基于STEM的高中機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐

周明龍 汪小慶

[摘 要]STEM教育強(qiáng)調(diào)通過(guò)項(xiàng)目探究和動(dòng)手實(shí)踐解決實(shí)際問(wèn)題將多學(xué)科課程融會(huì)貫通，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)。STEM教育常用的教學(xué)模式之一是基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)。文章結(jié)合機(jī)器人的教學(xué)實(shí)踐，通過(guò) “走黑線(xiàn)簡(jiǎn)易機(jī)器人”教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)，闡明如何開(kāi)展基于設(shè)計(jì)的STEM教育活動(dòng)。

[關(guān)鍵詞]STEM教育；DBL；機(jī)器人

為適應(yīng)信息時(shí)代對(duì)培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的需求，世界各國(guó)開(kāi)始高度重視STEM教育。美國(guó)頒布了《2015年STEM教育法》以保障STEM教育的順利實(shí)施；我國(guó)發(fā)布了實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的第一個(gè)十年行動(dòng)綱領(lǐng)《中國(guó)制造2025》，提出立足國(guó)情，立足現(xiàn)實(shí)，力爭(zhēng)通過(guò)三個(gè)十年的努力，到新中國(guó)成立一百年時(shí)，把我國(guó)建設(shè)成為引領(lǐng)世界制造業(yè)發(fā)展的制造強(qiáng)國(guó)，為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在多年的教學(xué)實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)，基于STEM的機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐被大多數(shù)學(xué)生所接受，特別是在實(shí)際動(dòng)手操作方面，被認(rèn)為是有趣的和值得投入精力的。基于STEM的高中機(jī)器人教學(xué)可以有效提高學(xué)生多學(xué)科知識(shí)的整合能力、實(shí)踐能力、探究能力和創(chuàng)新精神，值得推廣。

一、STEM教育概述

STEM教育是一種基于學(xué)科融合背景的素質(zhì)教育理念，強(qiáng)調(diào)科學(xué)（S）、技術(shù)（T）、工程（E）和數(shù)學(xué)（M）等多學(xué)科的交叉融合而非簡(jiǎn)單相加，強(qiáng)調(diào)通過(guò)多學(xué)科交叉融合形成一個(gè)有機(jī)的科學(xué)的整體，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

STEM教育主要具備如下特征。一是跨學(xué)科性。強(qiáng)調(diào)綜合應(yīng)用多學(xué)科知識(shí)來(lái)提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。二是趣味性。問(wèn)題本身和解決問(wèn)題的過(guò)程都充滿(mǎn)趣味性，從而激勵(lì)學(xué)生不斷探究。三是體驗(yàn)性。強(qiáng)調(diào)學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦參與學(xué)習(xí)過(guò)程，學(xué)生在參與、體驗(yàn)中獲得結(jié)果性知識(shí)，同時(shí)獲得過(guò)程性知識(shí)。四是情境性。STEM教育關(guān)注現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，注重讓學(xué)生在真實(shí)的情境中展開(kāi)學(xué)習(xí)。五是協(xié)作性。要求學(xué)生以小組為單位進(jìn)行有效的合作學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)分享、創(chuàng)造，強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生在協(xié)作、分享中感受快樂(lè)。六是設(shè)計(jì)性。需要進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，進(jìn)而促進(jìn)知識(shí)的融合與遷移。七是實(shí)證性。強(qiáng)調(diào)通過(guò)實(shí)踐認(rèn)識(shí)和理解客觀規(guī)律，基于證據(jù)驗(yàn)證假設(shè)，發(fā)現(xiàn)并得出解決問(wèn)題的方案。

STEM教育的常規(guī)教學(xué)模式是基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)（Project-based Learning，簡(jiǎn)稱(chēng)PBL）和基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)（Design-Based Learning，簡(jiǎn)稱(chēng)DBL）。這兩種教學(xué)模式有許多共同之處，都強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主探究、不斷實(shí)踐和小組協(xié)作。在此，將重點(diǎn)介紹開(kāi)展機(jī)器人教學(xué)時(shí)基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)。

二、基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)

基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)又稱(chēng)為設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)，也是一種基于項(xiàng)目的探究式學(xué)習(xí)。依據(jù)分布式認(rèn)知理論設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)環(huán)境，重點(diǎn)使學(xué)生掌握科學(xué)概念、科學(xué)技能，以及科學(xué)技能的應(yīng)用，使學(xué)習(xí)者共同提高認(rèn)知、社會(huì)、學(xué)習(xí)和交流能力[1]。在實(shí)施基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)時(shí)，可以采用克羅德納（Kolodner）提出的科學(xué)探究式學(xué)習(xí)循環(huán)模型（見(jiàn)圖1）[2]。

