陳雅燕

【摘? 要】 無人機作為智能領(lǐng)域的新技術(shù)，其設(shè)計、制造與應用融合了多學科的知識。無人機教育能夠促進新課改理念的有效實施和創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，但現(xiàn)有研究對中小學階段的無人機教育關(guān)注度不夠。文章在分析了無人機教育內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，結(jié)合STEAM教育理念，從跨學科融合的視角，開展無人機課堂教學的實踐探索，制訂了無人機課程內(nèi)容體系和教學策略，通過“智慧農(nóng)場”案例分析了無人機教學的實踐過程與效果。

【關(guān)鍵詞】 無人機教學；STEAM；創(chuàng)新思維

一、研究背景

無人機是集空氣動力學、電子科學與技術(shù)、機械工程、通信、材料、工藝、力學、航空氣象和航空測量等多學科為一體的綜合性很強的科技產(chǎn)品，具備開展跨學科融合教學的優(yōu)勢，能夠有效支撐新課程改革教學理念的落實。無人機是一個操作性極強的產(chǎn)品，其在飛行過程中的方向操控、風力判斷和地勢分析等內(nèi)容，有助于提高學生“手眼腦”的協(xié)同動手能力、問題解決能力及多維空間想象力。

本研究通過文獻檢索，發(fā)現(xiàn)當前無人機教育的研究多集中在高等教育、職業(yè)教育上，對中小學階段的研究較少。由此可見，教育研究者對中小學無人機教育的發(fā)展關(guān)注度不夠、實踐探索不足。無人機作為高校開展的一門專業(yè)課程，其教學內(nèi)容對于中小學生而言，過于復雜、難以吸收。因此，如何選擇、組織適合中小學生的無人機課程內(nèi)容，并設(shè)計課堂教學，是當下中小學無人機教育應該考慮的重要問題。

二、STEAM教育概述

STEM教育源于美國，是科學、技術(shù)、工程和數(shù)學四門學科的簡稱，而后隨著學者的進一步研究，加入了藝術(shù)，成為STEAM教育。在本質(zhì)上，STEM和STEAM一脈相承，均強調(diào)多學科的交叉融合。STEM教育并不是科學、技術(shù)、工程和數(shù)學的簡單疊加，而是將四門學科組合成一個有機整體，以更好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神與實踐能力。由此可見，無人機課程的綜合性與STEAM教育的跨學科性十分契合。STEAM教育與無人機教學的融合體現(xiàn)在兩個方面：一是在課程內(nèi)容上，關(guān)注學科融合和多元素的交織；二是在教學實施上，開展問題式的教學實踐，教師在“確定結(jié)果和模糊任務(wù)”中，引導學生嘗試使用多種解決方案，發(fā)展學生的思維和提升學生的問題分析能力。

總之，基于STEAM教育理念看待無人機課程的實施，就是要從學科融合的視角出發(fā)，設(shè)計綜合主題，開展問題式教學，在問題中逐步培養(yǎng)學生對科學知識的認知、對技術(shù)工具的操作、對工程結(jié)構(gòu)的認識以及對藝術(shù)設(shè)計的審美；在實踐過程中增強學生的問題解決能力、動手實踐能力和創(chuàng)新思維能力，以提高學生對未來的適應力、生存力和創(chuàng)造力。

三、無人機課程的構(gòu)建

（一）課程形式及內(nèi)容

無人機課程的實施，主要采用了問題式教學方法，通過分主題的探索，引導學生在“確定結(jié)果和模糊任務(wù)”中探究路線，掌握理論知識、實踐操作，進而形成問題解決能力、動手實踐能力和創(chuàng)新思維能力。課程的基礎(chǔ)內(nèi)容包括理論知識和實踐操作兩個部分，在內(nèi)容組織上融合了STEAM理念，以主題的形式連接知識點。無人機課程內(nèi)容體系如表1所示。

（二）課程實施

1. 教學環(huán)境

無人機課程的實施依托深圳市南山實驗教育集團南海中學的人工智能實驗室，實驗室配備的大疆無人機支持自主編程，自身集成了TOF傳感器、氣壓高度識別傳感器，兼容了其他類型的傳感器，能夠滿足多樣化的功能設(shè)計需求，為課程開展提供了硬件保障。

無人機教學的開展，采用了問題式教學形式。問題式學習是以任何問題為驅(qū)動的學習環(huán)境，研究表明，問題式教學對提高問題的解決能力具有積極意義。本研究以Barrow提出的問題式教學活動模式，開展無人機教學活動，包括引入真實情境—提出問題—案例體驗—問題探究—展示交流五個環(huán)節(jié)，如圖1所示。

（1）真實情境關(guān)聯(lián)社會生活生產(chǎn)問題

生活情境圍繞社會生活生產(chǎn)的現(xiàn)象，包括無人機在農(nóng)業(yè)建設(shè)、工程建設(shè)、社會生產(chǎn)等方面的探索與實踐，引導學生從真實現(xiàn)象中產(chǎn)生創(chuàng)新設(shè)計的想法，并進行探究。

