STEM理念下機(jī)器人教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與探索

黎清萬 何斌

摘要：實(shí)踐證明，STEM教育理念在培養(yǎng)學(xué)生綜合素養(yǎng)以及創(chuàng)新人才方面具有積極作用。機(jī)器人教育是科技教育的重要內(nèi)涵之一，要想突破傳統(tǒng)的搭建技能和控制論知識(shí)，面向智能時(shí)代科技人才培養(yǎng)需求，創(chuàng)新教學(xué)模式是必經(jīng)之道。本文闡述了STEM教育理念下的機(jī)器人教育融合創(chuàng)新設(shè)計(jì)與探索。

關(guān)鍵詞：STEM；機(jī)器人教學(xué)；創(chuàng)新教學(xué)模式

中圖分類號：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號：1674-2117（2024）01-0081-04

在國家對未來社會(huì)主義科技人才提出進(jìn)一步需求的背景下，突破以結(jié)構(gòu)搭建技能和控制論知識(shí)為綱領(lǐng)的傳統(tǒng)教學(xué)，面向智能時(shí)代，融合STEM教育理念，創(chuàng)新中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)模式具有重要的實(shí)踐意義。中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)主要指的是以機(jī)器人學(xué)相關(guān)知識(shí)、原理、技能為核心內(nèi)容的基礎(chǔ)教育學(xué)科學(xué)習(xí)活動(dòng)。機(jī)器人學(xué)科的內(nèi)涵包括傳統(tǒng)的機(jī)械原理、編程原理、傳感器應(yīng)用以及新時(shí)代大環(huán)境下的數(shù)據(jù)技術(shù)、智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人文社科等，其中涵蓋了數(shù)學(xué)、物理、信息科技（包括人工智能領(lǐng)域）、語言文學(xué)、人文哲學(xué)（思想政治）等學(xué)科，在某些研究領(lǐng)域，還涉及生物學(xué)、腦科學(xué)、材料科學(xué)等?？梢姡鐚W(xué)科融合是機(jī)器人教學(xué)固有的屬性，而STEM教育理念在近年來被證明在跨學(xué)科教學(xué)中具有可行性、有效性和前瞻性。由此，筆者探索了深度融合STEM理念的“一核雙融六環(huán)節(jié)”創(chuàng)新教學(xué)模式（下文稱“126模式”），形成了相應(yīng)的研究成果并開展了推廣驗(yàn)證。

機(jī)器人STEM創(chuàng)新教學(xué)模式的設(shè)計(jì)

機(jī)器人教學(xué)的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)，與STEM理念的深度融合可謂天作之合。STEM并不是單純把多學(xué)科通過初步的設(shè)計(jì)整合到一節(jié)課或一系列的課堂教學(xué)中，而是需要以學(xué)生解決實(shí)際問題能力的需求，形成各學(xué)科深層次的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，通過活動(dòng)幫助學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)綜合認(rèn)知體系，該體系在學(xué)生分析、評價(jià)、綜合、創(chuàng)新等高階思維活動(dòng)中發(fā)揮作用。“126模式”（如圖1）正是基于上述理論基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的。下面，對“126模式”進(jìn)行具體闡述：

1.以學(xué)生為核心的跨學(xué)科設(shè)計(jì)

在新時(shí)代背景下，綜合性全面發(fā)展人才培養(yǎng)目標(biāo)從“社會(huì)參與”“文化基礎(chǔ)”“自主發(fā)展”三個(gè)維度提出了要求，明確了學(xué)生才是學(xué)習(xí)活動(dòng)的核心，教師在教學(xué)中要遵循以下幾個(gè)原則：

①要以育人目標(biāo)為主旨，以課程標(biāo)準(zhǔn)要求為基點(diǎn)，制訂合理、明確的教學(xué)目標(biāo)，并為預(yù)期目標(biāo)制訂詳細(xì)、可落實(shí)、可測可評的評價(jià)量規(guī)，尤其需要注意加強(qiáng)學(xué)生思維評價(jià)的預(yù)設(shè)。

②要圍繞學(xué)生選用、優(yōu)化或生成學(xué)習(xí)內(nèi)容，設(shè)計(jì)生活化、實(shí)踐化的主題情境，學(xué)生以某種關(guān)鍵角色參與情境，在主動(dòng)學(xué)習(xí)活動(dòng)中獲得認(rèn)知與高階思維訓(xùn)練。

③要針對學(xué)生必備品格、關(guān)鍵能力、價(jià)值觀念開展多元評價(jià)，其中，評價(jià)內(nèi)容包括概念理解、實(shí)踐技能、學(xué)習(xí)方法、思維體現(xiàn)等，評價(jià)方式包括生生互評、家校共評、數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺(tái)自評（過程數(shù)據(jù)記錄、分析）、教師導(dǎo)評。

