基于机器人的科学探究活动设计与应用研究

李玲　毕琼远　王昂昂

关键词：机器人；科学探究活动；科学素养；教学活动设计

中图分类号：G623.6 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）02-0115-03

1概述

在教育部颁布的《义务教育科学课程标准（2022 年版）》（以下简称《新课标》）中提出了激发学生学习动机，强化学生探究实践，培养学生良好的核心素养，为今后学业、生活以及终身发展奠定良好的基础[1]。科学探究能力则是核心素养中能力维度的要求。在义务教育阶段，科学课程是一门体现科学本质的综合性基础课程，具有实践性。《新课标》中明确指出倡导设计学生喜闻乐见的科学活动，激发学生学习科学的内在动机。已有研究表明，机器人对小学生学习作用效果最佳，且能够提升学生学习动机。

2 文献综述

2.1 科学素养

《新课标》指出，义务教育科学课程目标内容其中之一是需要学习者掌握基本的科学研究方法，理解科学探究涉及提出问题、作出假设、制订计划、搜集证据、处理信息、得出结论、表达交流和反思评价等要素，具有初步的科学探究能力[1]。而科学探究能力体现在能够理解科学探究的一般过程和方法；提出科学问题，并针对科学问题进行合理猜想与假设；制订计划并搜集证据，分析证据并得出结论；对结果进行解释与评估；准确表达观点，反思探究过程与结果[1]。

倡导以探究和实践为主的多元化学习方法，使学习者积极参与、动手动脑、积极体验，并经历科学探究的过程，加强探究实践。但是在实际教学过程中，由于课堂时间有限、实验现象达不到理想效果以及学生实验操作能力不足等原因，教师大多选择播放视频、PPT中文字和图片讲解或者教师进行演示等方式来进行教学，学生难以真正参与探究实践过程，对科学知识的理解不够透彻，学习兴趣也逐渐降低，使得学生科学探究能力的有效提升较为困难。

2.2 机器人与学科教学

国内外不少专家对机器人教育有不同的见解，本文采纳以彭绍东教授为代表的学者的观点，认为机器人教育就是学习利用机器人优化教育效果及师生劳动方式的理论与实践[3]。

龚礼林等学者通过对2010年～2019年期间发表的关于K-12领域机器人教育的实证研究统计分析，发现在机器人教育研究中大多选择采用LEGO系列机器人[4]。乐高材料也就是搭建套件，包括控制器、传感器、执行器和编程环境（即计算机和软件，以及任务说明和指导手册）。可编程积木是套件中最吸引人的组件，它为所有乐高搭建模型提供控制和动力。乐高教育WeDo2.0是一款适合低年龄阶段学生对模型进行程序编写的软件，学生可以很容易、轻松地对搭建完成的乐高模型进行可视化程序编写。

洪等[5]使用Bioloid机器人辅助小学生学习英语，研究发现对学生的学习动机、听力和阅读技能等方面都有积极影响；李等[6]的研究表明，使用乐高积木进行基于工程设计的科学学习使得四年级学生的科学成绩和解决问题能力均有显著提高；威廉姆斯等（Wil?liams，et al，2012）[6]的研究成果表明，基于LEGO Mind?storms 机器人的科學和数学活动设计可以让学生的学习更加容易地进行，有效促进学生概念理解；我国钟柏昌教授[7]根据国际案例研究归纳出机器人的交互性能够使学生获得参与式的学习体验，提高学生的学习动机，有助于学生建立抽象知识与实际生活的联系。另外，还有研究表明机器人对培养创新能力、问题解决能力、人际交往能力和学习成绩等方面都有积极的显著影响。

设计基于机器人的科学探究活动，启发学生对学习科学的兴趣，并利用学生亲自动手体验来培养自信，同时利用机器人模型和可视化编程对现实生活中的问题展开探究，并在对问题进行探索和解决的过程中学到新知识，提高计算思维，增强科学探究能力和问题解决能力。

3基于机器人的科学探究活动设计

本文以小学科学中探究拉力和摩擦力之间的关系为例，从教学目标、学习者特征教学过程和教学评价几个方面简要概括该探究活动的教学设计过程，最后对本次教学活动的实施成效进行分析。

