STEM教育視野下小學低年級智能機器人教學模式研究

杜娟 臧晶晶

【摘 要】在基礎教育領域，智能機器人教學以其讓學生在動手操作的過程中培養(yǎng)邏輯思維能力、合作精神和創(chuàng)新能力的特點，成為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的良好載體。本文通過分析STEM教育理念，結合中國國情和實踐構建了基于活動的小學低年級智能機器人體驗學習模式，對于提高學生的科學素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、數(shù)學素養(yǎng)、技術素養(yǎng)具有一定的理論價值和應用推廣價值。

【關鍵詞】STEM教育；小學智能機器人；體驗學習；教學模式

【中圖分類號】G443 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2014）05-0052-03

研究背景

1. STEM教育的內涵

STEM教育源自20世紀80年代的美國，其內涵旨在將科學、技術、工程、數(shù)學這四個領域看作彼此聯(lián)系的整體，試圖提高未來國家的國際競爭力。在STEM教育中，科學素養(yǎng)是重點，是為學生將來進一步從事科學研究打下基礎；技術素養(yǎng)和工程素養(yǎng)則是在實際的社會分工中最經常體現(xiàn)的，它以明顯的應用特點為科學研究提供工具和思路；數(shù)學素養(yǎng)是STEM教育的基礎，技術深入、工程論證、科學推理和建模，都需要數(shù)學作為基礎。

21世紀的競爭，歸根到底是人才的競爭。面對“為什么我們的學?？偸桥囵B(yǎng)不出杰出人才”的錢學森之問，我們試圖通過融合重整科學、技術、工程和數(shù)學這四大領域的教學內容，培養(yǎng)出適應21世紀的復合型、創(chuàng)新型人才，達到錢先生的“大成教育”的理想。

2. 智能機器人教學的意義及現(xiàn)狀

智能機器人技術是涉及機械、電子、計算機、人工智能等多種技術的實踐性學科。智能機器人教學的總體目標是在了解機器人內部構造、功能及應用狀況等知識的前提下，動手搭建機器人，設計機器人行動策略，編寫機器人程序。由于其自身的知識綜合性和技術應用領域的廣泛性，為培養(yǎng)學生的綜合能力，如邏輯思維能力、分析和解決問題的能力、動手能力、合作能力和創(chuàng)造能力提供了良好的平臺。因此，機器人教學是素質教育的重要載體，將對社會發(fā)展和人才培養(yǎng)產生重大影響。

教育部 2003 年頒布的《普通高中信息技術課程標準（實驗）》中，把“人工智能初步”和“簡易機器人制作”設為技術領域的選修模塊，意味著我國的人工智能和機器人教育在大眾化、普及化層面上進入了一個新階段[1]。隨著信息化的發(fā)展以及人們科技意識的加強，機器人教學逐漸趨于幼齡化，很多經濟發(fā)達地區(qū)從小學低年級開設智能機器人（校本）課程、興趣班，社會上的幼兒機器人培訓班、機器人高手俱樂部層出不窮。學校及市場培訓機構的教學質量關系到該領域能否健康、良性發(fā)展，也關系到面向21世紀未來人才的培養(yǎng)。

3. STEM教育視野下的智能機器人教學

智能機器人教學能夠實現(xiàn)STEM教育四要素的有機整合。如在完成FLL機器人前進爬坡并摘取果實的任務時，教師通常會要求學生先思考可以有幾種策略完成任務、哪種策略最佳。在編程時，教師要求學生畫程序流程圖，通過反復測試、分析現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)問題、提出修改方案并及時調整，使機器人表現(xiàn)出最佳狀態(tài)。在這一任務中，體現(xiàn)了如下素養(yǎng)。

科學素養(yǎng)：運用重力、摩擦力等物理知識，需要具備確定問題、尋找思路、解決問題、相互共享制作經驗的科學精神。

工程素養(yǎng)：編程之前畫流程圖，這是工程設計的基本思想，機器人編程調用標準化程序模塊也蘊涵了工程意識。

數(shù)學素養(yǎng)：需要測量斜坡高度和手臂長度，并通過計算，得出機器人的速度和完成任務所需時間等。

技術素養(yǎng)：指對科學和技術進行評價和做出相應決定所必需的基本知識和能力。學生在分析任務、選擇策略和編寫程序上均體現(xiàn)了技術素養(yǎng)的運用。

