基于樂高機(jī)器人的STEM教學(xué)設(shè)計與實施

華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院(200062) 姜浩哲

香港大學(xué)教育學(xué)院(999077) 李 潔

1 引言

STEM是Science(科學(xué))、Technology(技術(shù))、Engineering(工程)和Mathematics(數(shù)學(xué))四門學(xué)科英文首字母的縮寫，許多研究表明基于項目或問題開展融合的STEM教育能有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、內(nèi)在動力，增強(qiáng)學(xué)生探究樂趣、創(chuàng)新能力。隨著信息技術(shù)和人工智能的快速興起，基于計算機(jī)編程和機(jī)器人的教學(xué)活動因?qū)W科交融性、實踐操作性而被認(rèn)為是開展STEM教育的重要途徑之一。有鑒于此，我們以樂高機(jī)器人為載體，從ADDIE模型出發(fā)對STEM教學(xué)活動內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計和實施。

2 教學(xué)設(shè)計

關(guān)于樂高EV3(LEGO Mindstorms EV3)進(jìn)行STEM教學(xué)國外早有研究，如美國普林斯頓走讀學(xué)校(Princeton Day School)就曾對1至12年級學(xué)生應(yīng)用樂高EV3進(jìn)行教學(xué)并評估了不同階段學(xué)生STEM技能發(fā)展水平。這是一款可被拼砌、編程和遙控的智能機(jī)器人，能通過ROBOLAB等編程軟件的模塊化形式將程序直接導(dǎo)入其中。在培養(yǎng)學(xué)生計算思維，信息技術(shù)核心素養(yǎng)時，教師應(yīng)注重任務(wù)驅(qū)動、強(qiáng)調(diào)自主學(xué)習(xí)。根據(jù)樂高EV3的三大主要功能，教師在教學(xué)中能相應(yīng)地以主題活動的形式要求學(xué)生完成任務(wù)“三部曲”：設(shè)計組裝或拼砌機(jī)器人、學(xué)習(xí)和使用簡單的編程語言為機(jī)器人制定一系列動作、在機(jī)器人執(zhí)行程序時適時遙控調(diào)整。在此過程中，學(xué)生能在任務(wù)驅(qū)動下或通過教師講解、或通過合作探究獲得STEM知識和素養(yǎng)，表1展示了STEM教學(xué)活動任務(wù)清單。值得一提的是，教學(xué)活動相關(guān)的STEM知識和素養(yǎng)內(nèi)容可以根據(jù)學(xué)生學(xué)段進(jìn)行適當(dāng)選擇和調(diào)整。例如，在“主題活動前奏：小小工程師”環(huán)節(jié)中，小學(xué)階段教師在展示相應(yīng)機(jī)械手臂圖片時可能只是簡單地向?qū)W生介紹杠桿原理，而初中階段教師則可以要求學(xué)生進(jìn)行定量計算。在“主題活動高潮：智慧規(guī)劃師”環(huán)節(jié)中，小學(xué)階段教師僅要求根據(jù)測量與統(tǒng)計的結(jié)果簡單比較每完成1個區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ內(nèi)的杯子載貨任務(wù)得分與所耗時間的比值，高中階段教師則可以介紹運(yùn)籌學(xué)的相關(guān)知識，并要求學(xué)生考慮“一次性成功載貨”的概率。從這個意義上說，主題活動任務(wù)的難度是可選擇的，教學(xué)設(shè)計具有較好的靈活性和較廣的適用性。

表1 STEM教學(xué)活動任務(wù)清單

在常規(guī)教學(xué)中，學(xué)生可能會認(rèn)為STEM理論知識十分乏味，但是通過主題建構(gòu)實現(xiàn)任務(wù)驅(qū)動，學(xué)生為了能在十分感興趣的實踐性環(huán)節(jié)中大顯身手，學(xué)習(xí)情感和學(xué)習(xí)態(tài)度必然就“非同往日”，教學(xué)效果不言而喻。

3 教學(xué)實施

在系統(tǒng)化教學(xué)中ADDIE模型常被廣泛應(yīng)用，主要包括分析(Analysis)、設(shè)計(Design)、開發(fā)(Develop)、執(zhí)行(Implement)和評估(Evaluate)5個環(huán)節(jié)。我們將ADDIE模型作為研究的理論基礎(chǔ)，結(jié)合基于樂高機(jī)器人的教學(xué)設(shè)計，提出表2中的教學(xué)實施流程，并對上海市中遠(yuǎn)實驗學(xué)校六年級兩個班級共計89(男生47名，女生42名)名學(xué)生進(jìn)行了教學(xué)實踐。

表2 ADDIE模型教學(xué)實施流程

課前調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，17%學(xué)生在教學(xué)之前已經(jīng)對機(jī)器人有所接觸，11%的學(xué)生學(xué)習(xí)和了解過計算機(jī)編程。對于70%以上的學(xué)生，基于機(jī)器人的STEM內(nèi)容是十分陌生的。但調(diào)查同時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)提及“STEM”“機(jī)器人”“編程”等詞語時，38.2%的學(xué)生表示感興趣，21.3%的學(xué)生明確表示不感興趣。

