(江蘇省揚州中學教育集團樹人學校,江蘇 揚州 225001)
“中國智造”要求培養(yǎng)出更多自主創(chuàng)新型人才,以增加中國未來工業(yè)發(fā)展的核心競爭力。智能機器人因為其包含機械原理、程序設(shè)計、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等知識的綜合性,被教育主管部門認定為是培養(yǎng)學生綜合創(chuàng)新能力的重要內(nèi)容,安排進了各教育階段的信息技術(shù)課程之中。
目前初中機器人教學活動在各級教育主管部門的支持下,正在形成企業(yè)主導、學校參與的教育教學模式。學校購買企業(yè)產(chǎn)品進行機器人教育,教師通過組織學生參與系列機器人競賽,使用任務(wù)驅(qū)動的方式調(diào)動學生的積極性,組織學生研究如何解決競賽任務(wù),教育教學活動都是圍繞競賽任務(wù)展開,難以做到將機器人教育與其他學科知識相融合,達不到教育主管部門通過推廣機器人教育培養(yǎng)綜合創(chuàng)新人才的期望。
《教育信息化“十三五”規(guī)劃”》中明確指出:信息技術(shù)課應(yīng)探索STEM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式,使學生具有較強的信息意識與創(chuàng)新意識。筆者所在學校是江蘇省第一批STEM項目試點校,學校開展了多種基于STEM理念的校本課程,STEM教育理念中的學科綜合、工程問題導入、科學探究素養(yǎng)培養(yǎng)等都非常契合機器人教育?;赟TEM理念,針對現(xiàn)有的機器人教育缺乏學生科學素養(yǎng)培養(yǎng)、缺乏學科融合的問題,筆者利用校本課程進行了探索,找尋適合初中生的機器人課程設(shè)計思路,增加機器人教育中學科知識綜合利用的環(huán)節(jié),培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)。
2.1 提升學生科學探究素養(yǎng)
探索“輪胎差速對智能小車轉(zhuǎn)彎半徑的影響”的競賽任務(wù)為:測量輪胎半徑、輪胎速度,計算內(nèi)輪轉(zhuǎn)彎半徑與外輪轉(zhuǎn)彎半徑。為了更快得出結(jié)論去完成競賽任務(wù),很多老師選擇直接告知學生:“差速越大,半徑越小”。筆者在研究初期嘗試將實驗的小車標準化,數(shù)據(jù)由教師提供,學生只需填寫表格中的空白部分,觀察并得出結(jié)論。這樣的環(huán)節(jié)雖然能鞏固數(shù)學中曲線長度和物理中速度知識,但如果換成同樣是探究曲線長度的“機械臂轉(zhuǎn)動幅度與動力齒輪比”問題,學生又無從下手,不清楚探索這樣的問題需要什么數(shù)據(jù),如何去獲取這些數(shù)據(jù),怎么去設(shè)計表格記錄數(shù)據(jù),更別提用數(shù)學、物理、化學等學科知識去處理這些數(shù)據(jù),得出相應(yīng)的結(jié)論了。這樣一來,雖然看似學科知識得到了融合,實質(zhì)上卻沒有培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力與科學探究素養(yǎng),學生沒有真正達到自發(fā)地去融合學科知識的目標。
分析對實驗可能造成影響的數(shù)據(jù)、分析自變量和因變量、設(shè)計實驗表格、測量并記錄實驗數(shù)據(jù),這些是STEM理念所要求學生具備的科學探究能力,對于初中生而言比較陌生。他們剛從比較直觀的科學探究中步入定性、定量更為嚴謹?shù)目茖W探究里,在現(xiàn)有教學體系里,科學探究素養(yǎng)的系統(tǒng)培養(yǎng)起始于初二的物理與初三的化學,而這種科學探究素養(yǎng)恰恰是機器人教育中學科融合的基石。
