基于機(jī)器人的科學(xué)探究活動(dòng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

李玲　畢瓊遠(yuǎn)　王昂昂

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；科學(xué)探究活動(dòng)；科學(xué)素養(yǎng)；教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G623.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）02-0115-03

1概述

在教育部頒布的《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》（以下簡(jiǎn)稱《新課標(biāo)》）中提出了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，強(qiáng)化學(xué)生探究實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生良好的核心素養(yǎng)，為今后學(xué)業(yè)、生活以及終身發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)[1]。科學(xué)探究能力則是核心素養(yǎng)中能力維度的要求。在義務(wù)教育階段，科學(xué)課程是一門體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的綜合性基礎(chǔ)課程，具有實(shí)踐性?！缎抡n標(biāo)》中明確指出倡導(dǎo)設(shè)計(jì)學(xué)生喜聞樂見的科學(xué)活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的內(nèi)在動(dòng)機(jī)。已有研究表明，機(jī)器人對(duì)小學(xué)生學(xué)習(xí)作用效果最佳，且能夠提升學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

2 文獻(xiàn)綜述

2.1 科學(xué)素養(yǎng)

《新課標(biāo)》指出，義務(wù)教育科學(xué)課程目標(biāo)內(nèi)容其中之一是需要學(xué)習(xí)者掌握基本的科學(xué)研究方法，理解科學(xué)探究涉及提出問題、作出假設(shè)、制訂計(jì)劃、搜集證據(jù)、處理信息、得出結(jié)論、表達(dá)交流和反思評(píng)價(jià)等要素，具有初步的科學(xué)探究能力[1]。而科學(xué)探究能力體現(xiàn)在能夠理解科學(xué)探究的一般過程和方法；提出科學(xué)問題，并針對(duì)科學(xué)問題進(jìn)行合理猜想與假設(shè)；制訂計(jì)劃并搜集證據(jù)，分析證據(jù)并得出結(jié)論；對(duì)結(jié)果進(jìn)行解釋與評(píng)估；準(zhǔn)確表達(dá)觀點(diǎn)，反思探究過程與結(jié)果[1]。

倡導(dǎo)以探究和實(shí)踐為主的多元化學(xué)習(xí)方法，使學(xué)習(xí)者積極參與、動(dòng)手動(dòng)腦、積極體驗(yàn)，并經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，加強(qiáng)探究實(shí)踐。但是在實(shí)際教學(xué)過程中，由于課堂時(shí)間有限、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象達(dá)不到理想效果以及學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力不足等原因，教師大多選擇播放視頻、PPT中文字和圖片講解或者教師進(jìn)行演示等方式來進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生難以真正參與探究實(shí)踐過程，對(duì)科學(xué)知識(shí)的理解不夠透徹，學(xué)習(xí)興趣也逐漸降低，使得學(xué)生科學(xué)探究能力的有效提升較為困難。

2.2 機(jī)器人與學(xué)科教學(xué)

國(guó)內(nèi)外不少專家對(duì)機(jī)器人教育有不同的見解，本文采納以彭紹東教授為代表的學(xué)者的觀點(diǎn)，認(rèn)為機(jī)器人教育就是學(xué)習(xí)利用機(jī)器人優(yōu)化教育效果及師生勞動(dòng)方式的理論與實(shí)踐[3]。

龔禮林等學(xué)者通過對(duì)2010年～2019年期間發(fā)表的關(guān)于K-12領(lǐng)域機(jī)器人教育的實(shí)證研究統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)在機(jī)器人教育研究中大多選擇采用LEGO系列機(jī)器人[4]。樂高材料也就是搭建套件，包括控制器、傳感器、執(zhí)行器和編程環(huán)境（即計(jì)算機(jī)和軟件，以及任務(wù)說明和指導(dǎo)手冊(cè)）?？删幊谭e木是套件中最吸引人的組件，它為所有樂高搭建模型提供控制和動(dòng)力。樂高教育WeDo2.0是一款適合低年齡階段學(xué)生對(duì)模型進(jìn)行程序編寫的軟件，學(xué)生可以很容易、輕松地對(duì)搭建完成的樂高模型進(jìn)行可視化程序編寫。

