通過(guò)“智軌時(shí)代”校本課程探討STEM教育在教育機(jī)器人社團(tuán)活動(dòng)中的作用

〔摘" "要〕" 本文研究了基于教育機(jī)器人的小學(xué)創(chuàng)新教育案例。當(dāng)前小學(xué)教育機(jī)器人呈現(xiàn)多樣化發(fā)展趨勢(shì)，STEM教育理念日益流行，基于STEM教育理念使用教育機(jī)器人開(kāi)展小學(xué)社團(tuán)活動(dòng)已成為創(chuàng)新教育的重要手段。本文通過(guò)“智軌時(shí)代”校本課程案例，探討了STEM教育在教育機(jī)器人社團(tuán)活動(dòng)中提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)與數(shù)學(xué)素養(yǎng)的作用。課程設(shè)計(jì)包括理解智軌運(yùn)行原理、解決基礎(chǔ)技術(shù)問(wèn)題、設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)工程模型，并貫穿于數(shù)學(xué)素養(yǎng)的應(yīng)用。實(shí)踐表明，教育機(jī)器人不僅能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，還能促進(jìn)學(xué)生的個(gè)性發(fā)展和身心健康。創(chuàng)新教育是教育發(fā)展的主體目標(biāo)，STEM教育是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要方法，教育機(jī)器人是培養(yǎng)小學(xué)生創(chuàng)新能力的重要工具。

〔關(guān)鍵詞〕" 小學(xué)科學(xué)；STEM教育；教育機(jī)器人；學(xué)生社團(tuán)；創(chuàng)新教育

〔中圖分類號(hào)〕" G424" " " " " " " " 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕" A" " " " 〔文章編號(hào)〕" 1674-6317" " （2025）14" " 0103-03

基礎(chǔ)教育是高等教育的基石，小學(xué)生的創(chuàng)造力是最不受束縛的，許多突破性的想法都源于兒時(shí)的天馬行空。當(dāng)前，小學(xué)教育機(jī)器人呈現(xiàn)多樣化的發(fā)展趨勢(shì)，機(jī)器人教育以學(xué)生社團(tuán)為主要形式，STEM教育理念日益流行。在小學(xué)創(chuàng)新教育中，基于STEM教育理念使用教育機(jī)器人進(jìn)行機(jī)器人教育的小學(xué)社團(tuán)活動(dòng)，已成為小學(xué)階段創(chuàng)新教育的重要手段。

一、關(guān)鍵詞界定

創(chuàng)新教育是一個(gè)高度復(fù)雜的系統(tǒng)工程，往往需要綜合運(yùn)用多種學(xué)科知識(shí)。小學(xué)創(chuàng)新教育的核心是在全面實(shí)施素質(zhì)教育的過(guò)程中，為迎接知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的挑戰(zhàn)，著重研究與解決在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域如何培養(yǎng)小學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的問(wèn)題。

STEM教育是圍繞科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)學(xué)科知識(shí)與能力開(kāi)展的，著重提高學(xué)生的STEM素養(yǎng)，優(yōu)化學(xué)業(yè)成績(jī)，進(jìn)而為創(chuàng)新型人才的成長(zhǎng)奠定基礎(chǔ)。STEM教育是創(chuàng)新教育的重要方式。

教育機(jī)器人是由生產(chǎn)廠商專門開(kāi)發(fā)的以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生綜合能力為目標(biāo)的機(jī)器人成品、套裝或散件。教育機(jī)器人因?yàn)檫m應(yīng)小學(xué)階段的機(jī)器人教育，對(duì)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)與數(shù)學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)和提高起到了積極的作用，在眾多小學(xué)得以推廣，以其“玩中學(xué)”的特點(diǎn)深受少年兒童的喜愛(ài)。由于教育機(jī)器人數(shù)量的限制，小學(xué)階段的機(jī)器人教育多以社團(tuán)活動(dòng)形式為主。

小學(xué)社團(tuán)是學(xué)生在自愿基礎(chǔ)上由興趣愛(ài)好相近的學(xué)生組成的團(tuán)體，在教師的指導(dǎo)下，組織開(kāi)展健康、積極有益的活動(dòng)。

二、“智軌時(shí)代”案例

隨著宜賓第一條智軌示范線的建設(shè)和試運(yùn)行，“智軌”成了我們生活中的熱點(diǎn)。智能軌道快運(yùn)系統(tǒng)簡(jiǎn)稱“智軌”，通過(guò)自動(dòng)循跡與軌跡跟隨技術(shù)，控制列車沿著標(biāo)線行駛。按照教育應(yīng)與實(shí)際生活相結(jié)合的原則，2018年筆者以此為契機(jī)自主編寫了“智軌時(shí)代”校本課程，通過(guò)模擬的智軌場(chǎng)地，指導(dǎo)學(xué)生解決“自動(dòng)駕駛”“站點(diǎn)?？俊薄鞍踩旭偂钡葘?shí)際問(wèn)題。以下主要以“智軌時(shí)代”校本課程案例探究STEM教育如何在教育機(jī)器人社團(tuán)活動(dòng)中提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)與數(shù)學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。

