STEAM理念下小学生机器人项目式学习实践研究

刘朋飞 袁久婕 张婤

摘   要：目前，国内STEAM教育理念越来越受到人们的关注，计算思维培养也日趋低龄化。文章结合小学生认知规律、学习兴趣和学习需求，与团队成员从顶层设计出发，开展面向小学生计算思维的机器人项目式学习实践研究，依托多学科知识，发展小学生计算思维。研究采用项目式学习方式开展教学，以“精准防御抗击病毒”竞赛项目为例，从“进入情景、分析问题”“找出规律、抽象特征”“建立模型、设计算法”“运行程序、改进优化”“总结经验、迁移应用”等环节阐述了其在研究中的具体实施情况，旨在培养小学生运用计算思维界定分析问题、抽象建立问题模型、设计系统解决方案的能力，为发展小学生的计算思维提供了借鉴和参考。

关键词：STEAM;计算思维;项目式学习;机器人

中图分类号：G434 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2021）14-0026-04

基于STEAM理念，发展小学生计算思维的机器人项目式学习，是以发展学生综合素养和创新能力为宗旨的实践研究。该研究面向小学中高段学生，打破年龄限制，根据学生能力水平编制初、中、高三个层级的学习内容，将多学科内容进行融合，这种融合并不是单纯地将学科知识转移到机器人课上，而是以机器人为载体，融合多学科知识建构项目式学习活动内容。通过项目式学习活动使学生主动探究、领悟应用这些学科知识，从而提高学生灵活运用各学科知识综合解决问题的能力，最终达到发展学生计算思维的目的。

一、研究问题的提出

1.基于学生计算思维素养发展的思考

机器人教育融合了多学科知识，具有综合性、实践性和创新性。相关研究表明，早期机器人教育对学生多元智能的发展具有至关重要的影响。计算思维的培养是指学生在信息活动中，使用计算机能处理的方式界定问题、抽象特征、建立模型、组织数据，通过判断分析综合各种信息，确定合适的算法，形成解决问题的方案，总结计算机解决问题的过程与方法，迁移应用到其他问题情境中[1]。因此基于STEAM理念，以機器人教育为载体，能进一步激发学生运用计算机知识解决问题，有利于帮助学生发展综合运用多学科知识解决问题的能力，从而促进学生计算思维的发展。

2.基于现行教材机器人教学编排的思考

2020学年，浙江省在小学信息技术教材中增加了人工智能教学内容，机器人是人工智能知识的重要组成部分，推进人工智能教学离不开机器人知识的学习，所以开展机器人教学十分必要。而从内容整体编排来看，机器人教学内容编排靠后，这对于对机器人充满浓厚兴趣的其他年级学生来说，存在一定的影响。除此之外，教材内容多以任务驱动框架编写，使教师在机器人教学中更多关注程序的编写调试以及最终任务的完成情况，忽略了学生在机器人设计、搭建、调试过程中综合运用多学科知识解决问题的综合素养与能力培养。因此，以项目式学习为活动形式，打破年级限制，基于项目任务，系统构建初级、中级和高级学习内容是发展学生计算思维的有效途径。

3.基于国外机器人教育教学现状的思考

许多国家均比较重视机器人与学科整合的教育。在美国基础教育中，教师通过机器人课程、主题夏令营、机器人辅助工具来开展教学，培养学生的综合能力和创新能力。在日本的中小学教学大纲中，明确纳入机器人教育相关课程，利用机器人技术优化教学，关注学生学习数学、科学和工程技术等知识。在英国，机器人课程早已走进中小学课堂，比较注重通过机器人技术引导学生发现和了解身边的数学应用知识。由此可见，多学科与机器人教育整合形式的教育教学价值比较突出。[2][3]

基于以上分析，笔者认为在STEAM理念下，开展机器人项目式学习是发展小学生计算思维的有效策略和途径，下一步将从研究整体思路与框架架构的角度出发阐释研究所思，并结合机器人“精准防御抗击病毒”案例，具体介绍团队的研究收获。

