将竞赛任务转化为教育任务——基于STEM理念的初中机器人教学设计研究

(江苏省扬州中学教育集团树人学校，江苏 扬州 225001)

1 研究背景

“中国智造”要求培养出更多自主创新型人才，以增加中国未来工业发展的核心竞争力。智能机器人因为其包含机械原理、程序设计、神经元网络等知识的综合性，被教育主管部门认定为是培养学生综合创新能力的重要内容，安排进了各教育阶段的信息技术课程之中。

目前初中机器人教学活动在各级教育主管部门的支持下，正在形成企业主导、学校参与的教育教学模式。学校购买企业产品进行机器人教育，教师通过组织学生参与系列机器人竞赛，使用任务驱动的方式调动学生的积极性，组织学生研究如何解决竞赛任务，教育教学活动都是围绕竞赛任务展开，难以做到将机器人教育与其他学科知识相融合，达不到教育主管部门通过推广机器人教育培养综合创新人才的期望。

《教育信息化“十三五”规划”》中明确指出：信息技术课应探索STEM教育、创客教育等新教育模式，使学生具有较强的信息意识与创新意识。笔者所在学校是江苏省第一批STEM项目试点校，学校开展了多种基于STEM理念的校本课程，STEM教育理念中的学科综合、工程问题导入、科学探究素养培养等都非常契合机器人教育。基于STEM理念，针对现有的机器人教育缺乏学生科学素养培养、缺乏学科融合的问题，笔者利用校本课程进行了探索，找寻适合初中生的机器人课程设计思路，增加机器人教育中学科知识综合利用的环节，培养学生的科学素养。

2 研究内容

2.1 提升学生科学探究素养

探索“轮胎差速对智能小车转弯半径的影响”的竞赛任务为：测量轮胎半径、轮胎速度，计算内轮转弯半径与外轮转弯半径。为了更快得出结论去完成竞赛任务，很多老师选择直接告知学生：“差速越大，半径越小”。笔者在研究初期尝试将实验的小车标准化，数据由教师提供，学生只需填写表格中的空白部分，观察并得出结论。这样的环节虽然能巩固数学中曲线长度和物理中速度知识，但如果换成同样是探究曲线长度的“机械臂转动幅度与动力齿轮比”问题，学生又无从下手，不清楚探索这样的问题需要什么数据，如何去获取这些数据，怎么去设计表格记录数据，更别提用数学、物理、化学等学科知识去处理这些数据，得出相应的结论了。这样一来，虽然看似学科知识得到了融合，实质上却没有培养学生创新能力与科学探究素养，学生没有真正达到自发地去融合学科知识的目标。

分析对实验可能造成影响的数据、分析自变量和因变量、设计实验表格、测量并记录实验数据，这些是STEM理念所要求学生具备的科学探究能力，对于初中生而言比较陌生。他们刚从比较直观的科学探究中步入定性、定量更为严谨的科学探究里，在现有教学体系里，科学探究素养的系统培养起始于初二的物理与初三的化学，而这种科学探究素养恰恰是机器人教育中学科融合的基石。

在机器人课程设计中，笔者尝试设计了四到五个课时的内容，通过一些生活中的案例分析去培养学生的科学探究素养，先不让学生接触机器人器材，避免学生将关注的重点转移到机器人的设计上。而是教会学生碰到这些问题时，应该怎样去思考与分析，怎样去讨论解决问题的方案，制作出自己的科学探究手册，再结合现有的知识储备和机器人器材，去研究如何达到自己手册中的要求：应该怎么样去设计机器人？会用到哪些结构？选择什么尺寸的材料？通过解决他们在探索中的疑问，达到扩展其他学科知识的目的。

2.2 借用竞赛任务扩展学科知识

笔者在研究初期通过开设单独的机器人课程，期望根据STEM理念，自行设计实际问题来导入其他学科的知识，比如通过设计“古代抛石机设计及性能分析”引入物理知识，学生合作探讨、设计，使用机器人套件完成更为精准的抛物机器人。这样的课程设计虽然课时较多，占用了机器人竞赛的时间，但是教学效果比较理想，学生的能力得到了提高。

笔者经过多年机器人竞赛教学观察，发现准备竞赛任务时学生积极性高、专注度强，思维活跃度比在传统课堂教学中高，将其他学科的知识融入到竞赛任务解决过程中去，学生会更加积极主动地去学习背景知识，显著提高了知识的学习效率，学生也能理解这些理论知识在实际问题中的应用方式。且通过反复的竞赛设计与调试，学生对于这些知识的遗忘周期和灵活应用的程度比单独开设一门课程要好。

在研究中期开始对各类机器人竞赛任务的解决方案进行统计与分析，结合初中物理、数学教材，整理并设计了包括三角函数、椭圆计算公式、角速度和线速度计算、牛顿运动定律、势能等知识点的机器人编程算法和结构设计课程，每年根据当年的机器人竞赛任务，将这些课程应用到相应的任务解决方案中，让学生在探究竞赛解决方案的同时，学习并巩固其他学科知识，利用机器人教育达到学科知识融合、强化应用的目的。

2.3 建立过程性评价体系

目前机器人教育中的评价还不完善，学校评价机器人教育工作成功与否的标准大多倾向于竞赛奖项。在STEM注重过程性评价、强调建立过程性评价体系的理念引领下，笔者将机器人课程目标定于培养学生自主设计、完成机器人竞赛任务的创新能力上，要求学生依照《STEM学生手册》，设计并完成针对该比赛的机器人研究设计报告，在报告中体现小组在讨论设计解决方案时用到的背景知识，记录每一次机器人结构与程序设计修改的思路与实践结果，阐述为什么对原有的结构或程序进行修改，其理论依据是什么，通过指导学生撰写机器人研究设计报告，使教师不仅仅关注学生机器人最后完成任务的状态，学生也通过亲自撰写研究设计报告，提升了科技创新能力。

3 结语

对于现阶段的初中机器人教育而言，可以尝试探索独立于竞赛，结合初中各学科知识，编写成符合机器人学科体系的新教材展开教学。也可以尝试将科学素养培养和学科知识融合的教学理念运用到基于机器人竞赛任务的教学中，通过竞赛任务引入学科知识，提高学生的积极性和参与度，让学生主动去学习学科知识，利用这些背景知识完成机器人设计，在完成竞赛任务的同时撰写出研究报告，提升自身的创新能力。