2.情境化項(xiàng)目學(xué)習(xí)的知識(shí)技能與高階思維雙融合規(guī)劃

STEM理念與機(jī)器人教學(xué)的融合創(chuàng)新，是在生活問題情境預(yù)設(shè)下，學(xué)生經(jīng)歷項(xiàng)目化學(xué)習(xí)過程，在認(rèn)知與思維兩個(gè)方面收獲提升，即必備品格與關(guān)鍵能力的雙融合。雙融合的落實(shí)，高階思維是關(guān)鍵亦是難點(diǎn)，教師可通過進(jìn)階式問題鏈實(shí)施引導(dǎo)，通過分享式對話體現(xiàn)，通過評價(jià)他人或教授他人得以強(qiáng)化。

3.跨學(xué)科融合六環(huán)節(jié)教學(xué)實(shí)施策略

六環(huán)節(jié)是基于5E教學(xué)模式的一種優(yōu)化，在“情境參與”“探究學(xué)習(xí)”“解釋理解”“拓展應(yīng)用”“分析評價(jià)”之外增加“課內(nèi)競賽”環(huán)節(jié)，并簡化為“問一問”“搭一搭”“學(xué)一學(xué)”“比一比”“創(chuàng)一創(chuàng)”“享一享”。學(xué)生在六環(huán)節(jié)中“做中學(xué)、學(xué)中創(chuàng)，獲得進(jìn)步，感受快樂”。其中，“學(xué)一學(xué)”并不獨(dú)立呈現(xiàn)在教學(xué)資源中，而是融入“問一問”“搭一搭”“比一比”等環(huán)節(jié)，這樣做的目的是真正實(shí)現(xiàn)在問題解決的過程中實(shí)現(xiàn)事實(shí)性認(rèn)知的獲得。

進(jìn)階式機(jī)器人教學(xué)系統(tǒng)化教育方案

在“126模式”的底層支撐下，STEM理念與機(jī)器人創(chuàng)新教學(xué)方案應(yīng)該是系統(tǒng)化的強(qiáng)調(diào)思維進(jìn)階的整體方案。學(xué)生創(chuàng)新思維和高階思維的培養(yǎng)、品格和價(jià)值觀的培養(yǎng)，不可依賴于離散的課程體系，而是需要如鏈?zhǔn)讲竭M(jìn)機(jī)般的系列化課程體系——結(jié)構(gòu)-動(dòng)力-傳感-自動(dòng)化-智能化，依次創(chuàng)設(shè)“創(chuàng)意機(jī)器人”“動(dòng)力機(jī)器人”“傳感機(jī)器人”“編程機(jī)器人”“智能機(jī)器人”共5個(gè)課程（如圖2），每一個(gè)課程采用“126模式”組織學(xué)習(xí)內(nèi)容及學(xué)習(xí)活動(dòng)。

結(jié)構(gòu)是機(jī)器人傳統(tǒng)意義上的入門基礎(chǔ)，要注重培養(yǎng)學(xué)生利用多種結(jié)構(gòu)原理解決問題的工程思維；動(dòng)力是以傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為主的理解與應(yīng)用探究，同時(shí)注重培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)不同條件合理綜合分析不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)解決問題的邏輯思維（科學(xué)S）；傳感技術(shù)是機(jī)器人自動(dòng)化的感知能力基礎(chǔ)，除了培養(yǎng)學(xué)生理解不同傳感器的不同功能外，還要培養(yǎng)學(xué)生在“感知”概念上的抽象思維（技術(shù)T）；編程則是自動(dòng)化最終實(shí)現(xiàn)的控制論核心內(nèi)容，機(jī)器人教育必須注重培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，即流程化問題解決策略及其實(shí)現(xiàn)（數(shù)理邏輯M）；智能化指的是應(yīng)用當(dāng)前人工智能技術(shù)如機(jī)器視覺、語音識(shí)別等實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)化的自適應(yīng)策略，需要關(guān)注學(xué)生人工智能素養(yǎng)的培養(yǎng)（STEM）。該方案強(qiáng)調(diào)學(xué)生經(jīng)歷工程過程（工程E），各課程鏈?zhǔn)较噙B又層層遞進(jìn)，覆蓋了機(jī)器人領(lǐng)域的基本內(nèi)涵。