（2）問題提出，細化功能的實現(xiàn)

問題的提出圍繞功能的實現(xiàn)進行，教師帶領(lǐng)學生分析要解決的具體問題，并逐層細化。

（3）案例體驗，具化模糊知識

在案例體驗環(huán)節(jié)，教師讓學生從抽象的想象回到現(xiàn)實的觀察中，對此教師需要明晰功能，細化方案，并通過提供KWL反思性支架，從know—want—learned的路徑出發(fā)，引導學生明確完成相關(guān)實踐需要掌握的知識。

（4）問題探究產(chǎn)生實踐成果

問題探究環(huán)節(jié)以小組的形式開展，教師提供知識與實踐幫助手冊，學生根據(jù)設(shè)計的方案逐步實現(xiàn)測試，教師給予針對性的指導。

（5）展示交流，共享知識經(jīng)驗

展示交流環(huán)節(jié)以小組形式開展，引導學生從整體功能設(shè)計到具體編程的實現(xiàn)等方面介紹作品，形成想法分享與交流的良好氛圍，促進團隊的合作。

2. 評價標準

無人機課程實踐的評價從整體設(shè)計、功能實現(xiàn)和想法創(chuàng)新三個層面進行，即評價學生的作品在解決社會生活生產(chǎn)問題方面的創(chuàng)新設(shè)計，評估功能的實現(xiàn)程度以及技術(shù)的應用，評價學生在團隊合作中的表現(xiàn)。

四、無人機課堂的教學實踐

本文選取了無人機課程規(guī)劃中的“智慧農(nóng)業(yè)”主題開展教學實踐，根據(jù)設(shè)計的教學策略，組織“智慧農(nóng)業(yè)”主題活動，從學生的角度出發(fā)，評價無人機課堂的實踐效果，并優(yōu)化教學策略。

（一）教學主題

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展有諸多技術(shù)參與的可能，該主題能夠引導學生更好地將無人機技術(shù)與社會生活生產(chǎn)相聯(lián)系，在案例體驗和實踐中掌握無人機的相關(guān)知識，感受無人機的意義和價值。

（二）教學過程

真實情境：“農(nóng)場主小劉有一片農(nóng)田，農(nóng)田里種植了許多農(nóng)作物，有土豆、西瓜和其他各種蔬菜。小劉每天都要對農(nóng)田進行澆水，還要定期施肥、除蟲，每次都要忙大半天?，F(xiàn)在小劉想再多買幾畝地，再種植一些番茄，但是每天澆水、施肥，已經(jīng)讓他沒有時間和精力再擴大種植規(guī)模，現(xiàn)在的他非?？鄲?，你有沒有辦法利用無人機技術(shù)幫幫農(nóng)場主呢？”

在課堂上，教師通過上述情境，引導學生思考無人機技術(shù)在農(nóng)場管理中應用的可能性，讓學生以小組的形式開展討論。教師通過分析課堂數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)學生能大膽設(shè)想，思考如何利用無人機進行澆水、施肥，提出無人機技術(shù)在智慧農(nóng)場播種、監(jiān)測中的各種應用可能，如表2所示。

學生通過無人機技術(shù)在農(nóng)場中的應用設(shè)想，提出了解決農(nóng)場主問題的方案，就是讓無人機進行定時的澆水和施肥?；诖?，教師提出探究問題：

1. 如何控制無人機的定時起飛；2. 如何控制無人機按照固定路線進行澆水、施肥；3. 如何控制無人機回到起點降落。

在引出探究問題的基礎(chǔ)上，教師演示案例，引導學生觀察、分析功能實現(xiàn)的具體過程，讓學生在學習手冊上完成KWL分析表，列出要解決的問題以及需要掌握的知識，如表3所示。

通過KWL分析表，學生明確了問題和需要掌握的知識，教師在此基礎(chǔ)上提供資料，引導學生掌握無人機定時起飛、挑戰(zhàn)卡識別以及航線規(guī)劃的知識，各小組按需學習，并開展問題探究。結(jié)果表明，學生設(shè)計的程序，實現(xiàn)了無人機的定時起飛和巡航施肥。

（三）評價與反思

通過分析“智慧農(nóng)場”課堂可知，各小組能夠在規(guī)定時間內(nèi)探究并實現(xiàn)無人機在智慧農(nóng)場的定時巡航澆水、施肥，表明了教學策略的合理性。真實情境的導入，激發(fā)了學生的好奇心；功能設(shè)想活動，滿足了學生的想象力；KWL分析表，引導學生明確、了解決問題的知識空缺；學習資料的提供和教師的指導，讓學生有余力去探究問題。根據(jù)最終的作品評價可知，各組學生均達成了學習目標，并有了進一步的拓展想法和實踐愿望。

參考文獻：

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