洪等[5]使用Bioloid機(jī)器人輔助小學(xué)生學(xué)習(xí)英語(yǔ)，研究發(fā)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、聽力和閱讀技能等方面都有積極影響；李等[6]的研究表明，使用樂高積木進(jìn)行基于工程設(shè)計(jì)的科學(xué)學(xué)習(xí)使得四年級(jí)學(xué)生的科學(xué)成績(jī)和解決問題能力均有顯著提高；威廉姆斯等（Wil?liams，et al，2012）[6]的研究成果表明，基于LEGO Mind?storms 機(jī)器人的科學(xué)和數(shù)學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)可以讓學(xué)生的學(xué)習(xí)更加容易地進(jìn)行，有效促進(jìn)學(xué)生概念理解；我國(guó)鐘柏昌教授[7]根據(jù)國(guó)際案例研究歸納出機(jī)器人的交互性能夠使學(xué)生獲得參與式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，有助于學(xué)生建立抽象知識(shí)與實(shí)際生活的聯(lián)系。另外，還有研究表明機(jī)器人對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新能力、問題解決能力、人際交往能力和學(xué)習(xí)成績(jī)等方面都有積極的顯著影響。

設(shè)計(jì)基于機(jī)器人的科學(xué)探究活動(dòng)，啟發(fā)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣，并利用學(xué)生親自動(dòng)手體驗(yàn)來培養(yǎng)自信，同時(shí)利用機(jī)器人模型和可視化編程對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中的問題展開探究，并在對(duì)問題進(jìn)行探索和解決的過程中學(xué)到新知識(shí)，提高計(jì)算思維，增強(qiáng)科學(xué)探究能力和問題解決能力。

3基于機(jī)器人的科學(xué)探究活動(dòng)設(shè)計(jì)

本文以小學(xué)科學(xué)中探究拉力和摩擦力之間的關(guān)系為例，從教學(xué)目標(biāo)、學(xué)習(xí)者特征教學(xué)過程和教學(xué)評(píng)價(jià)幾個(gè)方面簡(jiǎn)要概括該探究活動(dòng)的教學(xué)設(shè)計(jì)過程，最后對(duì)本次教學(xué)活動(dòng)的實(shí)施成效進(jìn)行分析。

3.1 教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能：

（1）初步學(xué)習(xí)如何使用WeDo2.0編程軟件，把握各模塊的功能、了解編程的基本邏輯。

（2）探究拉力和摩擦力之間的關(guān)系，了解到拉力必須大于摩擦力才能發(fā)生運(yùn)動(dòng)。

過程與方法：

（1）學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，進(jìn)行小組合作學(xué)習(xí)，使用控制變量法來完成探究任務(wù)。

（2）能夠通過搭建模型來模擬摩擦力和拉力。

情感態(tài)度與價(jià)值觀：

（1）通過利用樂高機(jī)器人對(duì)生活中的摩擦力現(xiàn)象進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)，體會(huì)使用樂高進(jìn)行科學(xué)探究的樂趣，敢于、樂于使用工具來學(xué)習(xí)探究科學(xué)知識(shí)。

