STEM理念下中小學(xué)Arduino機(jī)器人教學(xué)模式研究

林曉曉 王榮榮

摘 要：近年來(lái)，隨著基礎(chǔ)教育的不斷改革，機(jī)器人教育已經(jīng)成為中小學(xué)信息技術(shù)課程中不可缺少的部分，對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力和思維發(fā)展都起到很大的作用。機(jī)器人教育強(qiáng)調(diào)手腦并用，著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，是實(shí)現(xiàn)“制造”大國(guó)邁向“智造”大國(guó)的教育基礎(chǔ)之一。本文對(duì)以STEM理念為指導(dǎo)、以Arduino為平臺(tái)、以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)開(kāi)展的Arduino機(jī)器人教學(xué)模式進(jìn)行了初步研究。

關(guān)鍵詞：STEM Arduino 創(chuàng)意 機(jī)器人

STEM 教育理念是當(dāng)前國(guó)際上頗有影響力的教育思想之一，也是美國(guó)面對(duì)人才競(jìng)爭(zhēng)提出的一項(xiàng)國(guó)家教育戰(zhàn)略，強(qiáng)調(diào)對(duì)科學(xué)、技術(shù)，數(shù)學(xué)和工程四個(gè)領(lǐng)域交叉融合及其運(yùn)用能力。這將對(duì)我國(guó)機(jī)器人教育產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。機(jī)器人教育是一門新生事物，涉及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、傳感器、控制技術(shù)等多領(lǐng)域的交叉學(xué)科，但它因具有培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而迅速崛起。

一、STEM 理念下的 Arduino 機(jī)器人

Arduino 機(jī)器人是一門交叉了多門基礎(chǔ)學(xué)科的綜合性課程，包括數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)、多媒體等，它以多門學(xué)科基礎(chǔ)理論作為前提，符合 STEM 教育的內(nèi)涵。將 STEM 教育理念融入Arduino 機(jī)器人教育中，這不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的STEM 素養(yǎng)，還可以幫助學(xué)生在雜亂無(wú)章的情境中理清頭緒，獲得團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、解決問(wèn)題的能力以及綜合實(shí)踐能力。

通過(guò)合理的教學(xué)方式讓學(xué)生自然地投身于充滿趣味與挑戰(zhàn)的科學(xué)世界，盡情享受“發(fā)現(xiàn)、觀察、摸索、總結(jié)、創(chuàng)新”的整個(gè)過(guò)程，或?qū)Ｗ⒂诖罱ㄗ约旱臋C(jī)器人、或兩人合作檢測(cè)編程后底部車輪運(yùn)轉(zhuǎn)是否合理、或相互討論與比較為什么你用坦克輪而他用大萬(wàn)向輪。當(dāng)他們能順利行走或夾起第一個(gè)小方塊時(shí)，強(qiáng)大的自信與成就感會(huì)源源不斷地轉(zhuǎn)化成自主學(xué)習(xí)的源動(dòng)力。

二、STEM 理念下的 Arduino 機(jī)器人教學(xué)

Arduino 機(jī)器人教學(xué)能夠充分反應(yīng)STEM 教育四要素，代表著不同的學(xué)科綜合體現(xiàn)，其中 S（科學(xué)）為電子電路，物理知識(shí)等，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)科學(xué)概念的應(yīng)用；T（技術(shù)）為 Arduino 程序設(shè)計(jì)，體現(xiàn)人和機(jī)器如何互動(dòng)；E（技術(shù)）為軟件工程，體現(xiàn)技術(shù)世界如何與人類社會(huì)相互作用；M（數(shù)學(xué)）為邏輯判斷，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)應(yīng)用。 STEM 理念下的 Arduino 機(jī)器人教學(xué)充分體現(xiàn)了學(xué)科的綜合性、實(shí)踐性，核心價(jià)值在于對(duì)學(xué)生創(chuàng)造力思維以及實(shí)踐能力的培養(yǎng)。這種價(jià)值的成功與否，關(guān)鍵在于課程體系中教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)模式和教學(xué)方法能否具備創(chuàng)新性。

三、STEM 理念下 Arduino 機(jī)器人教學(xué)模式探索

學(xué)校雖在課時(shí)上保證了Arduino 創(chuàng)意機(jī)器人的開(kāi)展和落實(shí)，且在學(xué)生報(bào)名參加時(shí)也挑選了基礎(chǔ)較好的學(xué)生，但在實(shí)踐操作中卻良莠不齊。首先，任課老師雖然對(duì)Arduino機(jī)器人課程已經(jīng)非常熟悉，但是對(duì)于一些突發(fā)狀況有時(shí)難免不能得心應(yīng)手。其次，對(duì)于學(xué)生，他們對(duì)Arduino機(jī)器人課程本身有很高的興趣，但是一部分學(xué)生缺乏探索的精神，導(dǎo)致后面的作品無(wú)法很好的完成。針對(duì)這些問(wèn)題，我做了深入的分析，并不斷完善課程。在依托省機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的機(jī)器人教學(xué)改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，以學(xué)為中心，采取小組合作項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的方式踐行 STEM 教育理念，培養(yǎng)學(xué)生的全面素質(zhì)。