（一）用科學(xué)素養(yǎng)理解運(yùn)行原理

科學(xué)素養(yǎng)注重運(yùn)用科學(xué)知識(shí)理解自然界并參與影響自然界的過(guò)程。在本課程案例的前面課，筆者專門設(shè)計(jì)了實(shí)踐作業(yè)：通過(guò)自己收集資料、實(shí)地考察，了解宜賓智軌的建設(shè)、運(yùn)行情況，然后小組匯總，形成組內(nèi)共識(shí)，并用自己的語(yǔ)言解釋智軌車運(yùn)行的科學(xué)原理。在社團(tuán)活動(dòng)教學(xué)中，通過(guò)小組分別匯報(bào)、交流，教師適時(shí)引導(dǎo)，共同制定要完成“智軌時(shí)代”模型必須學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識(shí)目標(biāo)：學(xué)習(xí)灰度傳感器、超聲波傳感器；巡線的思路及方法。通過(guò)這兩課的學(xué)習(xí)，使社團(tuán)的學(xué)生運(yùn)用已學(xué)的教育機(jī)器人知識(shí)理解了智軌運(yùn)行的科學(xué)原理，并激發(fā)了學(xué)生積極參與制造“智軌時(shí)代”模型的熱情和信心，讓他們養(yǎng)成了運(yùn)用科學(xué)知識(shí)理解身邊的事物并參與影響身邊事物的科學(xué)素養(yǎng)。

（二）以技術(shù)素養(yǎng)解決基礎(chǔ)問(wèn)題

技術(shù)素養(yǎng)也就是使用、管理、理解和評(píng)價(jià)技術(shù)的能力。在學(xué)生明確了“智軌時(shí)代”模型的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)目標(biāo)后，專門設(shè)計(jì)了學(xué)習(xí)灰度傳感器、超聲波傳感器和巡線的思路及方法的課程，從技術(shù)的層面支撐“智軌時(shí)代”課程的完成。探索學(xué)習(xí)使用灰度傳感器識(shí)別地面軌跡；使用超聲波傳感器識(shí)別障礙；利用單灰度、雙灰度實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)駕駛”的功能；利用超聲波實(shí)現(xiàn)“安全行駛”的功能。在學(xué)習(xí)這一系列技術(shù)的過(guò)程中，筆者使用虛擬教育機(jī)器人進(jìn)行教學(xué)，目的是讓學(xué)生能夠先熟練完成流程圖、使用編程實(shí)現(xiàn)巡線，從技術(shù)層面理解智軌車自動(dòng)循跡與軌跡跟隨，為實(shí)地操作打下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

（三）在設(shè)計(jì)中提升學(xué)生工程素養(yǎng)

案例中，科學(xué)素養(yǎng)在于認(rèn)識(shí)智軌、解釋智軌運(yùn)行的客觀規(guī)律；技術(shù)素養(yǎng)則是利用虛擬機(jī)器人學(xué)習(xí)智軌運(yùn)行的巡線技術(shù)和安全行駛技術(shù)。科學(xué)素養(yǎng)和技術(shù)素養(yǎng)是內(nèi)在的，必須以工程素養(yǎng)作為表象體現(xiàn)。工程素養(yǎng)即對(duì)技術(shù)工程設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程的理解，提升工程素養(yǎng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)“智軌時(shí)代”的控制、解決實(shí)現(xiàn)模型過(guò)程中遇到的各種狀況，利用實(shí)體教育機(jī)器人實(shí)現(xiàn)“智軌時(shí)代”模型的設(shè)計(jì)、組織、編程、調(diào)試。教育機(jī)器人活動(dòng)的設(shè)計(jì)、組裝、編程、調(diào)試這四個(gè)過(guò)程不是簡(jiǎn)單的遞進(jìn)式關(guān)系，而是隨著發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的深入在這四個(gè)過(guò)程中不斷跳躍。學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)需要不斷地思考，不斷地實(shí)踐操作，不斷地解決問(wèn)題又發(fā)現(xiàn)新的問(wèn)題。比如在安裝“智軌時(shí)代”紅綠燈模型的時(shí)候，首先提出第一階段的任務(wù)：編程實(shí)現(xiàn)一組紅綠燈的交替閃爍。在這一任務(wù)完成后提出第二階段的任務(wù)：觀察某一路口紅綠燈的運(yùn)行狀態(tài)，怎樣才能使一組紅綠燈適合實(shí)際使用？讓學(xué)生明白要考慮路口的車流量，哪一條路車流量大就需要給其更多的時(shí)間，并且紅綠燈要安裝在醒目處。最后引導(dǎo)學(xué)生提出新的問(wèn)題，在一個(gè)十字路口最少得有四組紅綠燈，而且它們的運(yùn)作必須配合得天衣無(wú)縫。應(yīng)該怎么實(shí)現(xiàn)呢？就是在這樣的重復(fù)之下，不斷地更新設(shè)計(jì)、升級(jí)組裝、優(yōu)化編程、實(shí)踐調(diào)試，提升學(xué)生運(yùn)用科學(xué)知識(shí)理解智軌并參與影響智軌的過(guò)程，提高學(xué)生使用巡線技術(shù)、理解流程和相互評(píng)價(jià)技術(shù)的能力，最終完成對(duì)“智軌時(shí)代”的工程設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程。