在機器人課程設(shè)計中,筆者嘗試設(shè)計了四到五個課時的內(nèi)容,通過一些生活中的案例分析去培養(yǎng)學生的科學探究素養(yǎng),先不讓學生接觸機器人器材,避免學生將關(guān)注的重點轉(zhuǎn)移到機器人的設(shè)計上。而是教會學生碰到這些問題時,應(yīng)該怎樣去思考與分析,怎樣去討論解決問題的方案,制作出自己的科學探究手冊,再結(jié)合現(xiàn)有的知識儲備和機器人器材,去研究如何達到自己手冊中的要求:應(yīng)該怎么樣去設(shè)計機器人?會用到哪些結(jié)構(gòu)?選擇什么尺寸的材料?通過解決他們在探索中的疑問,達到擴展其他學科知識的目的。
2.2 借用競賽任務(wù)擴展學科知識
筆者在研究初期通過開設(shè)單獨的機器人課程,期望根據(jù)STEM理念,自行設(shè)計實際問題來導入其他學科的知識,比如通過設(shè)計“古代拋石機設(shè)計及性能分析”引入物理知識,學生合作探討、設(shè)計,使用機器人套件完成更為精準的拋物機器人。這樣的課程設(shè)計雖然課時較多,占用了機器人競賽的時間,但是教學效果比較理想,學生的能力得到了提高。
筆者經(jīng)過多年機器人競賽教學觀察,發(fā)現(xiàn)準備競賽任務(wù)時學生積極性高、專注度強,思維活躍度比在傳統(tǒng)課堂教學中高,將其他學科的知識融入到競賽任務(wù)解決過程中去,學生會更加積極主動地去學習背景知識,顯著提高了知識的學習效率,學生也能理解這些理論知識在實際問題中的應(yīng)用方式。且通過反復(fù)的競賽設(shè)計與調(diào)試,學生對于這些知識的遺忘周期和靈活應(yīng)用的程度比單獨開設(shè)一門課程要好。
在研究中期開始對各類機器人競賽任務(wù)的解決方案進行統(tǒng)計與分析,結(jié)合初中物理、數(shù)學教材,整理并設(shè)計了包括三角函數(shù)、橢圓計算公式、角速度和線速度計算、牛頓運動定律、勢能等知識點的機器人編程算法和結(jié)構(gòu)設(shè)計課程,每年根據(jù)當年的機器人競賽任務(wù),將這些課程應(yīng)用到相應(yīng)的任務(wù)解決方案中,讓學生在探究競賽解決方案的同時,學習并鞏固其他學科知識,利用機器人教育達到學科知識融合、強化應(yīng)用的目的。
2.3 建立過程性評價體系
目前機器人教育中的評價還不完善,學校評價機器人教育工作成功與否的標準大多傾向于競賽獎項。在STEM注重過程性評價、強調(diào)建立過程性評價體系的理念引領(lǐng)下,筆者將機器人課程目標定于培養(yǎng)學生自主設(shè)計、完成機器人競賽任務(wù)的創(chuàng)新能力上,要求學生依照《STEM學生手冊》,設(shè)計并完成針對該比賽的機器人研究設(shè)計報告,在報告中體現(xiàn)小組在討論設(shè)計解決方案時用到的背景知識,記錄每一次機器人結(jié)構(gòu)與程序設(shè)計修改的思路與實踐結(jié)果,闡述為什么對原有的結(jié)構(gòu)或程序進行修改,其理論依據(jù)是什么,通過指導學生撰寫機器人研究設(shè)計報告,使教師不僅僅關(guān)注學生機器人最后完成任務(wù)的狀態(tài),學生也通過親自撰寫研究設(shè)計報告,提升了科技創(chuàng)新能力。
對于現(xiàn)階段的初中機器人教育而言,可以嘗試探索獨立于競賽,結(jié)合初中各學科知識,編寫成符合機器人學科體系的新教材展開教學。也可以嘗試將科學素養(yǎng)培養(yǎng)和學科知識融合的教學理念運用到基于機器人競賽任務(wù)的教學中,通過競賽任務(wù)引入學科知識,提高學生的積極性和參與度,讓學生主動去學習學科知識,利用這些背景知識完成機器人設(shè)計,在完成競賽任務(wù)的同時撰寫出研究報告,提升自身的創(chuàng)新能力。