3.1 教学目标

知识与技能：

（1）初步学习如何使用WeDo2.0编程软件，把握各模块的功能、了解编程的基本逻辑。

（2）探究拉力和摩擦力之间的关系，了解到拉力必须大于摩擦力才能发生运动。

过程与方法：

（1）学生在教师的引导下，进行小组合作学习，使用控制变量法来完成探究任务。

（2）能够通过搭建模型来模拟摩擦力和拉力。

情感态度与价值观：

（1）通过利用乐高机器人对生活中的摩擦力现象进行探究实验，体会使用乐高进行科学探究的乐趣，敢于、乐于使用工具来学习探究科学知识。

（2）通过小组合作学习探究，能够锻炼与他人沟通交往能力，实现与同伴的有效合作。

3.2 学习者分析

小学四年级学生喜欢科学，经常动手做科学实验，整体学习比较认真，虽然学生很喜欢动手操作具体形象的物体，但学生独立获得知识、科学探究能力和意识并不强。在思维方面，学生虽然可以脱离具体的事物进行抽象思考，但是很大部分思维仍然还是具体形象的，想象力有了较好发展，能够进行创造性的想象。此外，学生通过之前的课程已经基本掌握乐高零件的搭建步骤和WeDo2.0软件编程中各模块的含义。在学生的生活实践中，他们对摩擦这个概念已经比较熟悉了，对物体运动会受到摩擦力的现象也是熟悉的，不过，对“摩擦力是在哪些状态下引起的？摩擦力的大小怎么知道？怎样能降低摩擦力？”等问题都没有进行过太多的思考，这也成为本课学习的起点。

3.3 教学过程

当前实际的教学实践中缺乏对学生科学素养培养的重视，机器人作为现代化智能产品，应用于教学中能够使学生学习更富有趣味性，且能够有效支持学生进行科学探究性实验和学习。因此，在本教学实践采用的是张敬云基于发现学习理论、五步教学法、STEM整合教育理念和科学建模思想等理论基础构建的科学探究型教学模式[8]。

（1）提出问题与形成假设

科学探究过程是围绕探究问题开展和进行的，教师需要设计真实的且富有启发性的问题情境，从学生已有的知识经验出发，设计在学生认知“最近发展区”内的有价值的问题，激发学生进行探究实践的欲望和内在动机。教师通过视频呈现生活中拉得动椅子拉不动车等场景引入探究问题，为什么同样的物品在不同的地面上有的能拉得动有的却拉不动呢？引起学生对拉力和摩擦力的关系，随之教师提出任务，用乐高零件搭建一个拉力小车，研究什么时候能拉得动，什么时候拉不动，学生根据已有认知和经验及查阅相关资料形成假设。

（2）制定计划和设计实验

老师把学生每二人分成一小组，学生采用小组协作的形式制定详细具体的探究方案，并设计实验实施方案。教师在巡视过程中给予学生适当的指导和帮助。

（3）进行实验和收集数据

在这个阶段，学生两人一组，首先合作搭建由马达、主机和车斗的拉力小车，接着按照实验方案利用编程进行探究对比不同大小的马达功率以及在不同光滑程度的桌面上小车所能拉动的轮胎数量多少，并记录实验数据。

（4）分析数据和得出结论

学生可以通过所记录的实验数据，剖析实验现象，并研究影响摩擦力大小的各种因素。教师引导学生分析实验现象背后的原因，并总结规律。

（5）评价和反思

教师鼓励学生分享搭建和编程中遇到的问题和收获，指导学生对实验结论作出合理性与可靠性的分析，与学生共同总结、交流所学知识，并依据评价表对实验计划与过程进行评价，找出实验规划与实验过程中存在的问题，学生之间互相讨论或者请教老师针对问题提出改进意见。

3.4 教学评价

对学生的学习成果评估要注重对正确价值观、必备品质和关键能力的考核，着重关心学生在进行科学探究活动过程中的思维活动与表现，要重视学生个体差异，形成以核心素养为导向的评价体系。学生从机器人知识和技术以及五个教学环节等方面对本次探究实验的表现进行自评与组内互评，并完成实验报告。教师组织学生就机器人基础知识和技能、科学知识和技能、科学观念态度以及科学思维方法展开考查，同时对探究活动过程中表现优异并有进步的学生加以表彰，激发学生的积极性。

