特质逐渐成为STEM教育的首要媒介。通过基于项目的跨学科学习活动，学生不仅可以习得重要的STEM知识，还可以结合其他知识和技能进行实际应用。通过真实的问题或者任务进行引导，让学生制订计划、确定方案、讨论、协作等，这是一种主动的、创新的学习，更是一种综合的、面向学生实际生活问题的学习，重视学习的过程而非学习的结果[7]。

2.2树立主动学习意识，聚焦关键能力生成

在互联网高速发展及教学资源泛滥的今天，学生对于陈述性知识和简单的专业技能的学习已非难事，较低层次的教学内容已无法满足社会对人才的需求。因此，作为培养STEM人才的助推者，STEM教师不能只停留在简单STEM知识和技能的掌握，而是要树立主动学习意识，积极利用教学资源，积极参与专业学习的网络研修社区，不断地拓展广度、发掘深度、延展高度，并且要明确在完成阶段性学习后需要达到的能力水平，无论是培养分析能力、评价能力、质疑能力、反思习惯、创新意识等高阶目标的达成，还是信息收集能力的培养。

2.3案例教学法

案例教学法是19世纪70年代由美国哈佛大学时任法学院院长克里斯托弗所创。它不同于传统的教学方式，以课本为中心，以灌输式的方式从概念到概念进行讲解。案例教学法一个最为突出的特征是案例的运用，案例是包含问题或者说疑难情境在内的真实发生的典型性事件[8]。在教学过程中，教师将内化的知识整合至案例中，让学生通过讨论、合作、师生交流等方式学习案例背后的理论、概念，既有利于学生问题解决等能力的培养，又使教师整合学科知识的能力得以提升。

3提升STEM教师能力路径设计

为使STEM教师在获得STEM教育知识储备的基础上进一步对其进行内化、重构，开发STEM课程，并能在课堂教学中灵活实施，能在“做中学”“学中做”的过程中有效指导学生，从而同步培养计算思维、跨学科解决问题的能力，本文基于上述理论基础，构建一个提升STEM教师能力的模式，如图1所示。该模式一共分为两个阶段：第一个阶段以提升STEM教师跨学科知识整合能力，获得STEM知识储备为主；第二阶段以提高教师STEM课程开发和实施能力为主。两个阶段从STEM教师学什么、如何学STEM相关知识到教什么、如何教STEM相关课程，帮助STEM教师按照循序渐进的原则提升职业能力。第一阶段：学什么、如何学STEM教师能力提升模式的第一个阶段即STEM教师为提升素养可以学什么、如何学。当前各类STEM机器人类比赛种类众多、形式繁多，为STEM教师提升能力提供了极大便利。STEM教师应以此为契机，积极发挥主动意识，充分利用现有赛事，以各类赛事中真实挑战或比赛场景中的问题为导向，通过赛事培训、观看往届资料等方式，为解决真实问题或挑战学习关于人工智能、电子电路、程序编写、算法设计等专业知识与技能；在此基础上，再融入竞赛技巧，运用前一步所学知识，设计能够实现问题解决的实践项目流程，从而在自我模拟中完成项目。在此过程中，教师能熟悉且掌握STEM相关的知识技能与竞赛技巧，跨学科知识整合能力和STEM知识储备得以提高。第二阶段：教什么、如何教当下，STEM教师能力缺失表现的另一个方面STEM素养和教育教学能力迫在眉睫。是开发和实施STEM课程能力薄弱。因此，第二个阶段具体指导STEM教师在掌握一定STEM专业知识与技能之后，解决教什么和如何教的问题。

1）设计教学案例。STEM教师结合项目式学习过程与解决比赛问题过程，自主设计结合教学实际的案例，制作讲解赛事相关原理或结构的教具，结合真实生活问题和赛事规则重整课程内容。

2）形成课程或指导学生参赛。STEM教师根据学生的认知水平与特点，结合设计的教学案例，创设STEM教学场景，引导学生运用信息技术，通过算法、数据和模拟对真实问题进行分析、计算、设计、决策与实现，在不断的实践中，迭代改进形成系列课程或教材，对于有兴趣的学生可指导其参赛。此时，学生的STEM知识储备、技能得到提升，还可有效提高竞赛水平，与此同时也可反作用于竞赛，推进机器人竞赛、人工智能竞赛向更尖端发展。

4STEM教师能力提升模式的有效实施

按照STEM教师能力提升路径，以基于AIKIT的AI探索赛为例，阐述该路径的实践设计。

4.1AIKIT与AI探索赛

4.1.1AIKITAIKIT是一款采用英特尔NUC

mini主机、RealSense深度传感器摄像头以及Movi-dius神经元计算模块等智能硬件的人工智能教育套件。它是一个将人工智能技术的学习与应用和机器人相结合的实践学习平台，学生可以开发语音识别互动功能，实现人与机器人、机器人与机器人进行智能语音对话；可以开发视觉互动功能，让机器人追踪人物、球或动物等；可以开发定位导航功能，让机器人自主规划路径；可以实践深度学习技术，让机器人识别文字等。此外，平台的高兼容性可以实现Python、C/C++、Java等语言的编程学习及实验。在学习过程中，学生结合人工智能机器人的每个功能进行学习和实践，产生破解智能机器人背后奥秘的成就感，极大促进进行人工智能领域学习和实践的兴趣。

