基于STEAM教育理念的小学机器人教学研究——以“智能扫地车”主题课程为例

林莉 福建省厦门集美中学附属滨水学校

机器人教育课程具有探究性、实践性、综合性的特征，能够培养学生发现问题、解决问题的能力，同时，开展机器人主题项目制作，能够提升学生的设计思维、计算思维以及创新思维，为学生面对未来挑战奠定基础。然而，笔者在对机器人教育研究的过程中发现，大多的机器人教育课堂只停留在技术本位，缺少对学生跨学科思维、解决真实情境问题能力的关注。因此，笔者提出借助STEAM理念来优化小学机器人课堂教学，科学有效地进行教学设计。

● 基于STEAM教育理念的小学机器人教学设计

小学机器人教育和STEAM教育在目标导向上存在一致性。一方面，STEAM教育理念能为机器人主题教学设计提供更加丰富的内容和拓展空间；另一方面，机器人教育课程能为STEAM理念的落地提供牢固抓手。基于STEAM教育理念的小学机器人课堂教学成为一种有别于传统教学的新形式，通过STEAM教育理念的落实可以打造跨学科性、问题性、综合性、实践性的机器人课堂教学。笔者以“智能扫地车”主题课程为例进行教学设计（如下图），机器人主题课程的每一个主题都是一个复杂的项目，学生需要经历项目任务的发掘、分析、实践、优化、反思等环节，从而完成完整的学习过程。该主题项目内容是基于uKit进阶级机器人积木套件，通过uKit EDU图形化编程软件，让学生完成智能扫地车模型的拼搭，并实现智能扫地车的自动清扫和自动避障功能。本主题需要在学习控制器、超声波传感器、舵机的相关原理以及相关控制指令的基础上进行智能扫地车的模型分析、设计、拼搭以及模块化编程，最终创作有创新意义的机器人作品。

● 基于STEAM教育理念的小学机器人教学实践

1.情境体验，发掘项目

生动直观的情境体验，能触发学生思考，帮助学生以学科视角发现问题、分析问题、解决问题。在进行“智能扫地车”主题项目教学时，笔者以视频的方式呈现了两个截然不同的场景：①环卫工和志愿者清扫垃圾的场景；②无人驾驶智能扫地车助力冬奥，打扫卫生的场景。笔者引导学生思考：在新冠疫情期间，为了减少人员聚集，同时减轻环卫工人的负担，降低环卫工人在特殊环境下工作的风险，哪一种方式更好？经历了真实情境的体验，学生的创作欲望被激发，提出问题——“智能扫地车如何实现智能化”，并且有了“制作一个智能扫地车模型”的想法。学生从情境问题出发，以需求为目标，发掘了“项目任务”，为接下来的设计、动手实践做好铺垫。

2.解析项目，模型建构

在机器人主题项目中，学生能否构建完整的机器人模型，进一步实现创意物化和表达，取决于学生能否基于跨学科知识和思维来应用模型套件以及软件，从而实现项目目标。机器人积木零件多样的模型搭建是锻炼学生创新思维的有效载体，以拼搭智能扫地车模型为例，在前期模型构建环节，不仅要求学生能够准确描述项目问题，更要求学生能够对复杂的项目进行解析。因此，笔者引导学生结合机器人模型的外在结构和内在功能，将机器人模型分解为几个基础模块，从而帮助学生构建完整的机器人模型。外在结构：让学生分析智能扫地车的模型结构，借助结构图将智能扫地车的基本结构分为动力机构、清扫装置和垃圾收集箱。内在功能：引导学生分析讨论“扫地车有哪些基本功能和智能功能”，从而把智能扫地车的功能分为自动行驶、自动清扫和自动避障三个模块。在此基础上，引导学生认识电子元器件的功能原理，分析并正确地选择电子元器件和相关积木零件。学生在解析项目、模型建构的环节中，需要学会从复杂的现象中抽取问题的主要因素来分析和讨论，进一步渗透STEAM教育理念中的建模思想，这不仅培养了学生透过现象揭示本质的洞察能力，而且提升了学生分析问题的能力。