3.5 教学效果

通过搭建机器人并对其进行程序编写来探究拉力和摩擦力之间的关系，学生的收获主要有如下几个方面：（1）加深了对拉力和摩擦力等科学知识的理解，掌握了使用控制变量法进行探究来解决实际问题；（2）学生乐于动手操作进行探究，对科学探究兴趣增加，尝试运用不同思路和方法进行探究实践，能够实事求是，如实记录和报告观察与实验获得的信息，动手实践能力及其研究分析与解决问题的能力大大增强；（3）学生体验了利用机器人开展科学探究的活动过程，深切体验到了机器人科技为人们的日常生活和学习提供了极大便利。

除此之外，通过巡视的过程中以及课后与学生的交流，发现利用机器人进行科学探究活动没有降低学习者的认知负荷，反而加重了学习者的学习任务，主要负担是部分学习者不能熟练使用WeDo2.0对机器人进行程序編写。不过，学习者之间能够互相帮助解决问题，而且教师在巡视过程中也给予学生适当的辅导和支持。虽然部分学习者在使用机器人和编程软件方面有一定的困难，但是总体来说，基于机器人的科学探究活动使学习者的学习热情空前高涨，对探究实践的动机更加强烈，让学习者积极体验、经历科学探究实践的过程，促进师生和生生之间的互动，有效促进学生科学探究能力及科学素养的提升。

4基于机器人的科学探究活动的教学策略

4.1 创设真实的且富有启发性的问题情境，调动学生科学探究的内在动机

问题是科学探究的核心，因此，教师在设计教学活动时，要创设真实的问题情境，与学生的实际生活密切联系，还需从学生已有的知识经验出发，设计在学生认知“最近发展区”内有价值的问题，也就是学生在经过独立探索和学习交流后就可以发现的并能引起学生知识碰撞的新课题，以保护学生的科学自信心，调动学生开展科学探究活动的自觉积极性。

4.2 以学生为主体，教师为主导，关注学生的认知与能力发展

教师必须充分考虑学生的知识能力，根据确定的课程目标与内容，根据知识进阶设计鼓励学生独立、探究、思考、合作的教学活动，引发学生认知冲突，调动学生的科学探究积极性，让学生自主参与、经历探究过程，增强他们的合作学习意识和能力，让学生有效进行基于机器人的科学探究和实践，并在过程中对学生进行必要的指导与支持。

4.3 学生动手体验，进行探究与实践，培养科学探究能力

和问题解决能力探究与实践是科学学习的重要途径，教师应做好对学生探究实践活动中的指导，选择能够促进学生核心素养发展的探究与实践项目，引导他们积极参加、动手动脑、积极感受，体验科学探究的过程，提高科学思维能力、科学探究和实践能力。

4.4 注重过程评价，强调评价主体多元和方法多样

基于机器人的科学探究性教学更强调评价方法的多样化，注重学习过程的考核，注重学习者在探究和实践过程中的实际表达和思考行为；结果评估更注重对学生价值观、必备品德和关键能力的考查，以推动学生核心素养的发展。所以，要充分调动学校、教师、学生等评价主体的主动性，把纸笔测试和表现性评价相结合，诊断学生的知识掌握水平，关注学生在学习活动中的表现，对学生作出全面整体评价，促进学生的核心素养发展。

5 总结

基于机器人的科学探究型教学模式以科学问题为导向，旨在学生能够在利用机器人动手经历科学探究的过程中习得跨学科知识、科学素养同时提高解决问题的能力。因此，该模式对培养学生跨学科知识和科学素养以及丰富机器人教育实践应用方面具有很大价值。在小学课程中采用基于机器人的科学探究活动，能够激发学生科学探究的内在动机，保护学生的好奇心，机器人以及传感器具有非常强的自动获取与收集数据的能力，为学生的科学探究提供技术支持，而且仍在不断发展与改进，能够有效支持科学探究活动的开展与深化。