基于STEM理念的小學(xué)機(jī)器人教學(xué)

袁　慶

（江蘇省南通市郭里園新村小學(xué)，江蘇南通　226001）

引　言

STEM是“科學(xué)·技術(shù)·工程·數(shù)學(xué)”英文首字母的組合，旨在將原本分散的科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)四課程集合成一個(gè)新的整體。作為融合機(jī)械、電子、自動(dòng)化、材料和計(jì)算機(jī)技術(shù)等各學(xué)科知識的智能機(jī)器人教學(xué)，是發(fā)展學(xué)生STEM素養(yǎng)的重要載體。在小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生了解機(jī)器人的內(nèi)部構(gòu)造、功能及應(yīng)用狀況，讓學(xué)生動(dòng)手搭建機(jī)器人、編寫機(jī)器人程序、設(shè)計(jì)機(jī)器人行動(dòng)策略，等等。通過機(jī)器人教學(xué)，培育學(xué)生STEM素養(yǎng)。

一、構(gòu)筑開放式活動(dòng)平臺，豐厚機(jī)器人教學(xué)資源

機(jī)器人平臺是開展機(jī)器人教學(xué)的基礎(chǔ)，不同品牌的機(jī)器人有著不同的編程軟件[1]。在小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)中，“學(xué)生機(jī)器人平臺”軟件是眾多機(jī)器人編程軟件中的一種。機(jī)器人平臺通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將機(jī)器人設(shè)計(jì)、應(yīng)用進(jìn)行高度的三維仿真，用以模仿三維世界中的場景、行為、運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)。小學(xué)信息技術(shù)中的機(jī)器人教學(xué)主要包括“機(jī)器人行走”“機(jī)器人循光”“機(jī)器人沿線行走”等內(nèi)容。通過傳感器、控制器、驅(qū)動(dòng)器等，模擬不同的物理參數(shù)，形成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而為學(xué)生創(chuàng)設(shè)逼真的學(xué)習(xí)情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人的興趣。

以蘇科版小學(xué)六年級信息技術(shù)教材為例，虛擬機(jī)器人的教學(xué)遵循從易到難、由簡到繁的編排特質(zhì)。比如“機(jī)器人沿線行走”就是在“機(jī)器人行走”教學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，“機(jī)器人機(jī)械手”“掃地機(jī)器人”“機(jī)器人滅火”等就是在“機(jī)器人沿線行走”基礎(chǔ)上進(jìn)行教學(xué)的。以教學(xué)“機(jī)器人機(jī)械手”為例，在教學(xué)中，筆者設(shè)置了多維度的學(xué)習(xí)任務(wù)，包括機(jī)械手的知識結(jié)構(gòu)、機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)械手的用途、機(jī)械手的搭建過程等。其教學(xué)重點(diǎn)是機(jī)械手的搭建過程。在信息技術(shù)教學(xué)中，筆者將這些方面用思維導(dǎo)圖的形式呈現(xiàn)，讓學(xué)生進(jìn)行菜單式選擇，鼓勵(lì)學(xué)生按照每一個(gè)菜單流程進(jìn)行自主建構(gòu)，讓學(xué)生不斷挑戰(zhàn)自我，不斷實(shí)現(xiàn)自己的學(xué)習(xí)目標(biāo)。這個(gè)創(chuàng)新性的實(shí)踐平臺，賦予了學(xué)生充分的自主權(quán)，讓學(xué)生主動(dòng)地進(jìn)行程序編寫。

在建設(shè)開放型的機(jī)器人活動(dòng)平臺過程中，我們逐步形成了硬件、軟件、環(huán)境、資源與平臺五位一體同步發(fā)展的格局，即一個(gè)自由開放、功能豐富的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)窗口、一個(gè)能滿足學(xué)生動(dòng)手和創(chuàng)新需求的智能機(jī)器人課程、一支研究智能機(jī)器人教學(xué)的教師專業(yè)隊(duì)伍以及一群對智能機(jī)器人感興趣的學(xué)生。這些教師和學(xué)生是有志于研究機(jī)器人的探索者、實(shí)踐者，也是信息技術(shù)學(xué)習(xí)的愛好者。

二、展開整合式項(xiàng)目學(xué)習(xí)，引領(lǐng)機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐

亞格爾認(rèn)為，STEM的教學(xué)策略是以建構(gòu)主義為基礎(chǔ)。在機(jī)器人教學(xué)中，教師要樹立“生本教學(xué)”理念，以學(xué)生“學(xué)”為主，教師“教”為輔，充分發(fā)掘?qū)W生的設(shè)計(jì)、創(chuàng)造潛質(zhì)，讓學(xué)生成長為信息技術(shù)創(chuàng)客[2]。要打破學(xué)科界限，將機(jī)器人教學(xué)問題與學(xué)生生活中的問題進(jìn)行對接，助推學(xué)生學(xué)習(xí)理解；讓學(xué)生在親身經(jīng)歷機(jī)器人學(xué)習(xí)的過程中，通過觀察、思考、合作、探究等實(shí)踐活動(dòng)，進(jìn)行體驗(yàn)性項(xiàng)目學(xué)習(xí)。依托教材，教師可以創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目，比如愛唱歌的學(xué)生（機(jī)器人發(fā)聲音）、可愛的小兔（機(jī)器人行走），等等。通過這些別具特色的項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人基礎(chǔ)知識。