三、基于STEM的

“走黑線(xiàn)簡(jiǎn)易機(jī)器人”教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

下面，將結(jié)合案例“走黑線(xiàn)簡(jiǎn)易機(jī)器人”說(shuō)明筆者所在學(xué)校如何在STEM理念下開(kāi)展高中機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)。

1.教學(xué)內(nèi)容分析

學(xué)校依據(jù)國(guó)家課程《簡(jiǎn)易機(jī)器人制作》，結(jié)合本校作為省級(jí)課程基地的條件和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，開(kāi)發(fā)了校本教材《樂(lè)高EV3一本通》，重點(diǎn)內(nèi)容包括：走直線(xiàn)簡(jiǎn)易機(jī)器人、能拐彎的簡(jiǎn)易機(jī)器人、走黑線(xiàn)簡(jiǎn)易機(jī)器人、迷宮搬運(yùn)機(jī)器人。每個(gè)教學(xué)內(nèi)容3課時(shí)。

2.學(xué)生特征分析

隨著人工智能的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，學(xué)生對(duì)機(jī)器人已經(jīng)不陌生。但他們對(duì)機(jī)器人的本質(zhì)了解得不多，在開(kāi)始學(xué)習(xí)機(jī)器人校本課程前，幾乎沒(méi)有學(xué)生親自搭建過(guò)機(jī)器人。而在知識(shí)儲(chǔ)備方面，高中學(xué)生通過(guò)物理、數(shù)學(xué)等學(xué)科的學(xué)習(xí)，已經(jīng)掌握了運(yùn)動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)建模等方面的基礎(chǔ)知識(shí)；在信息技術(shù)課程中也逐步掌握了基本的信息處理方法，對(duì)計(jì)算機(jī)編程有初步的了解，掌握了程序的基本結(jié)構(gòu)、基本邏輯命令，對(duì)于圖形化編程也已經(jīng)比較熟悉；通過(guò)之前的“走直線(xiàn)簡(jiǎn)易機(jī)器人”“能拐彎的簡(jiǎn)易機(jī)器人”兩個(gè)項(xiàng)目，學(xué)生基本掌握了機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、簡(jiǎn)單程序設(shè)計(jì)，有相關(guān)的知識(shí)儲(chǔ)備。

3.任務(wù)分析

學(xué)生對(duì)樂(lè)高機(jī)器人有了初步的認(rèn)識(shí)，能讓機(jī)器人走直線(xiàn)，也能讓機(jī)器人轉(zhuǎn)彎。設(shè)計(jì)走黑線(xiàn)簡(jiǎn)易機(jī)器人的任務(wù)重點(diǎn)在于怎樣在機(jī)器人身上應(yīng)用光感傳感器。其難點(diǎn)有三個(gè)：一是光感傳感器的正確使用；二是走黑線(xiàn)的策略選擇，采取不同策略所使用的光感傳感器的個(gè)數(shù)不一樣，搭建形狀也有差異；三是光值的確定，學(xué)生之前對(duì)于傳感器的原理、構(gòu)造、特征、用途等不夠了解。因此任務(wù)具有一定的挑戰(zhàn)性。

4.STEM整合目標(biāo)

結(jié)合三維教學(xué)目標(biāo)，對(duì)設(shè)計(jì)走黑線(xiàn)簡(jiǎn)易機(jī)器人的目標(biāo)任務(wù)進(jìn)行分析與整合（見(jiàn)表1）。

5.基于STEM的教學(xué)實(shí)施過(guò)程

在“走黑線(xiàn)簡(jiǎn)易機(jī)器人”的教學(xué)實(shí)施中，共經(jīng)歷了13個(gè)教學(xué)階段，每一階段都對(duì)應(yīng)了不同的設(shè)計(jì)意圖、學(xué)生行為與教師行為（見(jiàn)表2）。

6.教學(xué)總結(jié)

走黑線(xiàn)簡(jiǎn)易機(jī)器人的設(shè)計(jì)與之前的走直線(xiàn)機(jī)器人和能拐彎的機(jī)器人相比，增加了任務(wù)難度。學(xué)生在掌握機(jī)器人基本知識(shí)的基礎(chǔ)上，能夠設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單機(jī)器人了。走黑線(xiàn)簡(jiǎn)易機(jī)器人教學(xué)的目的是要學(xué)生學(xué)會(huì)如何選擇合適的走黑線(xiàn)策略，掌握檢測(cè)不同顏色的光值和編寫(xiě)復(fù)雜程序的方法。