以跨學(xué)科問題解決情境組織學(xué)習(xí)內(nèi)容

STEM理念與機(jī)器人教育融合創(chuàng)新，不是落于知識(shí)結(jié)構(gòu)層面，而是落于思維素養(yǎng)層面，即工程流程中問題解決的過程層面。基于問題解決情境的設(shè)計(jì)，是其中的關(guān)鍵。學(xué)生以某種與情境緊密相關(guān)的主體身份參與問題解決，從規(guī)劃、探索、實(shí)施到評價(jià)反思、改進(jìn)乃至創(chuàng)新，都作為核心角色發(fā)揮作用。“126模式”中的一個(gè)核心，始于此處。在進(jìn)階式機(jī)器人教學(xué)系統(tǒng)化教育方案中，動(dòng)力機(jī)器人課程分別以“賽車工程師——賽車制作”“農(nóng)械工程師——舂米機(jī)制作”“美食工程師——磨坊制作”“油田工程師——抽油機(jī)制作”“環(huán)衛(wèi)工程師——掃地車制作”等16個(gè)角色和問題情境創(chuàng)設(shè)基于分析、綜合、創(chuàng)新的高級思維歷程，學(xué)生需要綜合應(yīng)用機(jī)械原理、物理知識(shí)、生物知識(shí)、工程流程、數(shù)學(xué)知識(shí)以及人文分析等認(rèn)知與技能，這些學(xué)科相互滲透、相互作用，最終解決問題，真正實(shí)現(xiàn)基于思維過程的深度融合創(chuàng)新。

下面，以動(dòng)力機(jī)器人課程“舂米機(jī)”為例展開具體實(shí)踐。

課程名稱：設(shè)計(jì)制作“舂米機(jī)”電動(dòng)機(jī)器人。

課程目標(biāo)：通過跨學(xué)科融合的教學(xué)方式，學(xué)生經(jīng)歷工程流程，了解物理杠桿原理、機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)、數(shù)學(xué)齒輪傳動(dòng)比計(jì)算、生物米粒結(jié)構(gòu)等知識(shí)點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力和高階思維。

教學(xué)內(nèi)容：①探究米粒生物結(jié)構(gòu)，了解舂米機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)，觀摩舂米機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)方式（科學(xué)S）；②應(yīng)用物理杠桿原理，解釋力與距離的關(guān)系（科學(xué)S、技術(shù)T）；③探究凸輪機(jī)構(gòu)的原理和應(yīng)用，了解凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)（技術(shù)T）；④探究皮帶傳動(dòng)的原理和應(yīng)用，總結(jié)大小齒輪傳動(dòng)比計(jì)算的方法，能夠根據(jù)傳動(dòng)比計(jì)算出合適的齒輪尺寸（數(shù)理邏輯M）；⑤分組設(shè)計(jì)制作“舂米機(jī)”電動(dòng)機(jī)器人，要求在設(shè)計(jì)中運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，并進(jìn)行演示和答辯（工程E）。

教學(xué)基本流程：

①問一問。教師向?qū)W生提出一些問題，如“舂米機(jī)的工作原理是什么”“凸輪機(jī)構(gòu)和皮帶傳動(dòng)有什么不同”等，鼓勵(lì)學(xué)生積極思考和回答問題。

②搭一搭。學(xué)生按照教師提供的圖紙和材料，自己動(dòng)手搭建一個(gè)簡單的舂米機(jī)模型。在搭建過程中，可以結(jié)合自己的理解和想象，自由發(fā)揮，增加趣味性和實(shí)用性。

③學(xué)一學(xué)。教師向?qū)W生介紹物理杠桿原理、凸輪機(jī)構(gòu)、皮帶傳動(dòng)、大小齒輪傳動(dòng)比計(jì)算等知識(shí)點(diǎn)，并通過實(shí)驗(yàn)、視頻等多種形式進(jìn)行演示和說明。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生互相討論、交流，共同學(xué)習(xí)和進(jìn)步。

④比一比。將不同類型的舂米機(jī)模型進(jìn)行比較和評估，包括其結(jié)構(gòu)、性能、效率等方面的指標(biāo)。引導(dǎo)學(xué)生分析和總結(jié)不同類型舂米機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，以及如何根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的舂米機(jī)模型。

⑤創(chuàng)一創(chuàng)。學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和特長，設(shè)計(jì)和制作一款更具創(chuàng)新性和實(shí)用性的舂米機(jī)模型。在設(shè)計(jì)過程中，要充分考慮物理杠桿原理、凸輪機(jī)構(gòu)、皮帶傳動(dòng)、大小齒輪傳動(dòng)比計(jì)算等知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用，以提高舂米機(jī)的效率和精度。

⑥享一享。學(xué)生將自己設(shè)計(jì)的舂米機(jī)模型展示給其他同學(xué)或家長觀看，并分享自己的設(shè)計(jì)思路和成果。同時(shí)，也可以邀請其他同學(xué)或家長提出寶貴意見和建議，進(jìn)一步完善和改進(jìn)自己的作品。