（2）通過小組合作學(xué)習(xí)探究，能夠鍛煉與他人溝通交往能力，實(shí)現(xiàn)與同伴的有效合作。

3.2 學(xué)習(xí)者分析

小學(xué)四年級(jí)學(xué)生喜歡科學(xué)，經(jīng)常動(dòng)手做科學(xué)實(shí)驗(yàn)，整體學(xué)習(xí)比較認(rèn)真，雖然學(xué)生很喜歡動(dòng)手操作具體形象的物體，但學(xué)生獨(dú)立獲得知識(shí)、科學(xué)探究能力和意識(shí)并不強(qiáng)。在思維方面，學(xué)生雖然可以脫離具體的事物進(jìn)行抽象思考，但是很大部分思維仍然還是具體形象的，想象力有了較好發(fā)展，能夠進(jìn)行創(chuàng)造性的想象。此外，學(xué)生通過之前的課程已經(jīng)基本掌握樂高零件的搭建步驟和WeDo2.0軟件編程中各模塊的含義。在學(xué)生的生活實(shí)踐中，他們對(duì)摩擦這個(gè)概念已經(jīng)比較熟悉了，對(duì)物體運(yùn)動(dòng)會(huì)受到摩擦力的現(xiàn)象也是熟悉的，不過，對(duì)“摩擦力是在哪些狀態(tài)下引起的？摩擦力的大小怎么知道？怎樣能降低摩擦力？”等問題都沒有進(jìn)行過太多的思考，這也成為本課學(xué)習(xí)的起點(diǎn)。

3.3 教學(xué)過程

當(dāng)前實(shí)際的教學(xué)實(shí)踐中缺乏對(duì)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)的重視，機(jī)器人作為現(xiàn)代化智能產(chǎn)品，應(yīng)用于教學(xué)中能夠使學(xué)生學(xué)習(xí)更富有趣味性，且能夠有效支持學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)。因此，在本教學(xué)實(shí)踐采用的是張敬云基于發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論、五步教學(xué)法、STEM整合教育理念和科學(xué)建模思想等理論基礎(chǔ)構(gòu)建的科學(xué)探究型教學(xué)模式[8]。

（1）提出問題與形成假設(shè)

科學(xué)探究過程是圍繞探究問題開展和進(jìn)行的，教師需要設(shè)計(jì)真實(shí)的且富有啟發(fā)性的問題情境，從學(xué)生已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，設(shè)計(jì)在學(xué)生認(rèn)知“最近發(fā)展區(qū)”內(nèi)的有價(jià)值的問題，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行探究實(shí)踐的欲望和內(nèi)在動(dòng)機(jī)。教師通過視頻呈現(xiàn)生活中拉得動(dòng)椅子拉不動(dòng)車等場(chǎng)景引入探究問題，為什么同樣的物品在不同的地面上有的能拉得動(dòng)有的卻拉不動(dòng)呢？引起學(xué)生對(duì)拉力和摩擦力的關(guān)系，隨之教師提出任務(wù)，用樂高零件搭建一個(gè)拉力小車，研究什么時(shí)候能拉得動(dòng)，什么時(shí)候拉不動(dòng)，學(xué)生根據(jù)已有認(rèn)知和經(jīng)驗(yàn)及查閱相關(guān)資料形成假設(shè)。

（2）制定計(jì)劃和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

老師把學(xué)生每二人分成一小組，學(xué)生采用小組協(xié)作的形式制定詳細(xì)具體的探究方案，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案。教師在巡視過程中給予學(xué)生適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)和幫助。

（3）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和收集數(shù)據(jù)

在這個(gè)階段，學(xué)生兩人一組，首先合作搭建由馬達(dá)、主機(jī)和車斗的拉力小車，接著按照實(shí)驗(yàn)方案利用編程進(jìn)行探究對(duì)比不同大小的馬達(dá)功率以及在不同光滑程度的桌面上小車所能拉動(dòng)的輪胎數(shù)量多少，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（4）分析數(shù)據(jù)和得出結(jié)論

學(xué)生可以通過所記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，剖析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并研究影響摩擦力大小的各種因素。教師引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的原因，并總結(jié)規(guī)律。

（5）評(píng)價(jià)和反思

教師鼓勵(lì)學(xué)生分享搭建和編程中遇到的問題和收獲，指導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論作出合理性與可靠性的分析，與學(xué)生共同總結(jié)、交流所學(xué)知識(shí)，并依據(jù)評(píng)價(jià)表對(duì)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃與過程進(jìn)行評(píng)價(jià)，找出實(shí)驗(yàn)規(guī)劃與實(shí)驗(yàn)過程中存在的問題，學(xué)生之間互相討論或者請(qǐng)教老師針對(duì)問題提出改進(jìn)意見。

3.4 教學(xué)評(píng)價(jià)

