STEM理念下中小学Arduino机器人教学模式研究

林晓晓 王荣荣

摘 要：近年来，随着基础教育的不断改革，机器人教育已经成为中小学信息技术课程中不可缺少的部分，对学生的动手能力和思维发展都起到很大的作用。机器人教育强调手脑并用，着重培养学生的创新精神和实践能力，是实现“制造”大国迈向“智造”大国的教育基础之一。本文对以STEM理念为指导、以Arduino为平台、以项目式学习开展的Arduino机器人教学模式进行了初步研究。

关键词：STEM Arduino 创意 机器人

STEM 教育理念是当前国际上颇有影响力的教育思想之一，也是美国面对人才竞争提出的一项国家教育战略，强调对科学、技术，数学和工程四个领域交叉融合及其运用能力。这将对我国机器人教育产生深远的影响。机器人教育是一门新生事物，涉及系统结构、传感器、控制技术等多领域的交叉学科，但它因具有培养学生创新实践能力的独特优势而迅速崛起。

一、STEM 理念下的 Arduino 机器人

Arduino 机器人是一门交叉了多门基础学科的综合性课程，包括数学、物理、计算机、多媒体等，它以多门学科基础理论作为前提，符合 STEM 教育的内涵。将 STEM 教育理念融入Arduino 机器人教育中，这不仅可以培养学生的STEM 素养，还可以帮助学生在杂乱无章的情境中理清头绪，获得团队协作能力、解决问题的能力以及综合实践能力。

通过合理的教学方式让学生自然地投身于充满趣味与挑战的科学世界，尽情享受“发现、观察、摸索、总结、创新”的整个过程，或专注于搭建自己的机器人、或两人合作检测编程后底部车轮运转是否合理、或相互讨论与比较为什么你用坦克轮而他用大万向轮。当他们能顺利行走或夹起第一个小方块时，强大的自信与成就感会源源不断地转化成自主学习的源动力。

二、STEM 理念下的 Arduino 机器人教学

Arduino 机器人教学能够充分反应STEM 教育四要素，代表着不同的学科综合体现，其中 S（科学）为电子电路，物理知识等，强调基础科学概念的应用；T（技术）为 Arduino 程序设计，体现人和机器如何互动；E（技术）为软件工程，体现技术世界如何与人类社会相互作用；M（数学）为逻辑判断，强调基础数学应用。 STEM 理念下的 Arduino 机器人教学充分体现了学科的综合性、实践性，核心价值在于对学生创造力思维以及实践能力的培养。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能否具备创新性。

三、STEM 理念下 Arduino 机器人教学模式探索

学校虽在课时上保证了Arduino 创意机器人的开展和落实，且在学生报名参加时也挑选了基础较好的学生，但在实践操作中却良莠不齐。首先，任课老师虽然对Arduino机器人课程已经非常熟悉，但是对于一些突发状况有时难免不能得心应手。其次，对于学生，他们对Arduino机器人课程本身有很高的兴趣，但是一部分学生缺乏探索的精神，导致后面的作品无法很好的完成。针对这些问题，我做了深入的分析，并不断完善课程。在依托省机器人实验室开展的机器人教学改变传统的教学模式，以学为中心，采取小组合作项目式学习的方式践行 STEM 教育理念，培养学生的全面素质。

（一）、跨学科整合创设项目，解决实际问题

STEM 教育注重与现实世界的联系 ，注重学生的学习过程，所以我们在机器人教学采取“项目教学法”，打破学科界限，将生活中的实际问题，跨学科整合出项目，让学生动手完成他们感兴趣的生活中的相关项目。 在老师的指导下，将一个相对独立的项目交由学生自己处理，信息的收集、方案的设计、项目实施及最终评价，都由学生自己负责，学生通过该项目的进行，了解并把握整个过程及每一个环节中的基本要求。“项目教学法”最显著的特点是“以项目为主线、教师为引导、学生为主体”，注重理论与实践相结合。

以项目式学习为主要学习方式，学习者通过项目式学习来完成学业，获得知识与技能，期间同时获得创新能力的培养。以项目式学习为基础的学习环境，培养了学习者的项目学习能力。不仅深化了学生的项目学习能力，而且更加关注学习者创新能力的培养。

在项目式学习的课堂里 ， 教师给出的问题必须由学生组成小组来解决。学生不需要背诵知识点，使之在记忆中存留，教师会为学生提他们在探索各种概念以及将这些概念应用到实际的过程中所需的资源。在学习的过程中，学生是被允许甚至是被期待去犯错的。由此，他们变成了主动的学习者，并且得以培养一些现场技能。当然，要想实现这一切，需要完善的计划、足够的灵活度和一个可以开展团队协作的环境。

（二）、以学为中心开展合作学习

以学为中心，就是以学生的学为主，老师的教为辅，对于机器人这样难度的学科来说， 我们需要合理组建合作学习小组，明确每一位小组成员的责任与要求再加上老师的及时指导和适时评价，有效開展合作学习。

合理搭配明确分工开展合作学习为了保证合作学习的有效开展，遵循“组内异质，组间同质”的原则进行分组。教师及时指导保证学习效果组长的组织协调和小组成员的默契，从根本上保证了学习活动的健康开展，但是教师的及时指导、适时评价更是学习活动有效开展的保障。 老师提供评价的角度和标准，这样学生就会明白自己应该朝哪个方向去学习。 还有要对参与不够积极合作态度不够友好， 不虚心听取他人意见的学生给予积极引导，保证合作互助学习的良好开展。

四、结束语

教学中，学生经历科学研究所必须的几个阶段，从发现问题、思考问题、推理筛选，到最后技术应用，形成一套科学的研究方法，最终形成良好的科学素养、工程素养、数学素养和技术素养，为日后的发展奠定基础。由此看来，在机器人教育中体现STEM 理念是未来发展的方向，值得广大教师认真思考和研究。

参考文献

[1] 刘晓峰.信息技术教学中如何建有效的教学策略[J].中小学信息技术教育，2007，（7）.

[2] 赵丽.基于Arduino平台的机器人课程项目开发设计研究.2017

[3] 梁君.以学为中心的项目式学习让机器人教学更“stem”.课程教育研究 2017

[4] 吴秀凤，陈奕贤.STEM 理念下中小学 Arduino 机器人教学模式研究