秦換魚

● STEM教育與機器人教育

1.STEM教育

STEM教育理念是當前國際上頗有影響力的教育思想之一，這一理念強調科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學（Mathematics）四個領域的交叉融合與運用。在STEM教育中，科學素養(yǎng)是重點，是為學生將來進一步從事科學研究打基礎的；技術素養(yǎng)和工程素養(yǎng)則是在實際的社會分工中普遍體現(xiàn)的，它以明顯的應用特點為科學研究提供工具和思路；數(shù)學素養(yǎng)是STEM教育的基礎，技術深入、工程論證、科學推理和建模都需要數(shù)學作為基礎。[1]

2.簡易機器人教育

作為高中通用技術課程的選修模塊，“簡易機器人制作”課程的開設成為當前中學進行素質教育的突破口。有些高中甚至面向全體學生開設機器人課程，讓機器人教育進入課堂，進入每位學生的生活學習中。這一活動的綜合性以及知識技術應用領域的廣泛性，為培養(yǎng)學生的動手能力、邏輯思維能力、分析和解決問題的能力、合作能力等提供了良好的平臺。

3.STEM與機器人教育的整合

STEM教育建立在集成其他學科知識，并融合成一個新的整體框架的基礎上，它把這一整體的最佳結合點展現(xiàn)在學生面前，這也正體現(xiàn)了當前機器人教育的訴求。

STEM理念下的機器人教學充分體現(xiàn)了學科的綜合性、實踐性，其核心價值在于對學生創(chuàng)造思維以及實踐能力的培養(yǎng)（如圖1）。而這種價值的成功與否，關鍵在于課程體系中教學設計、教學模式和教學方法是否具備創(chuàng)新性。

● STEM理念下的簡易機器人教學活動設計

STEM理念下的簡易機器人教學需要放在“活動”的結構中來實施課程。而依據(jù)傳統(tǒng)教學模式開展的機器人教學則很少考慮“活動”在整個教學過程中發(fā)揮的作用。美國國際技術教育協(xié)會提出了STEM取向的課程架構，以工程問題解決為主軸，再輔以技術（設計）、數(shù)學與科學相關知識，發(fā)展專題導向的教學模式，以培養(yǎng)學生科學知識整合的能力并激發(fā)學生學習工程的興趣。它利用工程設計的方法把課程中需要學生掌握的科學知識和方法集合成具體的項目，通過解決核心問題的活動使學生經(jīng)歷科學探究以及工程設計的過程，給學生呈現(xiàn)的課程任務是一個需要執(zhí)行產(chǎn)生最終產(chǎn)品的一項或多項任務，產(chǎn)品可以是一個問題的解決方案、一個模型或者一個成型的設備，而項目活動的高潮則是一個口頭或者書面形式的產(chǎn)品展示以及具體的活動過程介紹。[2]

基于這一理念，結合簡易機器人教學的實際需求，在整個活動過程中，教師始終以系統(tǒng)問題解決為中心，通過任務驅動，在創(chuàng)設的情境中明確目標，通過活動的實施與評價，實現(xiàn)系統(tǒng)問題的解決，STEM理念下的簡易機器人教學活動設計如圖2所示。需要特別說明的是，在情境創(chuàng)設過程中必須要明確學習目標，學習目標既是教學活動的起始點，也是教學活動的最終落腳點，是對學生參與學習活動后，在認知知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀領域獲得成長的預期，同時目標的設計也要能體現(xiàn)學生對STEM理念學習的強調。例如，在使用超聲波傳感器進行感應接力的實際應用中，關于超聲波傳感器的工作原理和程序編寫過程中涉及的分支結構均屬于知識范疇，且前者屬于感知科學范疇，后者屬于編程技術領域。具體的設計過程將通過“機器人接力賽”的教學案例進行分析。

● “機器人接力賽”教學案例

STEM理念下的簡易機器人教學，采用項目教學法實施教學，硬件采用Lego mindstorms NXT教育機器人套件以及配套的可視化編程軟件。學生在學習本項目前已經(jīng)對樂高構建有了一定的經(jīng)驗，熟悉了編程軟件的基本操作，并有了使用傳感器的經(jīng)驗。教師可以將班級中的48名學生分成16個小組，每個小組3名學生，4個小組作為一個團隊參加比賽。

1.活動主題：機器人接力賽

2.活動目標（如右上表）

3.活動設計

“機器人接力賽”的任務將由4臺機器完成，學生自主設計不同角色的機器人，共同完成機器人接力，場地如圖3所示，1號機器人從起點出發(fā)，到達2號接力點時，1號機器人停止，2號機器人前進，依次類推，最后4號機器人在終點處投放物體。

機器人活動的項目設計作用在于從活動理論的角度去考慮機器人教學活動如何建構。總體而言，活動設計包括活動內(nèi)容和活動流程設計兩部分：活動內(nèi)容的設計包括對任務、規(guī)則、分工以及工具等的設計；活動流程則是對具體活動完成序列的規(guī)定，該序列有助于活動實施過程的有序組織。

4.活動實施

（1）情境設計（10分鐘）。研究階段實際為對問題的深入理解和界定。教師在該階段引導學生關注運動途中的巡線問題以及接力過程的感應，給出模擬流水接力的問題情境，將學生帶入問題。學生通過《機器人接力賽任務說明》以及實體場地獲得對該任務的深入理解，以團隊討論的方式梳理解決問題的關鍵點以及可能的解決方案。同時，教師講解關鍵知識點，如光電傳感器的原理及基本的使用方法等。

（2）活動計劃（10分鐘）。對問題解決的過程進行規(guī)劃，包括明確定義問題、對問題解決進行任務的拆解和分工、時間規(guī)劃、資料的收集和整理等。這一階段的重要工作是由小組合作轉變?yōu)閳F隊合作，不同小組之間要討論不同角色的機器人結構特點以及感應前一個或后一個機器人的方式。

（3）結構設計與調試（60分鐘）。按照任務要求搭建機器人并編寫程序代碼，其中包括對相關知識點的學習過程以及傳感器的應用。將載入程序的機器人放入實體場地進行調試，對方案中結構搭建或程序編寫方面存在的不足進行實時修正。

（4）比賽總結（10分鐘）。即任務完成情況的展示和項目管理過程的報告及講演，以團隊為單位演示機器人在實體場地中完成接力任務的全過程，并對團隊合作過程進行口頭報告。

機器人課程在培養(yǎng)學生的STEM素養(yǎng)方面具有獨特的優(yōu)勢，在機器人教育中體現(xiàn)STEM理念也將是未來教育的發(fā)展方向。如何更好地在具體的課程中實施這一理念，是值得廣大機器人教育者認真思考與研究的問題。

參考文獻：

[1]許松彥.STEM教育視野下的智能機器人競賽活動實施[J].中國信息技術教育，2015（04）.

[2]李楊.STEM教育視野下的科學課程構建[M].金華：浙江師范大學，2014.

[3]吳秀鳳，陳奕賢.STEM理念下中小學Arduino機器人教學模式研究[J].福建電腦，2015（5）.

[4]王同聚.中小學機器人教學模式的探索與實踐[J].教育信息技術，2014（9）.

基金項目：本文系江蘇省現(xiàn)代教育技術研究2015年度重點課題“簡易機器人校本課程的研究與開發(fā)”（課題編號：2015-R-41544）階段性研究成果。