二、研究思路与架构

1.基于STEAM理念，发展小学生计算思维的机器人项目式学习实践研究的定位、理念和研究目标

（1）定位

以培养学生运用计算思维解决问题——如何高效使用机器人精准防御抗击病毒为切入口，鼓励学生运用多学科知识，开展实践研究，综合解决问题。

（2）理念

以学生为中心，通过项目式教学进行实践研究，在教师的引导下，学生以问题为基础，通过小组研讨的形式，围绕问题收集信息、发现问题、分析问题、解决问题。

（3）目标

通过解决特定问题，激发学生学习兴趣，体验探究、分析、建模、优化、改善策略的研究过程，提高学生的综合能力和创新意识，从而发展学生计算思维。

2.基于STEAM理念，发展小学生计算思维的机器人项目式学习实践研究的外延和内涵

本研究的外延是基于STEAM理念指向各学科的相关知识，其关系梳理如图1所示。

本研究的内涵是基于小学生特征、学习支撑条件、项目式学习的方法、计算思维发展路径等因素构建的具体研究内容，包括：①分析学生学习特征，确定适合不同层次学生进行机器人探究的学习主题和框架;②分析不同学习主题下的学生兴趣点和学习起点;③搜集和设计不同主题下的机器人探究活动内容和活动方式;④形成初、中、高三个不同层次的机器人项目式活动实施方案;⑤实施、修改和完善基于STEAM理念发展小学生计算思维的机器人项目式学习具体内容;⑥总结提炼发展小学生计算思维的有效途径与方法策略。

3.基于STEAM理念，发展小学生计算思维的机器人项目式学习的实施与评价

从项目任务及计算思维培养路径出发，分解任务，建立子任务评价内容，形成评价体系，及时监测项目实施情况[4]，具体如图2所示。

三、机器人项目式学习实践研究——以“精准防御抗击病毒”竞赛项目为例

基于STEAM理念，将多学科知识与机器人教育整合，以项目式学习的方式开展研究，笔者将项目学习内容分为三个等级：初级内容以机器人简单结构拼搭和初级图形化编程为主;中级内容以较为复杂的结构和程序设计为主;高级内容则以历年各级各类竞赛任务为主。高级内容以解决真实问题为背景，综合性和挑战性极强，在这种情况下，学生根据项目任务开展研究学习，在学习和训练的过程中，利用多学科知识改造机器人结构、优化程序来解决问题，符合STEAM理念下的多学科融合与计算思维发展的要求。

1.任务概述

下面，笔者将以2020年杭州市青少年机器人竞赛——“精准防御抗击病毒”竞赛项目为例，进行详细阐述。[5]

（1）场地说明

场地垫长宽1355mm×1140mm，其中4×4网格，单格尺寸240mm×240mm，5个隔离区圆直径为160mm，病毒模型32mm×32mm×30mm，积木块有16个凸点。

（2）机器人说明

机器人尺寸长宽高不超过256mm，控制器1个，电机不超过4个，不采用集成循迹卡，电池电压不超过9V，其它传感器不限。

（3）计分规则

网格上的病毒模型（最多布置19个），被送到任一隔离区（5个圆），第一层必须完全进入，方可得分。第一层得20分，第二层得30分，第三层得40分，每多加一层递增10分。

（4）运行规则

机器人完全在出发区，启动后自主运行，2分钟后离开隔离区，停止运行。机器人启动后，参赛选手不得触碰机器人，一旦触碰即任务结束，机器人离开隔离区方可计分。

（5）参赛作品

提交 3 个展示视频，包括作者自我介绍、所参加项目及机器人简介、项目编程思路、完成任务策略的具体介绍以及机器人搭建调试过程;对完成任务过程拍摄的视频不得剪辑，更不得将多次任务通过剪辑合并;指导教师与选手计分及完成任务情况的点评等。

2.项目分析及任务分解

本次竞赛项目可以拆分成两个子任务：收集病毒和隔离病毒。要解决这个综合任务，学生需要基于STEAM理念，融合各学科知识和技能思考以下内容：①完成各子任务的策略;②每种策略优缺点分析;③机器人具体搭建机械机构;④编程思路;⑤方法、策略、优化、方法稳定性评估;⑥介绍项目完成过程、视频录制技巧。在竞赛任务中体现的STEAM综合维度如表1所示。

3.项目式学习活动的实施

（1）进入情景、分析问题

比赛项目公布后，在教师的带领下，学生以小组为单位围绕竞赛项目进行主题式讨论，重点分析竞赛规则，从而找到疑惑的问题，进而寻求解决方案。在这一过程中，教师以一连串带有启发性的问题进行导学，帮助学生发现问题和提出问题。比如：机器人需要几个电机、需要哪些传感器？是从哪里出发，终点又在哪里？完成这个任务难点在哪里……这些问题的提出，有助于学生建构问题解决序列，有助于发散性思维的培养以及帮助学生发现问题，而发现问题是解决问题的第一步。