在以上課例中，學(xué)生在秋收季節(jié)，作為“機(jī)械工程師”參與到農(nóng)業(yè)自動(dòng)化工作中，經(jīng)歷工程探究與開發(fā)的過程。該課例共2課時(shí)，涉及學(xué)科包括生物、物理、數(shù)學(xué)、科學(xué)等?！?26模式”有效幫助了學(xué)生認(rèn)知的建構(gòu)，使其發(fā)生于分析谷粒結(jié)構(gòu)從而思考脫粒原理、選用杠桿原理從而實(shí)現(xiàn)脫粒動(dòng)作、觀摩皮帶傳動(dòng)特征及凸輪機(jī)構(gòu)特征總結(jié)規(guī)律性傳動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方法、根據(jù)力度需求分析兩個(gè)不同齒輪傳動(dòng)比對傳動(dòng)效果的影響等主動(dòng)性學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生通過對話、實(shí)踐、創(chuàng)作、改進(jìn)，鍛練思維能力。

多元化的STEM評價(jià)方式（如圖3）

在機(jī)器人系統(tǒng)化方案以及“126模式”下，評價(jià)對學(xué)生高階思維的落地有著重要的意義。這里的評價(jià)并非單純指教師對學(xué)生的評價(jià)或者教師對課堂的反思性自評，更多的是指以學(xué)生為核心開展的表現(xiàn)性評價(jià)和增值性評價(jià)。在系統(tǒng)化方案中，除了課程體系，還應(yīng)該有配套的評價(jià)系統(tǒng)，采用工程筆記以及匯報(bào)答辯的方式開展，即STEM理念與機(jī)器人教學(xué)的融合創(chuàng)新，離不開系列化學(xué)習(xí)過程中面向?qū)W生的評價(jià)，該評價(jià)包括自評和他評。

此外，“126模式”本身就強(qiáng)調(diào)了評價(jià)的實(shí)施，主要通過“比一比”“享一享”兩個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)開展，同樣包括自評和他評兩種路徑。如上所述，評價(jià)的內(nèi)容應(yīng)該是多元的、跨學(xué)科的，充分體現(xiàn)STEM理念的育人價(jià)值。知識(shí)點(diǎn)目標(biāo)評價(jià)落實(shí)在“搭一搭”的探索實(shí)踐中，即做中學(xué)，而不是單獨(dú)強(qiáng)化知識(shí)測評；技能目標(biāo)評價(jià)落實(shí)在“比一比”課內(nèi)競賽活動(dòng)中；思維目標(biāo)評價(jià)則在“創(chuàng)一創(chuàng)”和“享一享”兩項(xiàng)活動(dòng)中通過對話、實(shí)踐觀測等開展。

“126模式”中的評價(jià)與傳統(tǒng)的5E教學(xué)模式的不同點(diǎn)在于評價(jià)量規(guī)在教學(xué)預(yù)期目標(biāo)擬定后，得到細(xì)化并呈現(xiàn)給師生。而表現(xiàn)性評價(jià)除了學(xué)習(xí)平臺(tái)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并分析數(shù)據(jù)的形式外，在基于問題解決的實(shí)踐經(jīng)歷中，由學(xué)生自行開展，用于調(diào)整學(xué)習(xí)進(jìn)程或發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)疑惑而提出獲取幫助需求。增值性評價(jià)由師生共同完成，其主旨是厘清STEM跨學(xué)科學(xué)習(xí)中認(rèn)知的豐富或深化程度，為進(jìn)階探索或創(chuàng)新探索提供支持。

結(jié)束語

從核心目標(biāo)定位到教學(xué)模式設(shè)計(jì)，從情境問題引導(dǎo)到綜合分析應(yīng)用，從系統(tǒng)化方案規(guī)劃到具體教學(xué)的實(shí)施，在中小學(xué)機(jī)器人教育中以STEM理念開展創(chuàng)新教學(xué)探索，需要敏銳理解新時(shí)代人才需求的變化，深入理解跨學(xué)科融合教學(xué)的本質(zhì)和需求，掌握有效的科技教育理論。在“126模式”設(shè)計(jì)與探索過程中，STEM理念與機(jī)器人教學(xué)的融合創(chuàng)新，緊密依托于建構(gòu)主義和聯(lián)結(jié)主義教育理論，契合跨學(xué)科教學(xué)的真實(shí)需求，為培養(yǎng)新時(shí)代下具備“關(guān)鍵能力、必備品格、正確的價(jià)值觀”的創(chuàng)新人才提供了實(shí)踐借鑒價(jià)值。

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本文為廣東省教育研究院第二批STEM教育專項(xiàng)研究重點(diǎn)課題“基于STEM的機(jī)器人校本課程開發(fā)研究”（立項(xiàng)編號：GDJY-2020-S-a009）研究成果。