（四）運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)提升學(xué)生數(shù)學(xué)素養(yǎng)

數(shù)學(xué)作為技術(shù)與工程學(xué)科的基礎(chǔ)工具，始終貫穿于本課程案例中。數(shù)學(xué)素養(yǎng)即引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、表達(dá)、解釋和解決教育機(jī)器人數(shù)學(xué)問(wèn)題的能力。在案例的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，需大量運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)提升學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)，測(cè)量計(jì)算灰度閾值實(shí)現(xiàn)軌跡的識(shí)別、測(cè)量超聲波探測(cè)距離、計(jì)算路口通過(guò)時(shí)間完成紅綠燈模型的設(shè)計(jì)、計(jì)算速度完成機(jī)器人弧度轉(zhuǎn)彎、編寫流程圖等。如在實(shí)現(xiàn)“站點(diǎn)?？俊钡墓δ軙r(shí)，要求組內(nèi)充分討論、分工，各司其職，進(jìn)行充分論證與計(jì)算再行動(dòng)。需計(jì)算出每一個(gè)站點(diǎn)需要停運(yùn)的時(shí)間，計(jì)算出在彎道時(shí)為使行駛平穩(wěn)需要的速度差，計(jì)算在路口轉(zhuǎn)向時(shí)需要的馬達(dá)不同數(shù)值，計(jì)算在模型上有多輛智軌車行駛時(shí)互不干擾的時(shí)間差。通過(guò)在科學(xué)層面上解釋和理解這些數(shù)值，從技術(shù)層面上檢驗(yàn)并修改，通過(guò)工程不斷調(diào)試實(shí)現(xiàn)，最終才能形成一個(gè)比較完美的具體模型。

三、實(shí)踐中的創(chuàng)新

結(jié)合STEM課程明確培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力目標(biāo)的定義，更加確定基于教育機(jī)器人的創(chuàng)新教育對(duì)小學(xué)生的重要影響。

（一）注重對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

手腦結(jié)合能力。教育機(jī)器人的教學(xué)活動(dòng)主要包含了設(shè)計(jì)、編程和組裝、調(diào)試，學(xué)生只有開(kāi)動(dòng)自己的思維列車進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用所學(xué)知識(shí)動(dòng)腦編程，才能賦予機(jī)器人的大腦以思想。賦予了機(jī)器人思想，還需要給機(jī)器人一個(gè)身體，這時(shí)就需要?jiǎng)邮诌M(jìn)行組裝。調(diào)試更是對(duì)學(xué)生手腦協(xié)調(diào)能力的鍛煉。比如在進(jìn)行實(shí)體跨欄賽機(jī)器人教學(xué)時(shí)，既要讓學(xué)生在編程時(shí)動(dòng)腦實(shí)現(xiàn)機(jī)器人如何保持在賽道內(nèi)、如何跨過(guò)障礙，還需要學(xué)生在組裝搭建時(shí)動(dòng)手，在不斷地觀察運(yùn)行軌跡、調(diào)試中獲得手腦的協(xié)調(diào)發(fā)展。

團(tuán)隊(duì)合作能力。機(jī)器人結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了這一活動(dòng)必須是一個(gè)團(tuán)結(jié)協(xié)作的過(guò)程。在學(xué)習(xí)中，學(xué)生只能通過(guò)合理分工、協(xié)商流程才能共同完成任務(wù)。通過(guò)學(xué)習(xí)他們很快會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)自己在編程或者搭建時(shí)遭遇思維定式的時(shí)候，有了團(tuán)隊(duì)的力量，經(jīng)常能夠很快地解決問(wèn)題。從而促使他們更愿意融入團(tuán)隊(duì)之中，發(fā)揮集體的能量。

知識(shí)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用能力。機(jī)器人教學(xué)涉及語(yǔ)文、數(shù)學(xué)、科學(xué)等綜合實(shí)踐能力，在學(xué)習(xí)中，所學(xué)的知識(shí)既可以幫助學(xué)生更快、更好地完成任務(wù)；反過(guò)來(lái)，他們也會(huì)經(jīng)常性地發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的任務(wù)也會(huì)促進(jìn)他們對(duì)其他學(xué)科的學(xué)習(xí)。