對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果評(píng)估要注重對(duì)正確價(jià)值觀、必備品質(zhì)和關(guān)鍵能力的考核，著重關(guān)心學(xué)生在進(jìn)行科學(xué)探究活動(dòng)過程中的思維活動(dòng)與表現(xiàn)，要重視學(xué)生個(gè)體差異，形成以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的評(píng)價(jià)體系。學(xué)生從機(jī)器人知識(shí)和技術(shù)以及五個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)等方面對(duì)本次探究實(shí)驗(yàn)的表現(xiàn)進(jìn)行自評(píng)與組內(nèi)互評(píng)，并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教師組織學(xué)生就機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)和技能、科學(xué)知識(shí)和技能、科學(xué)觀念態(tài)度以及科學(xué)思維方法展開考查，同時(shí)對(duì)探究活動(dòng)過程中表現(xiàn)優(yōu)異并有進(jìn)步的學(xué)生加以表彰，激發(fā)學(xué)生的積極性。

3.5 教學(xué)效果

通過搭建機(jī)器人并對(duì)其進(jìn)行程序編寫來探究拉力和摩擦力之間的關(guān)系，學(xué)生的收獲主要有如下幾個(gè)方面：（1）加深了對(duì)拉力和摩擦力等科學(xué)知識(shí)的理解，掌握了使用控制變量法進(jìn)行探究來解決實(shí)際問題；（2）學(xué)生樂于動(dòng)手操作進(jìn)行探究，對(duì)科學(xué)探究興趣增加，嘗試運(yùn)用不同思路和方法進(jìn)行探究實(shí)踐，能夠?qū)嵤虑笫?，如?shí)記錄和報(bào)告觀察與實(shí)驗(yàn)獲得的信息，動(dòng)手實(shí)踐能力及其研究分析與解決問題的能力大大增強(qiáng)；（3）學(xué)生體驗(yàn)了利用機(jī)器人開展科學(xué)探究的活動(dòng)過程，深切體驗(yàn)到了機(jī)器人科技為人們的日常生活和學(xué)習(xí)提供了極大便利。

除此之外，通過巡視的過程中以及課后與學(xué)生的交流，發(fā)現(xiàn)利用機(jī)器人進(jìn)行科學(xué)探究活動(dòng)沒有降低學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷，反而加重了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)任務(wù)，主要負(fù)擔(dān)是部分學(xué)習(xí)者不能熟練使用WeDo2.0對(duì)機(jī)器人進(jìn)行程序編寫。不過，學(xué)習(xí)者之間能夠互相幫助解決問題，而且教師在巡視過程中也給予學(xué)生適當(dāng)?shù)妮o導(dǎo)和支持。雖然部分學(xué)習(xí)者在使用機(jī)器人和編程軟件方面有一定的困難，但是總體來說，基于機(jī)器人的科學(xué)探究活動(dòng)使學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)熱情空前高漲，對(duì)探究實(shí)踐的動(dòng)機(jī)更加強(qiáng)烈，讓學(xué)習(xí)者積極體驗(yàn)、經(jīng)歷科學(xué)探究實(shí)踐的過程，促進(jìn)師生和生生之間的互動(dòng)，有效促進(jìn)學(xué)生科學(xué)探究能力及科學(xué)素養(yǎng)的提升。

4基于機(jī)器人的科學(xué)探究活動(dòng)的教學(xué)策略

4.1 創(chuàng)設(shè)真實(shí)的且富有啟發(fā)性的問題情境，調(diào)動(dòng)學(xué)生科學(xué)探究的內(nèi)在動(dòng)機(jī)

問題是科學(xué)探究的核心，因此，教師在設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)時(shí)，要?jiǎng)?chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，與學(xué)生的實(shí)際生活密切聯(lián)系，還需從學(xué)生已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，設(shè)計(jì)在學(xué)生認(rèn)知“最近發(fā)展區(qū)”內(nèi)有價(jià)值的問題，也就是學(xué)生在經(jīng)過獨(dú)立探索和學(xué)習(xí)交流后就可以發(fā)現(xiàn)的并能引起學(xué)生知識(shí)碰撞的新課題，以保護(hù)學(xué)生的科學(xué)自信心，調(diào)動(dòng)學(xué)生開展科學(xué)探究活動(dòng)的自覺積極性。

