將競賽任務轉化為教育任務
——基于STEM理念的初中機器人教學設計研究

(江蘇省揚州中學教育集團樹人學校，江蘇 揚州 225001)

1 研究背景

“中國智造”要求培養(yǎng)出更多自主創(chuàng)新型人才，以增加中國未來工業(yè)發(fā)展的核心競爭力。智能機器人因為其包含機械原理、程序設計、神經元網絡等知識的綜合性，被教育主管部門認定為是培養(yǎng)學生綜合創(chuàng)新能力的重要內容，安排進了各教育階段的信息技術課程之中。

目前初中機器人教學活動在各級教育主管部門的支持下，正在形成企業(yè)主導、學校參與的教育教學模式。學校購買企業(yè)產品進行機器人教育，教師通過組織學生參與系列機器人競賽，使用任務驅動的方式調動學生的積極性，組織學生研究如何解決競賽任務，教育教學活動都是圍繞競賽任務展開，難以做到將機器人教育與其他學科知識相融合，達不到教育主管部門通過推廣機器人教育培養(yǎng)綜合創(chuàng)新人才的期望。

《教育信息化“十三五”規(guī)劃”》中明確指出：信息技術課應探索STEM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式，使學生具有較強的信息意識與創(chuàng)新意識。筆者所在學校是江蘇省第一批STEM項目試點校，學校開展了多種基于STEM理念的校本課程，STEM教育理念中的學科綜合、工程問題導入、科學探究素養(yǎng)培養(yǎng)等都非常契合機器人教育?；赟TEM理念，針對現(xiàn)有的機器人教育缺乏學生科學素養(yǎng)培養(yǎng)、缺乏學科融合的問題，筆者利用校本課程進行了探索，找尋適合初中生的機器人課程設計思路，增加機器人教育中學科知識綜合利用的環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)。

2 研究內容

2.1 提升學生科學探究素養(yǎng)

探索“輪胎差速對智能小車轉彎半徑的影響”的競賽任務為：測量輪胎半徑、輪胎速度，計算內輪轉彎半徑與外輪轉彎半徑。為了更快得出結論去完成競賽任務，很多老師選擇直接告知學生：“差速越大，半徑越小”。筆者在研究初期嘗試將實驗的小車標準化，數據由教師提供，學生只需填寫表格中的空白部分，觀察并得出結論。這樣的環(huán)節(jié)雖然能鞏固數學中曲線長度和物理中速度知識，但如果換成同樣是探究曲線長度的“機械臂轉動幅度與動力齒輪比”問題，學生又無從下手，不清楚探索這樣的問題需要什么數據，如何去獲取這些數據，怎么去設計表格記錄數據，更別提用數學、物理、化學等學科知識去處理這些數據，得出相應的結論了。這樣一來，雖然看似學科知識得到了融合，實質上卻沒有培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力與科學探究素養(yǎng)，學生沒有真正達到自發(fā)地去融合學科知識的目標。

分析對實驗可能造成影響的數據、分析自變量和因變量、設計實驗表格、測量并記錄實驗數據，這些是STEM理念所要求學生具備的科學探究能力，對于初中生而言比較陌生。他們剛從比較直觀的科學探究中步入定性、定量更為嚴謹的科學探究里，在現(xiàn)有教學體系里，科學探究素養(yǎng)的系統(tǒng)培養(yǎng)起始于初二的物理與初三的化學，而這種科學探究素養(yǎng)恰恰是機器人教育中學科融合的基石。

在機器人課程設計中，筆者嘗試設計了四到五個課時的內容，通過一些生活中的案例分析去培養(yǎng)學生的科學探究素養(yǎng)，先不讓學生接觸機器人器材，避免學生將關注的重點轉移到機器人的設計上。而是教會學生碰到這些問題時，應該怎樣去思考與分析，怎樣去討論解決問題的方案，制作出自己的科學探究手冊，再結合現(xiàn)有的知識儲備和機器人器材，去研究如何達到自己手冊中的要求：應該怎么樣去設計機器人？會用到哪些結構？選擇什么尺寸的材料？通過解決他們在探索中的疑問，達到擴展其他學科知識的目的。

2.2 借用競賽任務擴展學科知識

筆者在研究初期通過開設單獨的機器人課程，期望根據STEM理念，自行設計實際問題來導入其他學科的知識，比如通過設計“古代拋石機設計及性能分析”引入物理知識，學生合作探討、設計，使用機器人套件完成更為精準的拋物機器人。這樣的課程設計雖然課時較多，占用了機器人競賽的時間，但是教學效果比較理想，學生的能力得到了提高。

筆者經過多年機器人競賽教學觀察，發(fā)現(xiàn)準備競賽任務時學生積極性高、專注度強，思維活躍度比在傳統(tǒng)課堂教學中高，將其他學科的知識融入到競賽任務解決過程中去，學生會更加積極主動地去學習背景知識，顯著提高了知識的學習效率，學生也能理解這些理論知識在實際問題中的應用方式。且通過反復的競賽設計與調試，學生對于這些知識的遺忘周期和靈活應用的程度比單獨開設一門課程要好。

在研究中期開始對各類機器人競賽任務的解決方案進行統(tǒng)計與分析，結合初中物理、數學教材，整理并設計了包括三角函數、橢圓計算公式、角速度和線速度計算、牛頓運動定律、勢能等知識點的機器人編程算法和結構設計課程，每年根據當年的機器人競賽任務，將這些課程應用到相應的任務解決方案中，讓學生在探究競賽解決方案的同時，學習并鞏固其他學科知識，利用機器人教育達到學科知識融合、強化應用的目的。

2.3 建立過程性評價體系

目前機器人教育中的評價還不完善，學校評價機器人教育工作成功與否的標準大多傾向于競賽獎項。在STEM注重過程性評價、強調建立過程性評價體系的理念引領下，筆者將機器人課程目標定于培養(yǎng)學生自主設計、完成機器人競賽任務的創(chuàng)新能力上，要求學生依照《STEM學生手冊》，設計并完成針對該比賽的機器人研究設計報告，在報告中體現(xiàn)小組在討論設計解決方案時用到的背景知識，記錄每一次機器人結構與程序設計修改的思路與實踐結果，闡述為什么對原有的結構或程序進行修改，其理論依據是什么，通過指導學生撰寫機器人研究設計報告，使教師不僅僅關注學生機器人最后完成任務的狀態(tài)，學生也通過親自撰寫研究設計報告，提升了科技創(chuàng)新能力。

3 結語

對于現(xiàn)階段的初中機器人教育而言，可以嘗試探索獨立于競賽，結合初中各學科知識，編寫成符合機器人學科體系的新教材展開教學。也可以嘗試將科學素養(yǎng)培養(yǎng)和學科知識融合的教學理念運用到基于機器人競賽任務的教學中，通過競賽任務引入學科知識，提高學生的積極性和參與度，讓學生主動去學習學科知識，利用這些背景知識完成機器人設計，在完成競賽任務的同時撰寫出研究報告，提升自身的創(chuàng)新能力。