（2）找出规律、抽象特征

在精细解读比赛规则的前提下，对几个疑惑问题进行梳理分析，找到解决问题的规律，抽象总结解决问题的思路和策略。教师鼓励学生大胆猜测，比如机器人能不能在规定的时间内一次性把所有积木块收集起来？能不能全部堆叠在一起？假设这些猜想行得通，那么收集策略是什么、堆叠策略又是什么，这些能够进一步激发学生寻找用机器人解决问题的策略，在反复猜想和真实任务的驱动下，学生尝试借助机器人和编程方法，借助多学科知识和技能解决这些综合问题。

（3）建立模型、设计算法

用可视化的流程图梳理解决问题的思路和策略，列出任务清单，把任务进一步分解成若干个子任务，每个子任务再细化，明确需要完成哪些任务，完成这些任务需要解决的难点以及如何突破这些难点。这个过程中有可能会自我否定掉一些方案，从而在反复思考否定下形成最优方案，对应形成相应算法，然后通过实践进行检验。机器人课操作性和实践性很强，方案形成后需要动手操作。先是搭建机器人，机器人结构是基础，对于后续任务的完成至关重要，而合理、完善的结构会起到事半功倍的效果。比如，这次比赛中的收集积木块任务，要想收集并堆叠起来，使用机械抓手就是一种办法，所以需要搭建一个机械抓手。其次是程序编写，机器人的程序是关键，通过程序命令才能指挥机器人，才能完成相应的任务。值得一提的是，即使经过前期比较缜密的思考形成优化后的方案，也可能在实践检验中宣告失败。

（4）运行程序、改进优化

机器人在运行和调试过程中，会出现各种各样的问题，比如机械抓手抓不住积木块、机器人直行运行下会出现偏转、积木块堆叠不成功等等。出现这些问题和状况是很正常的，教师要引导学生从问题出发，寻找方案和策略的优化，在不断试错中成长，在不断改进中进步。分析问题时重点引导学生养成分析归纳的好习惯，通过归纳发现问题主要有三种：第一种是机械故障，比如零件松动拼接不牢固，这样可能导致重心不稳直行偏转;第二种是结构问题，比如这个比赛任务，学生想尽可能多地堆叠积木块，但是由于机械手设计的问题并不能堆叠更多的积木块;第三种是程序问题，这个问题是非常常见的，需要反复编译调试。比如马达、传感器、控制器等任一模块的参数变化，都会影响到整体运行的实际效果。通过运行、调试、优化等过程，让机械结构和程序达到最优化状态。

（5）总结经验、迁移应用

经过反复运行调试，发现把19个积木块一次性地收集并堆叠起来有困难，结构搭建起来也比较复杂，在赛前短时间内实现是不切实际的，所以退而求其次，采用侧边摆放的位置，以收集3条线的11个积木为标准，结构上采用车型结构的小车来完成任务。在积木块的收集上，采用夹子夹取积木块的方式来进行收集，因为是堆叠方式，所以需要控制夹子的抬升，于是采用了一个大型电机来实现上下移动，再加上两个颜色传感器来进行精确定位。编程主要采用的是乐高编程软件，小车的前进后退左右转动，都是使用移动槽模块来进行实现。控制抓手的张开和闭合是通过中型电机模块来控制，抓手的上下抬升动作是通过大型电机模块来控制。学生在经历完整的项目任务后，体会了用计算机和机器人解决多学科任务的过程，在后期录制比赛视频时，将自己的切身体会清晰表达，是一个自我评价及反思的学习过程，在面对其他问题时，也能将此类经验进行迁移应用。

四、结束语

在STEAM理念的引领下，发展小学生计算思维的机器人项目式学习的实践研究，重视学科整合的基本要求，充分体现了信息技术课堂打破时间空间限制的理念，让技术学习与技术应用互动互联，迎合了教材主题化、弹性化的设计理念。它是学校拓展性课程建设的具体落实与实施，也是培养学生核心素养的有效路径之一，同时，也为其他学科乃至其他学校特色拓展性课程的设计与实施提供了理论和实践方面的借鉴。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中信息技术课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2017.

[2]冯希冉.世界机器人奥林匹克竞赛对参赛学生影响的调查研究[D].上海：上海师范大学，2019.

[3]孙媛媛.中小学机器人课程的研究与开发[D].北京：首都师范大学，2006.

[4]郁晓华，肖敏，王美玲，等.基于可视化编程的计算思维培养模式研究——兼论信息技术课堂中计算思维的培养[J].远程教育杂志，2017（6）：12-20.

[5]2020年杭州青少年科技活动入口[EB/OL]. https：//kjj.qsng.cn/zxtz/2049249.jhtml.

（編辑：李晓萍）