3.模型搭建，程序创编

在模型搭建环节，笔者首先鼓励学生在模型搭建前用草图或者图表的方式呈现智能扫地车的基本样式，同时以流程图的形式说明机器人程序的运行逻辑。之后，笔者引导学生提出合理的实践方案，发挥团队协作的作用（学生在提出实践方案的过程中需要小组讨论“哪个结构使用哪些零件”“先搭什么后搭什么”等问题。在动手实践的过程中，小组成员要做好各模块的分工，在发现问题时，积极合作并寻求问题的解决方案）。程序创编是培养学生逻辑思维能力的主要环节。例如，智能扫地车的自动行驶模块需要靠舵机的运行程序，学生会发现每个舵机都有顺时针和逆时针两条转动方向指令，两个舵机组合成不同的指令参数能够让“机器人”实现不同的动作。而在自动避障程序模块中，智能扫地车要躲避障碍物，需要不断地判断前方是否有障碍物，学生在程序编写中需要归纳条件判断程序结构。在机器人主题项目教学中，STEAM教育理念能否有效落实，很大程度上取决于学生在主题任务中能否提升自己的工程动手能力。基于STEAM理念的机器人课程教学，改变了传统课堂以教师为主的教学方式，注重培养学生的合作探究及动手实践的能力，提升了学生的工程思维。

4.知识拓展，优化项目

在优化项目环节，笔者首先引导学生了解“什么是超声波”“超声波在其他领域的应用”。学生结合计算机上的声音编辑软件，将频率设置为大于2000赫兹的数值，尝试听一听“超声波”。同时，笔者播放相关的视频资料让学生进一步了解现有的智能扫地车。从自卸式垃圾箱的设计到刷头形态的设计，从环保理念到艺术美学，引导学生讨论、发现，并进一步提出优化“智能扫地车模型”的想法。学生在优化项目的过程中，也会思考各种问题，如“机器人的构造是否结实”“运行时是否灵活”“外观和功能还能如何改进”“程序能否更优化、简洁”等。在智能扫地车的外观设计上，学生结合冬奥主题提出多种造型，如冰墩墩模型；在功能设计上，学生在提出“能够躲避障碍物”基本功能的同时，还提出“识别红绿灯”“冬奥会防疫消杀”的实用功能，并且提出用北京冬奥会标志来装饰智能扫地车的想法等。学生在优化模型的活动过程中，提升了项目设计的艺术素养。

5.展示交流，反思评价

学生将自己的项目完成过程、创意点通过口头表述的方式进行交流展示，这既是对自己学习过程的梳理，也是对作品的反思。展示交流环节能够锻炼学生的语言表达能力，增强学生的成就感、自信心，同时通过分享交流，可以碰撞思维的火花。此外，笔者鼓励学生将自己小组的作品分享到班级学习平台（小组间进行点赞、留言和评价）。在课堂上，笔者引导学生以小组为单位进行展示，其他小组在倾听的过程中，从创意、艺术、功能、技术等维度给予点评，并提出合理的建议。多平台、多层次的交流分享，提高了学生的反思评价能力，也发挥了小组合作学习的作用。

● 结束语

综上所述，笔者以“智能扫地车”主题项目为例展开基于STEAM教育理念的小学机器人教学设计与实践，引领学生走进生活、走进社会，引导学生学会像科学家和工程师一样去思考，引导学生在分析、建模、搭建、合作、优化中潜移默化地提升STEAM素养。

基于STEAM教育理念的小学机器人教学实践，打破了学科的限制，让学生的学习从单学科走向跨学科，也打破了空间的限制，使学生的学习从课内延伸到课外。其在拓展学生思维广度与深度的同时，为学生提供了沉浸式的学习体验，有效提升了学生的综合素养，提高了学生在信息化时代的竞争力。