STEM理念下的簡易機(jī)器人教學(xué)研究

秦?fù)Q魚

● STEM教育與機(jī)器人教育

1.STEM教育

STEM教育理念是當(dāng)前國際上頗有影響力的教育思想之一，這一理念強(qiáng)調(diào)科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）四個領(lǐng)域的交叉融合與運(yùn)用。在STEM教育中，科學(xué)素養(yǎng)是重點(diǎn)，是為學(xué)生將來進(jìn)一步從事科學(xué)研究打基礎(chǔ)的；技術(shù)素養(yǎng)和工程素養(yǎng)則是在實(shí)際的社會分工中普遍體現(xiàn)的，它以明顯的應(yīng)用特點(diǎn)為科學(xué)研究提供工具和思路；數(shù)學(xué)素養(yǎng)是STEM教育的基礎(chǔ)，技術(shù)深入、工程論證、科學(xué)推理和建模都需要數(shù)學(xué)作為基礎(chǔ)。[1]

2.簡易機(jī)器人教育

作為高中通用技術(shù)課程的選修模塊，“簡易機(jī)器人制作”課程的開設(shè)成為當(dāng)前中學(xué)進(jìn)行素質(zhì)教育的突破口。有些高中甚至面向全體學(xué)生開設(shè)機(jī)器人課程，讓機(jī)器人教育進(jìn)入課堂，進(jìn)入每位學(xué)生的生活學(xué)習(xí)中。這一活動的綜合性以及知識技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛性，為培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、邏輯思維能力、分析和解決問題的能力、合作能力等提供了良好的平臺。

3.STEM與機(jī)器人教育的整合

STEM教育建立在集成其他學(xué)科知識，并融合成一個新的整體框架的基礎(chǔ)上，它把這一整體的最佳結(jié)合點(diǎn)展現(xiàn)在學(xué)生面前，這也正體現(xiàn)了當(dāng)前機(jī)器人教育的訴求。

STEM理念下的機(jī)器人教學(xué)充分體現(xiàn)了學(xué)科的綜合性、實(shí)踐性，其核心價值在于對學(xué)生創(chuàng)造思維以及實(shí)踐能力的培養(yǎng)（如圖1）。而這種價值的成功與否，關(guān)鍵在于課程體系中教學(xué)設(shè)計、教學(xué)模式和教學(xué)方法是否具備創(chuàng)新性。

● STEM理念下的簡易機(jī)器人教學(xué)活動設(shè)計

STEM理念下的簡易機(jī)器人教學(xué)需要放在“活動”的結(jié)構(gòu)中來實(shí)施課程。而依據(jù)傳統(tǒng)教學(xué)模式開展的機(jī)器人教學(xué)則很少考慮“活動”在整個教學(xué)過程中發(fā)揮的作用。美國國際技術(shù)教育協(xié)會提出了STEM取向的課程架構(gòu)，以工程問題解決為主軸，再輔以技術(shù)（設(shè)計）、數(shù)學(xué)與科學(xué)相關(guān)知識，發(fā)展專題導(dǎo)向的教學(xué)模式，以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)知識整合的能力并激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)工程的興趣。它利用工程設(shè)計的方法把課程中需要學(xué)生掌握的科學(xué)知識和方法集合成具體的項目，通過解決核心問題的活動使學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究以及工程設(shè)計的過程，給學(xué)生呈現(xiàn)的課程任務(wù)是一個需要執(zhí)行產(chǎn)生最終產(chǎn)品的一項或多項任務(wù)，產(chǎn)品可以是一個問題的解決方案、一個模型或者一個成型的設(shè)備，而項目活動的高潮則是一個口頭或者書面形式的產(chǎn)品展示以及具體的活動過程介紹。[2]

基于這一理念，結(jié)合簡易機(jī)器人教學(xué)的實(shí)際需求，在整個活動過程中，教師始終以系統(tǒng)問題解決為中心，通過任務(wù)驅(qū)動，在創(chuàng)設(shè)的情境中明確目標(biāo)，通過活動的實(shí)施與評價，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)問題的解決，STEM理念下的簡易機(jī)器人教學(xué)活動設(shè)計如圖2所示。需要特別說明的是，在情境創(chuàng)設(shè)過程中必須要明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，學(xué)習(xí)目標(biāo)既是教學(xué)活動的起始點(diǎn)，也是教學(xué)活動的最終落腳點(diǎn)，是對學(xué)生參與學(xué)習(xí)活動后，在認(rèn)知知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀領(lǐng)域獲得成長的預(yù)期，同時目標(biāo)的設(shè)計也要能體現(xiàn)學(xué)生對STEM理念學(xué)習(xí)的強(qiáng)調(diào)。例如，在使用超聲波傳感器進(jìn)行感應(yīng)接力的實(shí)際應(yīng)用中，關(guān)于超聲波傳感器的工作原理和程序編寫過程中涉及的分支結(jié)構(gòu)均屬于知識范疇，且前者屬于感知科學(xué)范疇，后者屬于編程技術(shù)領(lǐng)域。具體的設(shè)計過程將通過“機(jī)器人接力賽”的教學(xué)案例進(jìn)行分析。