（二）注重對(duì)學(xué)生個(gè)性發(fā)展的影響

個(gè)性是每一個(gè)人的標(biāo)識(shí)，機(jī)器人的學(xué)習(xí)更是一個(gè)能夠充分體現(xiàn)學(xué)生個(gè)性的過(guò)程。對(duì)同一個(gè)任務(wù)，在編程的時(shí)候可以有幾種甚至幾十種方式實(shí)現(xiàn)，在搭建的時(shí)候更會(huì)有成百上千樣的變化。例如在進(jìn)行循跡機(jī)器人教學(xué)的時(shí)候，有的學(xué)生會(huì)在設(shè)計(jì)和編程時(shí)把循跡的重點(diǎn)放在左側(cè)的傳感器上，而有的學(xué)生則會(huì)選擇首先判斷右側(cè)的傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)和編程，再根據(jù)所設(shè)定的程序搭建出風(fēng)格迥異、富有個(gè)性的循跡機(jī)器人。當(dāng)然，這都能夠完美地完成循跡任務(wù)。在每一次機(jī)器人的基本任務(wù)完成之后，筆者都會(huì)讓學(xué)生按照自己的意愿裝飾自己的機(jī)器人，最后給他們時(shí)間展示程序、演示自己的個(gè)性機(jī)器人，充分尊重他們的個(gè)性，肯定他們的個(gè)性，讓他們以自己的不同為傲?？茖W(xué)發(fā)展史中的大量事實(shí)說(shuō)明，那些具有獨(dú)特創(chuàng)造力的科學(xué)家，總是有一些與眾不同的東西，恰恰是這種“不同”，才是極為寶貴的。因此可以說(shuō)，尊重個(gè)性即是保護(hù)創(chuàng)新能力，消滅“不同”的個(gè)性，其實(shí)是在扼殺社會(huì)的創(chuàng)新能力。

（三）注重對(duì)學(xué)生身心健康的影響

教育機(jī)器人的學(xué)習(xí)是一個(gè)長(zhǎng)期的、遞進(jìn)的過(guò)程，涉及計(jì)算機(jī)、機(jī)械、電子、通信、控制、聲、光、電、磁等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域多種門類的知識(shí)。這就要求學(xué)生必須對(duì)各領(lǐng)域知識(shí)廣泛涉獵，并且做到持之以恒，才能取得一些成就。機(jī)器人的設(shè)計(jì)、搭建、編程和調(diào)試過(guò)程，正是鍛煉學(xué)生身體和意志，培養(yǎng)學(xué)生堅(jiān)韌、不言放棄精神的過(guò)程。當(dāng)學(xué)生完成一個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)之后，回顧自己把一個(gè)個(gè)零散的配件搭建成具有某一能力的機(jī)器人，把自己的思想通過(guò)編程賦予到機(jī)器人上得以實(shí)現(xiàn)，這樣成功的體驗(yàn)足以讓他們引以為傲。每當(dāng)社團(tuán)展示、其他社團(tuán)的學(xué)生圍觀著讓他們演示講解某一機(jī)器人時(shí)，他們是自信的、自豪的，讓人仿佛看到了他們充滿正能量的小宇宙在不斷迸發(fā)。他們?cè)谙抡n了還沒(méi)有完成任務(wù)時(shí)依然保持著的堅(jiān)定眼神和躍躍欲試，他們?cè)诠テ齐y關(guān)完成任務(wù)之后的歡呼雀躍，使人深受感染，教師不由自主地為他們感到驕傲，也為自己驕傲。在社團(tuán)實(shí)踐活動(dòng)中，他們能夠充分地獲得滿足感；在團(tuán)隊(duì)合作中能夠積極地溝通，善于正確地評(píng)價(jià)自我，做到誠(chéng)心地贊美和善意地批評(píng)；在自身修養(yǎng)中能夠具有自制力，保持自身人格、個(gè)性的完整性。這樣的經(jīng)歷對(duì)于小學(xué)生來(lái)說(shuō)非常難得，對(duì)于其身心健康的培養(yǎng)彌足珍貴。

創(chuàng)新教育是教育創(chuàng)新發(fā)展的主體和終極目標(biāo)，STEM教育是落實(shí)創(chuàng)新教育的具體方法和途徑，教育機(jī)器人是實(shí)施STEM教育，培養(yǎng)小學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的重要工具，社團(tuán)活動(dòng)是小學(xué)生創(chuàng)新教育的主要形式。通過(guò)基于教育機(jī)器人的創(chuàng)新教育，我們不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，還能促進(jìn)他們的個(gè)性發(fā)展和身心健康，為他們的全面發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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