（一）、跨學(xué)科整合創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目，解決實(shí)際問(wèn)題

STEM 教育注重與現(xiàn)實(shí)世界的聯(lián)系 ，注重學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程，所以我們?cè)跈C(jī)器人教學(xué)采取“項(xiàng)目教學(xué)法”，打破學(xué)科界限，將生活中的實(shí)際問(wèn)題，跨學(xué)科整合出項(xiàng)目，讓學(xué)生動(dòng)手完成他們感興趣的生活中的相關(guān)項(xiàng)目。 在老師的指導(dǎo)下，將一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的項(xiàng)目交由學(xué)生自己處理，信息的收集、方案的設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)施及最終評(píng)價(jià)，都由學(xué)生自己負(fù)責(zé)，學(xué)生通過(guò)該項(xiàng)目的進(jìn)行，了解并把握整個(gè)過(guò)程及每一個(gè)環(huán)節(jié)中的基本要求?！绊?xiàng)目教學(xué)法”最顯著的特點(diǎn)是“以項(xiàng)目為主線、教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體”，注重理論與實(shí)踐相結(jié)合。

以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為主要學(xué)習(xí)方式，學(xué)習(xí)者通過(guò)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)來(lái)完成學(xué)業(yè)，獲得知識(shí)與技能，期間同時(shí)獲得創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)環(huán)境，培養(yǎng)了學(xué)習(xí)者的項(xiàng)目學(xué)習(xí)能力。不僅深化了學(xué)生的項(xiàng)目學(xué)習(xí)能力，而且更加關(guān)注學(xué)習(xí)者創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的課堂里 ， 教師給出的問(wèn)題必須由學(xué)生組成小組來(lái)解決。學(xué)生不需要背誦知識(shí)點(diǎn)，使之在記憶中存留，教師會(huì)為學(xué)生提他們?cè)谔剿鞲鞣N概念以及將這些概念應(yīng)用到實(shí)際的過(guò)程中所需的資源。在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，學(xué)生是被允許甚至是被期待去犯錯(cuò)的。由此，他們變成了主動(dòng)的學(xué)習(xí)者，并且得以培養(yǎng)一些現(xiàn)場(chǎng)技能。當(dāng)然，要想實(shí)現(xiàn)這一切，需要完善的計(jì)劃、足夠的靈活度和一個(gè)可以開(kāi)展團(tuán)隊(duì)協(xié)作的環(huán)境。

（二）、以學(xué)為中心開(kāi)展合作學(xué)習(xí)

以學(xué)為中心，就是以學(xué)生的學(xué)為主，老師的教為輔，對(duì)于機(jī)器人這樣難度的學(xué)科來(lái)說(shuō)， 我們需要合理組建合作學(xué)習(xí)小組，明確每一位小組成員的責(zé)任與要求再加上老師的及時(shí)指導(dǎo)和適時(shí)評(píng)價(jià)，有效開(kāi)展合作學(xué)習(xí)。

合理搭配明確分工開(kāi)展合作學(xué)習(xí)為了保證合作學(xué)習(xí)的有效開(kāi)展，遵循“組內(nèi)異質(zhì)，組間同質(zhì)”的原則進(jìn)行分組。教師及時(shí)指導(dǎo)保證學(xué)習(xí)效果組長(zhǎng)的組織協(xié)調(diào)和小組成員的默契，從根本上保證了學(xué)習(xí)活動(dòng)的健康開(kāi)展，但是教師的及時(shí)指導(dǎo)、適時(shí)評(píng)價(jià)更是學(xué)習(xí)活動(dòng)有效開(kāi)展的保障。 老師提供評(píng)價(jià)的角度和標(biāo)準(zhǔn)，這樣學(xué)生就會(huì)明白自己應(yīng)該朝哪個(gè)方向去學(xué)習(xí)。 還有要對(duì)參與不夠積極合作態(tài)度不夠友好， 不虛心聽(tīng)取他人意見(jiàn)的學(xué)生給予積極引導(dǎo)，保證合作互助學(xué)習(xí)的良好開(kāi)展。

四、結(jié)束語(yǔ)

教學(xué)中，學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)研究所必須的幾個(gè)階段，從發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、思考問(wèn)題、推理篩選，到最后技術(shù)應(yīng)用，形成一套科學(xué)的研究方法，最終形成良好的科學(xué)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、數(shù)學(xué)素養(yǎng)和技術(shù)素養(yǎng)，為日后的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。由此看來(lái)，在機(jī)器人教育中體現(xiàn)STEM 理念是未來(lái)發(fā)展的方向，值得廣大教師認(rèn)真思考和研究。

參考文獻(xiàn)

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