● “機(jī)器人接力賽”教學(xué)案例

STEM理念下的簡易機(jī)器人教學(xué)，采用項目教學(xué)法實(shí)施教學(xué)，硬件采用Lego mindstorms NXT教育機(jī)器人套件以及配套的可視化編程軟件。學(xué)生在學(xué)習(xí)本項目前已經(jīng)對樂高構(gòu)建有了一定的經(jīng)驗，熟悉了編程軟件的基本操作，并有了使用傳感器的經(jīng)驗。教師可以將班級中的48名學(xué)生分成16個小組，每個小組3名學(xué)生，4個小組作為一個團(tuán)隊參加比賽。

1.活動主題：機(jī)器人接力賽

2.活動目標(biāo)（如右上表）

3.活動設(shè)計

“機(jī)器人接力賽”的任務(wù)將由4臺機(jī)器完成，學(xué)生自主設(shè)計不同角色的機(jī)器人，共同完成機(jī)器人接力，場地如圖3所示，1號機(jī)器人從起點(diǎn)出發(fā)，到達(dá)2號接力點(diǎn)時，1號機(jī)器人停止，2號機(jī)器人前進(jìn)，依次類推，最后4號機(jī)器人在終點(diǎn)處投放物體。

機(jī)器人活動的項目設(shè)計作用在于從活動理論的角度去考慮機(jī)器人教學(xué)活動如何建構(gòu)?？傮w而言，活動設(shè)計包括活動內(nèi)容和活動流程設(shè)計兩部分：活動內(nèi)容的設(shè)計包括對任務(wù)、規(guī)則、分工以及工具等的設(shè)計；活動流程則是對具體活動完成序列的規(guī)定，該序列有助于活動實(shí)施過程的有序組織。

4.活動實(shí)施

（1）情境設(shè)計（10分鐘）。研究階段實(shí)際為對問題的深入理解和界定。教師在該階段引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注運(yùn)動途中的巡線問題以及接力過程的感應(yīng)，給出模擬流水接力的問題情境，將學(xué)生帶入問題。學(xué)生通過《機(jī)器人接力賽任務(wù)說明》以及實(shí)體場地獲得對該任務(wù)的深入理解，以團(tuán)隊討論的方式梳理解決問題的關(guān)鍵點(diǎn)以及可能的解決方案。同時，教師講解關(guān)鍵知識點(diǎn)，如光電傳感器的原理及基本的使用方法等。

（2）活動計劃（10分鐘）。對問題解決的過程進(jìn)行規(guī)劃，包括明確定義問題、對問題解決進(jìn)行任務(wù)的拆解和分工、時間規(guī)劃、資料的收集和整理等。這一階段的重要工作是由小組合作轉(zhuǎn)變?yōu)閳F(tuán)隊合作，不同小組之間要討論不同角色的機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及感應(yīng)前一個或后一個機(jī)器人的方式。

（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計與調(diào)試（60分鐘）。按照任務(wù)要求搭建機(jī)器人并編寫程序代碼，其中包括對相關(guān)知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)過程以及傳感器的應(yīng)用。將載入程序的機(jī)器人放入實(shí)體場地進(jìn)行調(diào)試，對方案中結(jié)構(gòu)搭建或程序編寫方面存在的不足進(jìn)行實(shí)時修正。

（4）比賽總結(jié)（10分鐘）。即任務(wù)完成情況的展示和項目管理過程的報告及講演，以團(tuán)隊為單位演示機(jī)器人在實(shí)體場地中完成接力任務(wù)的全過程，并對團(tuán)隊合作過程進(jìn)行口頭報告。

機(jī)器人課程在培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，在機(jī)器人教育中體現(xiàn)STEM理念也將是未來教育的發(fā)展方向。如何更好地在具體的課程中實(shí)施這一理念，是值得廣大機(jī)器人教育者認(rèn)真思考與研究的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]許松彥.STEM教育視野下的智能機(jī)器人競賽活動實(shí)施[J].中國信息技術(shù)教育，2015（04）.

[2]李楊.STEM教育視野下的科學(xué)課程構(gòu)建[M].金華：浙江師范大學(xué)，2014.

[3]吳秀鳳，陳奕賢.STEM理念下中小學(xué)Arduino機(jī)器人教學(xué)模式研究[J].福建電腦，2015（5）.

[4]王同聚.中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)模式的探索與實(shí)踐[J].教育信息技術(shù)，2014（9）.

基金項目：本文系江蘇省現(xiàn)代教育技術(shù)研究2015年度重點(diǎn)課題“簡易機(jī)器人校本課程的研究與開發(fā)”（課題編號：2015-R-41544）階段性研究成果。