STEM理念下機(jī)器人課程與 小學(xué)科學(xué)整合探索

信海鳳 張英妮

STEM教育理念的核心是融合，基于STEM教育理念的機(jī)器人課程是比較成功的嘗試。機(jī)器人課程的宗旨是在不斷地構(gòu)建、實(shí)驗(yàn)、探索、思考及解決問(wèn)題的過(guò)程中，讓學(xué)生理解抽象的理科知識(shí)。將機(jī)器人課程與小學(xué)科學(xué)課進(jìn)行整合的想法，源于新的小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的頒布?！缎W(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》（以下簡(jiǎn)稱課標(biāo)）新增了技術(shù)與工程領(lǐng)域，課標(biāo)中界定了什么是科學(xué)、技術(shù)、工程，以及科學(xué)、技術(shù)和工程對(duì)人工世界的作用。這一領(lǐng)域的增加，在小學(xué)科學(xué)課與STEM之間建立了最直接的聯(lián)系。鑒于STEM教育體系龐大復(fù)雜，筆者選擇了比較成熟的機(jī)器人課程作為媒介，嘗試探索小學(xué)科學(xué)課與STEM課程的整合方式。目前，國(guó)內(nèi)外機(jī)器人課程包括運(yùn)用樂(lè)高教具搭建生活中的物體;運(yùn)用EV3、VEX、VEX IQ學(xué)習(xí)高等機(jī)器人的搭建和圖形化編程。將機(jī)器人課程引入小學(xué)科學(xué)課程中，加強(qiáng)學(xué)生的發(fā)明和建造能力，實(shí)現(xiàn)技術(shù)與工程的學(xué)習(xí)，必將成為小學(xué)科學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)。我們發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人課程和小學(xué)科學(xué)課程在思維培養(yǎng)、教學(xué)資源、教學(xué)內(nèi)容等方面有很大的融合空間。

● 邏輯思維的完美碰撞

邏輯推理是科學(xué)探究能力的重要組成部分，是小學(xué)科學(xué)課程中科學(xué)探究領(lǐng)域的培養(yǎng)目標(biāo)之一，而這一能力也恰恰是機(jī)器人編程課程的主要培養(yǎng)目標(biāo)。例如，科學(xué)課上涉及一些對(duì)比實(shí)驗(yàn)，如“綠豆種子發(fā)芽實(shí)驗(yàn)”“單擺擺動(dòng)快慢與什么因素有關(guān)”等，需要學(xué)生思考條件的控制，這里蘊(yùn)含的概念是變量與常量的設(shè)定。對(duì)比實(shí)驗(yàn)中的每一組只有一個(gè)變量，其他都為不變的常量，這樣得到的現(xiàn)象只與變量有關(guān)，進(jìn)而歸納出與變量相關(guān)的結(jié)論。機(jī)器人編程語(yǔ)言中涉及邏輯判斷和邏輯循環(huán)，不同的編程語(yǔ)言，雖然表現(xiàn)形式和語(yǔ)法要求會(huì)有區(qū)別，但基本的邏輯語(yǔ)句是相通的，如“if、if...else、if...elif...else、while、while...else”等邏輯語(yǔ)句在眾多編程語(yǔ)言中都有應(yīng)用。例如，讓機(jī)器人完成“紅燈停、綠燈行”的任務(wù)，其程序流程圖如圖1所示。

其表達(dá)的邏輯關(guān)系為：如果（if）機(jī)器人遇到綠燈，那么（then）繼續(xù)行駛，否則（else）停止前進(jìn)（重新進(jìn)入判斷，形成循環(huán)）。

將編程課程的邏輯學(xué)習(xí)與科學(xué)課的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃有機(jī)融合在一起，有利于幫助學(xué)生梳理實(shí)驗(yàn)流程，鍛煉邏輯思維的嚴(yán)謹(jǐn)性。例如，將“單擺擺動(dòng)快慢與什么因素有關(guān)”實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)流程用程序流程圖表示出來(lái)（如圖2）。

若用表格來(lái)表達(dá)實(shí)驗(yàn)流程，可以如下頁(yè)表1所示。

可以看出，相對(duì)于表格的表達(dá)方式，流程圖顯得復(fù)雜了，但在鍛煉學(xué)生邏輯思維能力時(shí)，教師更傾向于流程圖。表格在簡(jiǎn)化了表達(dá)方式的同時(shí)，也簡(jiǎn)化了學(xué)生思考的過(guò)程。圖2中涉及三次判斷，三次判斷的順序是可以調(diào)換的，因?yàn)橛绊憽皢芜厰[動(dòng)快慢的因素”不一定是唯一的，所以對(duì)于前兩次判斷中“改變擺動(dòng)幅度”和“改變擺錘重量”兩個(gè)條件，即使判斷為“是”，也要進(jìn)行下一個(gè)因素的判斷。學(xué)生在分析流程圖時(shí)，會(huì)深入思考每一個(gè)圖標(biāo)代表的含義，了解此次實(shí)驗(yàn)要控制的三個(gè)變量，借此達(dá)到提升邏輯思維能力的目的。