4.1.2AI探索赛AI探索赛是一项结合机器

人以及人工智能技术的竞赛，2020年高中高校组的主题为智能管家，将场景设置在家庭环境中，让机器人代替人类做更多的事。比赛分为物品寻找赛和物品分类赛，要求机器人完成对物体的识别、分类及投放任务。在这个过程中，参赛队要自主搭建机器人以及机械臂，撰写工程笔记，并基于ROS系统完成AI探索挑战赛程序的编写。搭建的机器人尺寸以及使用的硬件需符合比赛要求，并能完成规则指明的挑战，如智能机器人自主建图及导航，颜色识别、条码识别、物体识别，机械臂能够抓取，能够程序控制放置物体。

4.2STEM教师能力提升的实践设计

第一阶段重在提升STEM教师跨学科知识整合能力，通过以下步骤，逐步增加STEM知识储备。

1）分析。在该赛事中以物品寻找赛和物品分类赛指定的任务为导向，教师结合往期比赛经验对以往案例和参赛视频进行观看和分析。2）学习。AI探索挑战赛涉及ROS机器人系统、Python编程以及人工智能技术、机器学习等，所以教师需要提前学习并掌握此类科学文化知识。

3）项目设计。教师需要围绕该项目制订方案，并参照以往的比赛经验对AI机器人的结构进行设计、搭建和程序设计。

4）模拟演练。根据项目设计对该比赛进行模拟演练，总结经验。如表1所示，在此项目完成过程中，教师的科学、工程、数学、技术等知识储备得到进一步提升，跨学科知识整合能力得到增强。第二阶段以提高教师STEM课程开发和实施能力为主。将AI探索赛大项目划分为不同的子任务落实到每节课的教学中，教师需要结合真实场景设计教学案例，学生需要体验、掌握特定的知识模块。各任务间相互联系，知识与能力的层次也随着任务的推进而提升。课程面向高一学生，高中生应当具有独立思考、问题解决以及创造能力[9]，并且具有一定的信息技术基础。涉及人工智能的课程内容设计应偏重于创造创新，强调基本理念与原理的传递，注重创造力、想象力以及动手能力的提升[10]。基于这两种现实需求，课程分为18个课时，具体如表2所示。

在课程中以项目式学习的流程，引导学生组建团队，学生首先从模仿入手，辅以相关教具；在熟悉掌握之后进行小组分工合作，分析、设计完成机器人的结构搭建和算法设计，同时记录工程日志或学习反思。经过七个主题的学习，学生将机器人与各类人工智能技术、开源硬件等结合起来，实现各类结构、任务与算法的融会贯通，完成作品制作。对于设计制作良好的学生，可以指导其参赛，形成理论—实践—比赛三级一体化的教学模式。

5结束语

鉴于STEM教师科学素养、计算思维以及创新意识等方面的能力素养普遍不高的问题，本文提出STEM教师能力提升模式，帮助教师了解学什么、如何学，教什么、如何教，并以AI探索挑战赛为例具体说明。但在人工智能的浪潮下，面临学习环境、方式的改变等不确定因素，如何推进STEM教师职业素养和专业水平的提高，仍然是今后长期面临的挑战，还需要在实践中结合更多的理论继续探索、不断完善。■

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.教育信息化“十三五”规划[M].北京:中华人民共和国教育部,2016.

[2]中国STEM教育2029行动计划在京启动[EB/OL].(2018-05-17)[2018-07-17].

[3]傅骞,王辞晓.当创客遇上STEAM教育[J].现代教育技术,2014,24(10):37-42.

[4]魏晓东,于冰,于海波.美国STEAM教育的框架、特点及启示[J].华东师范大学学报（教育科学版）,2017,35(4):40-46,134,135.

[5]STEM教师能力等级标准（试行）[S/OL].(2018-08-07)[2018-8-23]

[6]王文珠,何齐宗.国外STEM教师专业发展路径研究:进展与启示[J].中小学教师培训,2019(9):74-78.

[7]蹇世琼,彭寿清,李祥.STEM教师职前培养课程体系改革研究[J].教师发展研究,2019,3(4):64-71.

[8]郑金洲.案例教学:教师专业发展的新途径[J].教育理论与实践,2002(7):36-41.

[9]宋灵青,田罗乐.“互联网+”时代学生核心素养发展的新理路[J].中国电化教育,2017(1):78-82.

[10]谢忠新,曹杨璐,李盈.中小学人工智能课程内容设计探究[J].中国电化教育,2019(4):17-22.所示。

作者:张宇婷 秦健 邵梦秋