在整合式項(xiàng)目教學(xué)中，我們逐漸形成了一個(gè)個(gè)學(xué)習(xí)架構(gòu)，比如“開放型的學(xué)習(xí)架構(gòu)”“反思型的學(xué)習(xí)架構(gòu)”“合作型的學(xué)習(xí)架構(gòu)”等。例如，促發(fā)型的學(xué)習(xí)架構(gòu)，以“機(jī)器人行走”學(xué)習(xí)為例，我們設(shè)置了不同難度的行走路線：圓形軌道、六邊形軌道、Z字形軌道、特殊型軌道等，通過難度系數(shù)的增加，不斷開掘?qū)W生的探究力。再比如反思型的學(xué)習(xí)架構(gòu)，我們以“機(jī)器人傳動(dòng)”為例，其學(xué)習(xí)內(nèi)容主要是認(rèn)識三種傳動(dòng)方式，即皮帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)。在教學(xué)中，為了促進(jìn)學(xué)生的理解，我們將機(jī)器人傳動(dòng)與學(xué)生生活中的傳動(dòng)進(jìn)行類比，比如縫紉機(jī)的皮帶傳動(dòng)、自行車的鏈傳動(dòng)等。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用反思思維，創(chuàng)造具有自我個(gè)性特征的傳動(dòng)作品，以此達(dá)到學(xué)生智能機(jī)器人學(xué)習(xí)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)目的。

對于小學(xué)生而言，學(xué)習(xí)機(jī)器人存在一定的難度。在教學(xué)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行合作學(xué)習(xí)，在合作中既能享受到競技中的成就感，也能享受到團(tuán)結(jié)協(xié)作的快樂。如在“掃地機(jī)器人”的程序編寫過程中，我們讓各小組的學(xué)生分任務(wù)編寫，有的編寫機(jī)器人沿線行走的程序，有的編寫掃地動(dòng)作的程序，有的編寫停止掃地的程序。這樣，彼此之間既有競爭又有合作。學(xué)生在學(xué)習(xí)中感受到快樂。

三、創(chuàng)建俱樂部活動(dòng)團(tuán)隊(duì)，延伸機(jī)器人學(xué)習(xí)探究

在機(jī)器人教學(xué)中，學(xué)生中涌現(xiàn)了一批機(jī)器人迷，他們不滿足于課堂中的有限學(xué)習(xí)，常常聚集在一起，形成一個(gè)個(gè)非正式群體。這是有著共同志趣的共同體?；诖耍P者在教學(xué)實(shí)踐中，創(chuàng)建了機(jī)器人俱樂部，助推學(xué)生機(jī)器人研究向深度發(fā)展。從本質(zhì)上看，STEM教育是面向世界、面向未來的。從這個(gè)意義上說，在小學(xué)信息技術(shù)機(jī)器人教學(xué)中，成立俱樂部活動(dòng)團(tuán)隊(duì)，將機(jī)器人的研究向課外拓展，是STEM教育的應(yīng)然要求。

例如，機(jī)器人俱樂部團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)以團(tuán)隊(duì)為單位，進(jìn)行“機(jī)器人接力賽”。學(xué)生設(shè)計(jì)不同角色的機(jī)器人，讓機(jī)器人完成接力。在這個(gè)過程中，學(xué)生要研究光電傳感器的原理及其基本使用方法，掌握黑線、白線光感值的測量方法；要制訂計(jì)劃，討論不同角色的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及感應(yīng)前一個(gè)或后一個(gè)機(jī)器人的方式，根據(jù)機(jī)器人在團(tuán)隊(duì)中的作用設(shè)計(jì)流程；要理解分支結(jié)構(gòu)原理以及接力行為的觸發(fā)條件；要掌握不同機(jī)器人的結(jié)構(gòu)搭建技巧；要理解光電傳感器在不同發(fā)光模式下對測量黑白線光感值的影響，等等。這里面有物理機(jī)械知識（科學(xué)），有系統(tǒng)工程思想（工程），有程序設(shè)計(jì)編程（技術(shù)），有邏輯思維判斷（數(shù)學(xué)），等等。顯然，這是一個(gè)綜合性的、富有挑戰(zhàn)性的研究項(xiàng)目，集中體現(xiàn)了STEM的教育思想。機(jī)器人俱樂部團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難，彼此發(fā)揮協(xié)作精神，共同完成了機(jī)器人的接力賽。這種綜合性的機(jī)器人項(xiàng)目研究，在培育學(xué)生的STEM素養(yǎng)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。因此，如何更好地運(yùn)用機(jī)器人俱樂部團(tuán)隊(duì)，發(fā)展學(xué)生的STEM素養(yǎng)，是信息技術(shù)教師必須思考和研究的問題。

STEM視野下的機(jī)器人教學(xué)是未來機(jī)器人教學(xué)的發(fā)展方向。STEM理念下的機(jī)器人教學(xué)充分體現(xiàn)了信息技術(shù)學(xué)科的綜合性、實(shí)踐性。其核心是培育學(xué)生的創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力[3]。只要在教學(xué)中喚醒學(xué)生機(jī)器人學(xué)習(xí)的興趣，激發(fā)學(xué)生的靈感，學(xué)生就能體驗(yàn)到機(jī)器人課程的獨(dú)特魅力而樂此不疲。

結(jié)　語

STEM理念下的機(jī)器人教學(xué)是面向未來、面向創(chuàng)新的教學(xué)。其基本的思想、理念是創(chuàng)客教育理念。其基本的方法是融合與跨界。但機(jī)器人課程尤其是綜合性、創(chuàng)新性課程的實(shí)施過程中，有時(shí)會受到器材、知識和技能水平等方面的制約，以至于讓學(xué)生的創(chuàng)意無法落地。因此，教師要根據(jù)實(shí)際條件，搭建框架，為學(xué)生開展機(jī)器人綜合性學(xué)研活動(dòng)提供智力支撐和實(shí)踐保障。