STEM理念下的简易机器人教学研究

秦换鱼

● STEM教育与机器人教育

1.STEM教育

STEM教育理念是当前国际上颇有影响力的教育思想之一，这一理念强调科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）四个领域的交叉融合与运用。在STEM教育中，科学素养是重点，是为学生将来进一步从事科学研究打基础的；技术素养和工程素养则是在实际的社会分工中普遍体现的，它以明显的应用特点为科学研究提供工具和思路；数学素养是STEM教育的基础，技术深入、工程论证、科学推理和建模都需要数学作为基础。[1]

2.简易机器人教育

作为高中通用技术课程的选修模块，“简易机器人制作”课程的开设成为当前中学进行素质教育的突破口。有些高中甚至面向全体学生开设机器人课程，让机器人教育进入课堂，进入每位学生的生活学习中。这一活动的综合性以及知识技术应用领域的广泛性，为培养学生的动手能力、逻辑思维能力、分析和解决问题的能力、合作能力等提供了良好的平台。

3.STEM与机器人教育的整合

STEM教育建立在集成其他学科知识，并融合成一个新的整体框架的基础上，它把这一整体的最佳结合点展现在学生面前，这也正体现了当前机器人教育的诉求。

STEM理念下的机器人教学充分体现了学科的综合性、实践性，其核心价值在于对学生创造思维以及实践能力的培养（如图1）。而这种价值的成功与否，关键在于课程体系中教学设计、教学模式和教学方法是否具备创新性。

● STEM理念下的简易机器人教学活动设计

STEM理念下的简易机器人教学需要放在“活动”的结构中来实施课程。而依据传统教学模式开展的机器人教学则很少考虑“活动”在整个教学过程中发挥的作用。美国国际技术教育协会提出了STEM取向的课程架构，以工程问题解决为主轴，再辅以技术（设计）、数学与科学相关知识，发展专题导向的教学模式，以培养学生科学知识整合的能力并激发学生学习工程的兴趣。它利用工程设计的方法把课程中需要学生掌握的科学知识和方法集合成具体的项目，通过解决核心问题的活动使学生经历科学探究以及工程设计的过程，给学生呈现的课程任务是一个需要执行产生最终产品的一项或多项任务，产品可以是一个问题的解决方案、一个模型或者一个成型的设备，而项目活动的高潮则是一个口头或者书面形式的产品展示以及具体的活动过程介绍。[2]

基于这一理念，结合简易机器人教学的实际需求，在整个活动过程中，教师始终以系统问题解决为中心，通过任务驱动，在创设的情境中明确目标，通过活动的实施与评价，实现系统问题的解决，STEM理念下的简易机器人教学活动设计如图2所示。需要特别说明的是，在情境创设过程中必须要明确学习目标，学习目标既是教学活动的起始点，也是教学活动的最终落脚点，是对学生参与学习活动后，在认知知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观领域获得成长的预期，同时目标的设计也要能体现学生对STEM理念学习的强调。例如，在使用超声波传感器进行感应接力的实际应用中，关于超声波传感器的工作原理和程序编写过程中涉及的分支结构均属于知识范畴，且前者属于感知科学范畴，后者属于编程技术领域。具体的设计过程将通过“机器人接力赛”的教学案例进行分析。

● “机器人接力赛”教学案例

STEM理念下的简易机器人教学，采用项目教学法实施教学，硬件采用Lego mindstorms NXT教育机器人套件以及配套的可视化编程软件。学生在学习本项目前已经对乐高构建有了一定的经验，熟悉了编程软件的基本操作，并有了使用传感器的经验。教师可以将班级中的48名学生分成16个小组，每个小组3名学生，4个小组作为一个团队参加比赛。

1.活动主题：机器人接力赛

2.活动目标（如右上表）

3.活动设计

“机器人接力赛”的任务将由4台机器完成，学生自主设计不同角色的机器人，共同完成机器人接力，场地如图3所示，1号机器人从起点出发，到达2号接力点时，1号机器人停止，2号机器人前进，依次类推，最后4号机器人在终点处投放物体。

机器人活动的项目设计作用在于从活动理论的角度去考虑机器人教学活动如何建构。总体而言，活动设计包括活动内容和活动流程设计两部分：活动内容的设计包括对任务、规则、分工以及工具等的设计；活动流程则是对具体活动完成序列的规定，该序列有助于活动实施过程的有序组织。

4.活动实施

（1）情境设计（10分钟）。研究阶段实际为对问题的深入理解和界定。教师在该阶段引导学生关注运动途中的巡线问题以及接力过程的感应，给出模拟流水接力的问题情境，将学生带入问题。学生通过《机器人接力赛任务说明》以及实体场地获得对该任务的深入理解，以团队讨论的方式梳理解决问题的关键点以及可能的解决方案。同时，教师讲解关键知识点，如光电传感器的原理及基本的使用方法等。

（2）活动计划（10分钟）。对问题解决的过程进行规划，包括明确定义问题、对问题解决进行任务的拆解和分工、时间规划、资料的收集和整理等。这一阶段的重要工作是由小组合作转变为团队合作，不同小组之间要讨论不同角色的机器人结构特点以及感应前一个或后一个机器人的方式。

（3）结构设计与调试（60分钟）。按照任务要求搭建机器人并编写程序代码，其中包括对相关知识点的学习过程以及传感器的应用。将载入程序的机器人放入实体场地进行调试，对方案中结构搭建或程序编写方面存在的不足进行实时修正。

（4）比赛总结（10分钟）。即任务完成情况的展示和项目管理过程的报告及讲演，以团队为单位演示机器人在实体场地中完成接力任务的全过程，并对团队合作过程进行口头报告。

机器人课程在培养学生的STEM素养方面具有独特的优势，在机器人教育中体现STEM理念也将是未来教育的发展方向。如何更好地在具体的课程中实施这一理念，是值得广大机器人教育者认真思考与研究的问题。

参考文献：

[1]许松彦.STEM教育视野下的智能机器人竞赛活动实施[J].中国信息技术教育，2015（04）.

[2]李杨.STEM教育视野下的科学课程构建[M].金华：浙江师范大学，2014.

[3]吴秀凤，陈奕贤.STEM理念下中小学Arduino机器人教学模式研究[J].福建电脑，2015（5）.

[4]王同聚.中小学机器人教学模式的探索与实践[J].教育信息技术，2014（9）.

基金项目：本文系江苏省现代教育技术研究2015年度重点课题“简易机器人校本课程的研究与开发”（课题编号：2015-R-41544）阶段性研究成果。