課前的學(xué)生調(diào)查情況并不理想，為此對已有的教學(xué)設(shè)計做了適當(dāng)調(diào)整。首先，考慮到大部分學(xué)生對相關(guān)內(nèi)容毫無理論基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗，我們增加了教師人數(shù)，在每個班級的教學(xué)中均安排了5位教師，其中一位教師負(fù)責(zé)基本知識講授，三位教師負(fù)責(zé)在學(xué)生操作過程中答疑，還有一位教師負(fù)責(zé)學(xué)生設(shè)計、比賽結(jié)果的評價，師生比控制在1∶9以內(nèi)。其次，結(jié)合學(xué)生基礎(chǔ)情況和興趣水平，進(jìn)一步降低了教學(xué)設(shè)計部分理論和實踐環(huán)節(jié)的難度，以適應(yīng)六年級學(xué)生的學(xué)情。第三，補(bǔ)充開發(fā)了“學(xué)生學(xué)習(xí)單”“搶杯子大賽地圖”“設(shè)計師手冊”等電子資源和紙質(zhì)卡片，進(jìn)一步增加趣味性、新穎性。

教學(xué)實施中，教師以啟發(fā)式教學(xué)為主，注重引導(dǎo)學(xué)生探索、創(chuàng)新、總結(jié)，同時運(yùn)用了較多元認(rèn)知提示語，如“你認(rèn)為還有什么可以改進(jìn)的地方”、“你們兩位同學(xué)的測量結(jié)果相差較大，你認(rèn)為僅僅測量一次能代表準(zhǔn)確結(jié)果嗎”等。但是在教學(xué)實施也存在部分問題，例如在學(xué)生完成取貨挑戰(zhàn)任務(wù)的過程中，出現(xiàn)機(jī)器人行駛至載貨區(qū)域放下手臂后不再運(yùn)動的現(xiàn)象，而學(xué)生的編程其實并沒有問題，這是因為學(xué)生將控制中型電機(jī)的模塊設(shè)置時間過長，中型電機(jī)無法向上或向下運(yùn)動而致使程序出現(xiàn)了卡頓。教師未在備課環(huán)節(jié)考慮到這一情況并在教學(xué)中提前做出引導(dǎo)，使得部分學(xué)生未能成功完成取貨任務(wù)。

課后評估問卷顯示，80%的學(xué)生表示對本堂課的學(xué)習(xí)內(nèi)容感興趣，其中47.2%的學(xué)生表示十分有興趣，僅有3.4%的學(xué)生表示不感興趣，這一結(jié)果與課前測試相比變化顯著。究其原因，大部分學(xué)生認(rèn)為基于樂高機(jī)器人的STEM課程新穎、有趣，且教學(xué)中的程序設(shè)計環(huán)節(jié)提升了自己的想象力、創(chuàng)造力。也有學(xué)生認(rèn)為機(jī)器人能完全按照自己設(shè)計的路線行駛，很有成就感。同時，還有86.5%學(xué)生表示認(rèn)同這種在教師引導(dǎo)下的學(xué)習(xí)探究和交流合作活動。

4 教學(xué)啟示

4.1 規(guī)范教學(xué)實施，聚焦核心素養(yǎng)

ADDIE模型是近年來開展教學(xué)實施的重要范例，其注重學(xué)情分析、效果評估，有利于針對性地開展教學(xué)，促進(jìn)教師專業(yè)發(fā)展。在ADDIE模型框架下分析、設(shè)計、開發(fā)、執(zhí)行和評估的5個階段中，我們特別聚焦學(xué)生的核心素養(yǎng)，尤其是以計算思維為代表的多學(xué)科核心素養(yǎng)。一方面，智能計算思維是數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)的重要組成部分，我國《義務(wù)教育階段數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》中就明確指出，數(shù)學(xué)與計算機(jī)技術(shù)的結(jié)合在許多方面直接為社會創(chuàng)造價值，推動著社會生產(chǎn)力的發(fā)展。另一方面，計算思維也是信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分。此外，5個階段均注重在學(xué)生問題解決過程中培養(yǎng)學(xué)生協(xié)作能力、交流能力、創(chuàng)新能力、探究能力等核心素養(yǎng)。例如，教學(xué)設(shè)計中建構(gòu)三大主題活動，教學(xué)實施中運(yùn)用啟發(fā)式教學(xué)法，教學(xué)評估中總結(jié)學(xué)生興趣變化原因等。

4.2 巧設(shè)任務(wù)主題，注重學(xué)科融合

任務(wù)驅(qū)動式學(xué)習(xí)是近年來開展STEM教育教學(xué)的有效載體，但在任務(wù)主題的設(shè)置時，應(yīng)注重任務(wù)的多元性、層次性，STEM教育教學(xué)任務(wù)目標(biāo)不僅應(yīng)融合多學(xué)科知識和素養(yǎng)，有利于提升學(xué)生跨學(xué)科能力發(fā)展，還應(yīng)具有良好的層次性，不同學(xué)生能對主題活動任務(wù)的難度進(jìn)行選擇，從而達(dá)到“人人可學(xué)、人人樂學(xué)”的效果。