STEM教育視野下小學低年級機器人教學模式探索

1. 基于活動的體驗學習模式

基于活動的體驗學習模式源自于體驗學習法，是指從學生個體發(fā)展的需要和認知規(guī)律出發(fā)，在親身經歷學習的過程中，通過反復觀察、感受、實踐、探究，對知識進行感悟與理解的學習方法[2]。

應用最廣泛的體驗學習理論模型是1984年由庫博提出的四階段循環(huán)模型，又稱為“體驗學習的循環(huán)理論模型”。庫博用四個元素建立起了該模型：具體的體驗、觀察與反思、形成抽象的概念和普遍的原理、在新情境中檢驗概念的意義（如圖 1）。

圖1 體驗學習四階段循環(huán)模型[3]

基于活動的體驗學習模式則通過教師設計的一系列漸進的具有邏輯性、趣味性的活動，使學生在具體情境中結合實踐和反思來獲得知識與技能，具體的教學流程（如圖2）。

圖2 基于活動的體驗學習模式流程

第一階段：教師創(chuàng)設情境，提出問題，學生感知情境，思考問題，帶著問題進入具體的實踐——觀察。

第二階段：學生在教師的指導下，通過教師提供的資源和工具動手操作，在實踐中觀察與反思，并感知情境，發(fā)現(xiàn)一些對后續(xù)學習有用的信息與資源。

第三階段：學生將學習內容抽象成新的觀點和方法，新的概念在頭腦中初步形成。

第四階段：學生自己遇到或由教師提供各種類似的情境，檢驗第三階段形成的想法、觀點、理論和認識。

2.《競速小車》教學案例

學生特征分析：本課教學所面對的是遼寧省某市青少年活動中心的低年級組學生（小學二、三年級居多）。他們的特點是好動，注意力易分散，抽象思維尚未完全建立，但思維活躍，具有強烈的探究欲望，不滿足于對書本知識的簡單死記硬背。在前面的學習中，學生們已經知道了一般機械的組成，知道常見的傳動方式，并且已有使用樂高教學材料的經驗。

教學目標：知識與技能：了解常見齒輪傳動的特點、形式；探究如何通過齒輪傳動結構使機器人加速。過程與方法：通過實踐了解齒輪傳動結構的基本規(guī)律，提高學生應用所學知識解決實際問題的能力；通過小組合作和匯報交流促進學生的協(xié)作探究精神、學習交流能力、語言表達能力以及分析總結能力。情感、態(tài)度與價值觀：對機器人技術有求知的欲望，產生探究科學的勇氣。

活動準備：樂高教育器材、PPT課件、黑膠帶（粘貼跑道）、活動記錄表、秒表等。

活動過程：

環(huán)節(jié)一：情境創(chuàng)設

教師播放F1賽車視頻，請學生談談感興趣的話題，如“你知道在F1中，最快的賽車時速是多少嗎”、“有哪些著名的賽車手”、“F1團隊獲勝的秘訣是什么”等等，進入今天的課題：我們自己設計并搭建一輛電動小車，看什么樣的小車跑得最快?。ò鍟焊偹傩≤嚕?/p>

意圖：通過情境引入本次活動主題。

環(huán)節(jié)二：操作與反思

師：生活中有一些常見的簡單機械可以實現(xiàn)速度的變化，你都知道哪些？

學生思考后回答：滑輪、齒輪。

師：在機器人的設計中，機械結構是完善系統(tǒng)的一個重要因素。在零件盒中老師給大家提供了三種齒輪，請同學們按照實驗記錄的要求，搭建不同齒輪結構的小車，探索齒輪的特性。

