基于STEM的高中机器人教学实践

周明龙 汪小庆

[摘 要]STEM教育强调通过项目探究和动手实践解决实际问题将多学科课程融会贯通，从而培养学生的科学素养、技术素养、工程素养和数学素养。STEM教育常用的教学模式之一是基于设计的学习。文章结合机器人的教学实践，通过 “走黑线简易机器人”教学活动的设计，阐明如何开展基于设计的STEM教育活动。

[关键词]STEM教育；DBL；机器人

为适应信息时代对培养高素质创新型人才的需求，世界各国开始高度重视STEM教育。美国颁布了《2015年STEM教育法》以保障STEM教育的顺利实施；我国发布了实施制造强国战略的第一个十年行动纲领《中国制造2025》，提出立足国情，立足现实，力争通过三个十年的努力，到新中国成立一百年时，把我国建设成为引领世界制造业发展的制造强国，为实现中华民族伟大复兴的中国梦打下坚实基础。

在多年的教学实践中，笔者发现，基于STEM的机器人教学实践被大多数学生所接受，特别是在实际动手操作方面，被认为是有趣的和值得投入精力的。基于STEM的高中机器人教学可以有效提高学生多学科知识的整合能力、实践能力、探究能力和创新精神，值得推广。

一、STEM教育概述

STEM教育是一种基于学科融合背景的素质教育理念，强调科学（S）、技术（T）、工程（E）和数学（M）等多学科的交叉融合而非简单相加，强调通过多学科交叉融合形成一个有机的科学的整体，培养学生的创新精神和实践能力。

STEM教育主要具备如下特征。一是跨学科性。强调综合应用多学科知识来提高学生解决实际问题的能力。二是趣味性。问题本身和解决问题的过程都充满趣味性，从而激励学生不断探究。三是体验性。强调学生动手动脑参与学习过程，学生在参与、体验中获得结果性知识，同时获得过程性知识。四是情境性。STEM教育关注现实问题，注重让学生在真实的情境中展开学习。五是协作性。要求学生以小组为单位进行有效的合作学习，强调分享、创造，强调让学生在协作、分享中感受快乐。六是设计性。需要进行产品设计，进而促进知识的融合与迁移。七是实证性。强调通过实践认识和理解客观规律，基于证据验证假设，发现并得出解决问题的方案。

STEM教育的常规教学模式是基于项目的学习（Project-based Learning，简称PBL）和基于设计的学习（Design-Based Learning，简称DBL）。这两种教学模式有许多共同之处，都强调学生的自主探究、不断实践和小组协作。在此，将重点介绍开展机器人教学时基于设计的学习。

二、基于设计的学习

基于设计的学习又称为设计型学习，也是一种基于项目的探究式学习。依据分布式认知理论设计学习环境，重点使学生掌握科学概念、科学技能，以及科学技能的应用，使学习者共同提高认知、社会、学习和交流能力[1]。在实施基于设计的学习时，可以采用克罗德纳（Kolodner）提出的科学探究式学习循环模型（见图1）[2]。

三、基于STEM的

“走黑线简易机器人”教学活动设计

下面，将结合案例“走黑线简易机器人”说明笔者所在学校如何在STEM理念下开展高中机器人教学活动。

1.教学内容分析

学校依据国家课程《简易机器人制作》，结合本校作为省级课程基地的条件和实验设备，开发了校本教材《乐高EV3一本通》，重点内容包括：走直线简易机器人、能拐弯的简易机器人、走黑线简易机器人、迷宫搬运机器人。每个教学内容3课时。

2.学生特征分析

随着人工智能的快速发展和广泛应用，学生对机器人已经不陌生。但他们对机器人的本质了解得不多，在开始学习机器人校本课程前，几乎没有学生亲自搭建过机器人。而在知识储备方面，高中学生通过物理、数学等学科的学习，已经掌握了运动力学、结构力学、机械结构和简单的数学建模等方面的基础知识；在信息技术课程中也逐步掌握了基本的信息处理方法，对计算机编程有初步的了解，掌握了程序的基本结构、基本逻辑命令，对于图形化编程也已经比较熟悉；通过之前的“走直線简易机器人”“能拐弯的简易机器人”两个项目，学生基本掌握了机器人的基本结构、工作原理、简单程序设计，有相关的知识储备。