4.2 以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，關(guān)注學(xué)生的認(rèn)知與能力發(fā)展

教師必須充分考慮學(xué)生的知識(shí)能力，根據(jù)確定的課程目標(biāo)與內(nèi)容，根據(jù)知識(shí)進(jìn)階設(shè)計(jì)鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立、探究、思考、合作的教學(xué)活動(dòng)，引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，調(diào)動(dòng)學(xué)生的科學(xué)探究積極性，讓學(xué)生自主參與、經(jīng)歷探究過程，增強(qiáng)他們的合作學(xué)習(xí)意識(shí)和能力，讓學(xué)生有效進(jìn)行基于機(jī)器人的科學(xué)探究和實(shí)踐，并在過程中對(duì)學(xué)生進(jìn)行必要的指導(dǎo)與支持。

4.3 學(xué)生動(dòng)手體驗(yàn)，進(jìn)行探究與實(shí)踐，培養(yǎng)科學(xué)探究能力

和問題解決能力探究與實(shí)踐是科學(xué)學(xué)習(xí)的重要途徑，教師應(yīng)做好對(duì)學(xué)生探究實(shí)踐活動(dòng)中的指導(dǎo)，選擇能夠促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的探究與實(shí)踐項(xiàng)目，引導(dǎo)他們積極參加、動(dòng)手動(dòng)腦、積極感受，體驗(yàn)科學(xué)探究的過程，提高科學(xué)思維能力、科學(xué)探究和實(shí)踐能力。

4.4 注重過程評(píng)價(jià)，強(qiáng)調(diào)評(píng)價(jià)主體多元和方法多樣

基于機(jī)器人的科學(xué)探究性教學(xué)更強(qiáng)調(diào)評(píng)價(jià)方法的多樣化，注重學(xué)習(xí)過程的考核，注重學(xué)習(xí)者在探究和實(shí)踐過程中的實(shí)際表達(dá)和思考行為；結(jié)果評(píng)估更注重對(duì)學(xué)生價(jià)值觀、必備品德和關(guān)鍵能力的考查，以推動(dòng)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。所以，要充分調(diào)動(dòng)學(xué)校、教師、學(xué)生等評(píng)價(jià)主體的主動(dòng)性，把紙筆測(cè)試和表現(xiàn)性評(píng)價(jià)相結(jié)合，診斷學(xué)生的知識(shí)掌握水平，關(guān)注學(xué)生在學(xué)習(xí)活動(dòng)中的表現(xiàn)，對(duì)學(xué)生作出全面整體評(píng)價(jià)，促進(jìn)學(xué)生的核心素養(yǎng)發(fā)展。

5 總結(jié)

基于機(jī)器人的科學(xué)探究型教學(xué)模式以科學(xué)問題為導(dǎo)向，旨在學(xué)生能夠在利用機(jī)器人動(dòng)手經(jīng)歷科學(xué)探究的過程中習(xí)得跨學(xué)科知識(shí)、科學(xué)素養(yǎng)同時(shí)提高解決問題的能力。因此，該模式對(duì)培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科知識(shí)和科學(xué)素養(yǎng)以及豐富機(jī)器人教育實(shí)踐應(yīng)用方面具有很大價(jià)值。在小學(xué)課程中采用基于機(jī)器人的科學(xué)探究活動(dòng)，能夠激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的內(nèi)在動(dòng)機(jī)，保護(hù)學(xué)生的好奇心，機(jī)器人以及傳感器具有非常強(qiáng)的自動(dòng)獲取與收集數(shù)據(jù)的能力，為學(xué)生的科學(xué)探究提供技術(shù)支持，而且仍在不斷發(fā)展與改進(jìn)，能夠有效支持科學(xué)探究活動(dòng)的開展與深化。