● 教學(xué)資源的強(qiáng)大支持

機(jī)器人課程的教學(xué)資源一直處于科技前沿，將機(jī)器人課程的教學(xué)資源合理納入小學(xué)科學(xué)課程，對(duì)小學(xué)科學(xué)課程而言是一個(gè)強(qiáng)有力的支持。例如，對(duì)于“熱在金屬中的傳遞”實(shí)驗(yàn)，筆者進(jìn)行了大膽的嘗試。

“熱在金屬片中的傳遞”是教科版小學(xué)科學(xué)五年級(jí)下冊(cè)第二單元第六課的第三個(gè)實(shí)驗(yàn)。教材上的原設(shè)計(jì)是：先在涂有蠟的金屬圓片的中心加熱，觀察蠟的融化情況，推測(cè)熱的傳遞方向和過(guò)程。然后在涂有蠟的金屬圓片邊緣的一個(gè)點(diǎn)上加熱，觀察蠟的融化情況，推測(cè)熱的傳遞方向和過(guò)程。蠟融化時(shí)，學(xué)生所看到的現(xiàn)象并不明顯，尤其是融化與未融化的蠟的邊緣，無(wú)法判斷。并且，學(xué)生只能從現(xiàn)象上判斷熱的傳遞過(guò)程，無(wú)法確切知道溫度的變化。針對(duì)這些問(wèn)題，筆者做了如下改動(dòng)：①用紅色變溫油墨顯示熱傳遞的過(guò)程，增強(qiáng)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的感性認(rèn)識(shí);②用機(jī)器人課程領(lǐng)域的溫度傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量實(shí)驗(yàn)區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)，證明熱傳遞的過(guò)程是由溫度高的地方傳遞到溫度低的地方;③利用共享文檔功能智能整理數(shù)據(jù)，用平板電腦實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)到共享文檔中，智能整理數(shù)據(jù)匯總成表格，及時(shí)傳輸?shù)诫娮影装暹M(jìn)行展示，然后根據(jù)需要用WPS軟件繪制折線圖。通過(guò)改動(dòng)，學(xué)生對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)從感性認(rèn)識(shí)提高到理性認(rèn)識(shí)，用數(shù)據(jù)去驗(yàn)證觀察到的現(xiàn)象。將溫度傳感器運(yùn)用到本實(shí)驗(yàn)中，解決了測(cè)溫問(wèn)題。

● 教學(xué)內(nèi)容的高度契合

通過(guò)對(duì)小學(xué)科學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容與機(jī)器人課程教學(xué)內(nèi)容的對(duì)比，筆者發(fā)現(xiàn)有大量的相似之處，尤其是小學(xué)科學(xué)的技術(shù)與工程領(lǐng)域的內(nèi)容，更是與機(jī)器人課程高度契合，如表2所示。

表2中，小學(xué)科學(xué)課程對(duì)應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容來(lái)源于《小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域以及技術(shù)與工程領(lǐng)域的相關(guān)內(nèi)容，機(jī)器人課程對(duì)應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容來(lái)源于吉林省某所機(jī)器人教育機(jī)構(gòu)的課程設(shè)置。在眾多相似內(nèi)容中，筆者選擇了《齒輪》作為重點(diǎn)研究，其他內(nèi)容將作為后續(xù)課題繼續(xù)探索。

《齒輪》一課內(nèi)容的設(shè)計(jì)靈感，源于教科版科學(xué)六年級(jí)上冊(cè)“簡(jiǎn)單機(jī)械”單元，這一單元主要講解輪軸、杠桿、滑輪、斜面等四種簡(jiǎn)單機(jī)械的原理。生活中，齒輪是應(yīng)用最廣的一種簡(jiǎn)單機(jī)械，基于此，筆者所在團(tuán)隊(duì)創(chuàng)編了《齒輪》一課，共計(jì)兩課時(shí)。在設(shè)計(jì)這一內(nèi)容時(shí)，力求讓學(xué)生經(jīng)歷一個(gè)完整的探究過(guò)程，即觀察—提出問(wèn)題—提出假設(shè)—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證—得出結(jié)論。通過(guò)這一過(guò)程，了解齒輪的傳動(dòng)特點(diǎn)。

根據(jù)內(nèi)容的需要，筆者選擇了VEX機(jī)器人零件里的齒輪、結(jié)構(gòu)板、軸、限位等材料作為教具。共設(shè)計(jì)了四個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)，分別是：①認(rèn)識(shí)齒輪特點(diǎn);②對(duì)齒輪的傳動(dòng)特點(diǎn)作出假設(shè);③實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;④歸納齒輪的傳動(dòng)特點(diǎn)。教學(xué)時(shí)，筆者用齒輪和軸制做陀螺，利用陀螺加速器使齒輪陀螺快速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而提出問(wèn)題：齒輪傳動(dòng)有哪些特點(diǎn)？學(xué)生們被新奇的教具所吸引，也被陀螺加速器的神奇功能激發(fā)了興趣，就此對(duì)齒輪為什么加速展開(kāi)大膽假設(shè)，后續(xù)教學(xué)任務(wù)順利開(kāi)展。

實(shí)踐證明，依托STEM教育的融合理念，將機(jī)器人課程與小學(xué)科學(xué)整合是十分可行并且非常有效的一種教學(xué)方式。未來(lái)的科學(xué)教育，一定是不拘一格地以學(xué)生未來(lái)發(fā)展為目標(biāo)的融合教育。