學生以小組為單位動手搭建小車，教師讓學生思考：在搭建過程中應該注意什么？

搭建好小車的組可以將電動車放在平直的跑道上，用秒表測試行駛所需要的時間。每次測試前，先估計一個時間，看看實際用時和預估時間是否接近，并將記錄填寫在實驗記錄表中。

實驗記錄表

教師提出四個問題：（1）你們的小車在前進過程中出現(xiàn)了哪些問題？你們是怎么處理的？（2）你們小組哪種組合跑得最快？為什么？（3）誰能總結一下，齒輪傳動結構對速度有哪些影響？（4）轉速相同的情況下，為什么大齒輪帶動小齒輪時的速度會變快呢？

意圖：讓學生對他們看到的或建構的內容進行思考，對方案進行探討、反思并調整他們的看法，同時也通過提問鼓勵學生繼續(xù)探究。

環(huán)節(jié)三：總結與抽象

經過觀察思考，學生得出結論：（1）在傳動中，產生加速的方法就是大齒輪帶動小齒輪，相反，如果需要減速的話，就是小齒輪帶動大齒輪。因為大齒輪牙齒多，它轉動一圈，會帶著小齒輪轉動好幾圈。（2）速度加快的小車反而起步很慢，因為小車起步的剎那馬達需要力量來啟動，所以啟動速度不夠快。

環(huán)節(jié)四：驗證與應用

活動的最后，請學生結合今天活動的內容，發(fā)揮聰明才智，設計爬坡機器人。

師：什么樣的齒輪結構可以使你的機器人小車順利爬上陡坡？在記錄表上畫出你的設計并實踐。

意圖：把孩子們引入一個新的“聯(lián)系”階段，使他們在螺旋式上升的循環(huán)中接受難度不斷增加的挑戰(zhàn)。

3. 總結分析

教學中，學生不僅獲得了與機械、物理知識有關的感知能力，探索了齒輪傳動結構的基本規(guī)律，還在操作與反思階段對不同組合的齒輪進行了“測試—比較—分析”，體現(xiàn)了工程設計的基本思想。對時間的預估以及對小車速度的計算強化了學生的數(shù)學能力，而動手對不同齒輪進行組合和搭配，并檢驗其效果，最后得出加速與減速的搭配規(guī)律，則提高了學生的技術素養(yǎng)?？梢?，在基于活動的體驗學習模式中，學生通過一系列的階段性學習過程獲得了相應的改變，使其有能力再投入到新一輪具體體驗情境中去學習，并再次獲得新經驗。這種模式不僅關注知識與技能的獲得，更關注對實踐過程的總結和反思，形成科學地解決問題的思路，這種模式更適于低年級課外科技活動。

學生經歷了科學研究的所有階段，從關注問題、發(fā)現(xiàn)探索、搜集數(shù)據(jù)、分析歸納、推理篩選到最后利用技術得出研究結論的科學方法，形成一系列科學研究方法，具備工程意識和信息素養(yǎng)，為日后的研究和創(chuàng)新奠定必要的基礎。

當然，隨著STEM到STEAM，將藝術和設計的元素融入其中，將賦予學生作品豐富的表現(xiàn)力。我們將繼續(xù)探索如何在智能機器人教學中培養(yǎng)學生的藝術素養(yǎng)和創(chuàng)意設計能力。

注：本文系2011年全國教育信息技術研究青年課題《中小學智能機器人教育的理論和實踐研究（立項編號：112340246）和遼寧省教育科學“十二五”規(guī)劃2013年度課題《基于虛擬名師工作室的教師發(fā)展共同體研究》（項目編號：JG13CB094）系列研究成果之一。

（作者單位：遼寧沈陽師范大學教育技術學院 遼寧省電化教育館）

參考文獻

1 張劍平，王益.機器人教育： 現(xiàn)狀、問題與推進策略[J] . 中國電化教育， 2006，（12）：65-68.

2 李英.體驗：一種教育學的話語[J] .教育理論與實踐，2001（12）：1-5.

3 Johanrm Steggert Hunsaker，The Experiential Learning Model and the Learning Style lnvcntory：An Assessment of Current Findings，Journal of Experiential Learning and Simulation，NewYork：Eiseivcr North·Holland，lnc.volumn2 number 3 September 1980.