在教學(xué)過(guò)程中，主要采用了基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)方式。教師只是布置并確保學(xué)生理解任務(wù)，任務(wù)的完成則由學(xué)生自己探索，并從中學(xué)習(xí)新知識(shí)?？偟倪^(guò)程為：教師提出挑戰(zhàn)性問(wèn)題——學(xué)生通過(guò)多種途徑學(xué)習(xí)、組內(nèi)討論——學(xué)生填寫(xiě)設(shè)計(jì)日志——學(xué)生展示與分享經(jīng)驗(yàn)——學(xué)生記錄經(jīng)驗(yàn)法則——學(xué)生小組展示作品，相互評(píng)價(jià)，按照這一過(guò)程循環(huán)往復(fù)，直到成功。其中“記錄經(jīng)驗(yàn)法則”環(huán)節(jié)非常重要，學(xué)生要總結(jié)并記錄成功的經(jīng)驗(yàn)，形成法則，這樣獲得的知識(shí)和能力才會(huì)印象深刻，難以忘記，而且有利于展示分享。例如，在本課中，不同探究小組所選擇的走黑線(xiàn)策略都不盡相同，使用的光感個(gè)數(shù)也不一樣，有用兩個(gè)光感的，也有用三個(gè)光感的，編寫(xiě)的程序也不相同，體現(xiàn)出多樣性與創(chuàng)造性。

四、反思與展望

筆者通過(guò)長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：基于STEM教育理念，采用基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)開(kāi)展高中機(jī)器人教學(xué)，不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生的課堂參與程度，提高學(xué)生的動(dòng)手能力、編程能力和探究能力，而且能激發(fā)學(xué)生打破學(xué)科界限，充分運(yùn)用已有經(jīng)驗(yàn)和所學(xué)知識(shí)，運(yùn)用科學(xué)的思想、工程的理念、數(shù)學(xué)的思維來(lái)解決問(wèn)題，創(chuàng)造性地完成設(shè)計(jì)任務(wù)。學(xué)生在這一過(guò)程中能夠化被動(dòng)為主動(dòng)，通過(guò)積極合作與不斷反思總結(jié)，建構(gòu)自己的知識(shí)體系，體驗(yàn)成功的快樂(lè)。

筆者通過(guò)對(duì)具體教學(xué)實(shí)施過(guò)程的反思，總結(jié)了以下經(jīng)驗(yàn)。一是設(shè)計(jì)任務(wù)要具有可行性，要是學(xué)生感興趣的，與生活中遇到的問(wèn)題相關(guān)。二是要提供支架幫助學(xué)生完成探究。如可以提供素材包、適合的網(wǎng)站等供學(xué)生自主學(xué)習(xí)，要促進(jìn)師生和生生間的交流。三是分組要科學(xué)。最好是組內(nèi)異質(zhì)、組間同質(zhì)，這樣既可以促進(jìn)組內(nèi)同學(xué)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、共同進(jìn)步，又可以使得組間競(jìng)爭(zhēng)更具公平性，有效激發(fā)學(xué)生動(dòng)力，不斷取得進(jìn)步。四是要以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)。教師應(yīng)該是挑剔的“食客”，不斷向“廚師們”提出新的要求；教師應(yīng)該是貼心的“保姆”，不斷呵護(hù)并激勵(lì)學(xué)生的上進(jìn)心；教師應(yīng)該是大方的長(zhǎng)輩，不斷向求知的學(xué)生提供幫助。

在今后的教學(xué)中，還要進(jìn)一步完善機(jī)器人校本課程，進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)方案和流程，爭(zhēng)取在STEM理念下，采用項(xiàng)目式、設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)等方式，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)整合應(yīng)用的意識(shí)、不斷探索反思的意識(shí)、合作探究的能力，從而提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

[1]Kolodner J L， Camp P J， Crismond D， et al. Problem-based learning meets case-based reasoning in the middle-school science classroom： Putting learning by design （tm） into practice[J]. The Journal of the Learning Sciences， 2003， 12（4）： 495-547.

[2]張君瑞.“基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)（DBL）”理論與實(shí)踐探索[D].揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2011.

（責(zé)任編輯 郭向和）