3.任务分析

学生对乐高机器人有了初步的认识，能让机器人走直线，也能让机器人转弯。设计走黑线简易机器人的任务重点在于怎样在机器人身上应用光感传感器。其难点有三个：一是光感传感器的正确使用；二是走黑线的策略选择，采取不同策略所使用的光感传感器的个数不一样，搭建形状也有差异；三是光值的确定，学生之前对于传感器的原理、构造、特征、用途等不够了解。因此任务具有一定的挑战性。

4.STEM整合目标

结合三维教学目标，对设计走黑线简易机器人的目标任务进行分析与整合（见表1）。

5.基于STEM的教学实施过程

在“走黑线简易机器人”的教学实施中，共经历了13个教学阶段，每一阶段都对应了不同的设计意图、学生行为与教师行为（见表2）。

6.教学总结

走黑线简易机器人的设计与之前的走直线机器人和能拐弯的机器人相比，增加了任务难度。学生在掌握机器人基本知识的基础上，能够设计简单机器人了。走黑线简易机器人教学的目的是要学生学会如何选择合适的走黑线策略，掌握检测不同颜色的光值和编写复杂程序的方法。

在教学过程中，主要采用了基于设计的学习方式。教师只是布置并确保学生理解任务，任务的完成则由学生自己探索，并从中学习新知识。总的过程为：教师提出挑战性问题——学生通过多种途径学习、组内讨论——学生填写设计日志——学生展示与分享经验——学生记录经验法则——学生小组展示作品，相互评价，按照这一过程循环往复，直到成功。其中“记录经验法则”环节非常重要，学生要总结并记录成功的经验，形成法则，这样获得的知识和能力才会印象深刻，难以忘记，而且有利于展示分享。例如，在本课中，不同探究小组所选择的走黑线策略都不尽相同，使用的光感个数也不一样，有用两个光感的，也有用三个光感的，编写的程序也不相同，体现出多样性与创造性。

四、反思与展望

笔者通过长期的教学实践发现：基于STEM教育理念，采用基于设计的学习开展高中机器人教学，不仅能激发学生的学习兴趣，促进学生的课堂参与程度，提高学生的动手能力、编程能力和探究能力，而且能激发学生打破学科界限，充分运用已有经验和所学知识，运用科学的思想、工程的理念、数学的思维来解决问题，创造性地完成设计任务。学生在这一过程中能够化被动为主动，通过积极合作与不断反思总结，建构自己的知识体系，体验成功的快乐。

笔者通过对具体教学实施过程的反思，总结了以下经验。一是设计任务要具有可行性，要是学生感兴趣的，与生活中遇到的问题相关。二是要提供支架帮助学生完成探究。如可以提供素材包、适合的网站等供学生自主学习，要促进师生和生生间的交流。三是分组要科学。最好是组内异质、组间同质，这样既可以促进组内同学的优势互补、共同进步，又可以使得组间竞争更具公平性，有效激发学生动力，不断取得进步。四是要以学生为主体、教师为主导。教师应该是挑剔的“食客”，不断向“厨师们”提出新的要求；教师应该是贴心的“保姆”，不断呵护并激励学生的上进心；教师应该是大方的长辈，不断向求知的学生提供帮助。

在今后的教学中，还要进一步完善机器人校本课程，进一步优化教学方案和流程，争取在STEM理念下，采用项目式、设计型学习等方式，进一步培养学生知识整合应用的意识、不断探索反思的意识、合作探究的能力，从而提高学生的综合素质。

参考文献

[1]Kolodner J L， Camp P J， Crismond D， et al. Problem-based learning meets case-based reasoning in the middle-school science classroom： Putting learning by design （tm） into practice[J]. The Journal of the Learning Sciences， 2003， 12（4）： 495-547.

[2]张君瑞.“基于设计的学习（DBL）”理论与实践探索[D].扬州：扬州大学，2011.

（责任编辑 郭向和）