STEM理念下机器人课程与 小学科学整合探索

信海凤 张英妮

STEM教育理念的核心是融合，基于STEM教育理念的机器人课程是比较成功的尝试。机器人课程的宗旨是在不断地构建、实验、探索、思考及解决问题的过程中，让学生理解抽象的理科知识。将机器人课程与小学科学课进行整合的想法，源于新的小学科学课程标准的颁布。《小学科学课程标准（2017版）》（以下简称课标）新增了技术与工程领域，课标中界定了什么是科学、技术、工程，以及科学、技术和工程对人工世界的作用。这一领域的增加，在小学科学课与STEM之间建立了最直接的联系。鉴于STEM教育体系庞大复杂，笔者选择了比较成熟的机器人课程作为媒介，尝试探索小学科学课与STEM课程的整合方式。目前，国内外机器人课程包括运用乐高教具搭建生活中的物体;运用EV3、VEX、VEX IQ学习高等机器人的搭建和图形化编程。将机器人课程引入小学科学课程中，加强学生的发明和建造能力，实现技术与工程的学习，必将成为小学科学的发展趋势。我们发现，机器人课程和小学科学课程在思维培养、教学资源、教学内容等方面有很大的融合空间。

● 逻辑思维的完美碰撞

逻辑推理是科学探究能力的重要组成部分，是小学科学课程中科学探究领域的培养目标之一，而这一能力也恰恰是机器人编程课程的主要培养目标。例如，科学课上涉及一些对比实验，如“绿豆种子发芽实验”“单摆摆动快慢与什么因素有关”等，需要学生思考条件的控制，这里蕴含的概念是变量与常量的设定。对比实验中的每一组只有一个变量，其他都为不变的常量，这样得到的现象只与变量有关，进而归纳出与变量相关的结论。机器人编程语言中涉及逻辑判断和逻辑循环，不同的编程语言，虽然表现形式和语法要求会有区别，但基本的逻辑语句是相通的，如“if、if...else、if...elif...else、while、while...else”等逻辑语句在众多编程语言中都有应用。例如，让机器人完成“红灯停、绿灯行”的任务，其程序流程图如图1所示。

其表达的逻辑关系为：如果（if）机器人遇到绿灯，那么（then）继续行驶，否则（else）停止前进（重新进入判断，形成循环）。

将编程课程的逻辑学习与科学课的实验计划有机融合在一起，有利于帮助学生梳理实验流程，锻炼逻辑思维的严谨性。例如，将“单摆摆动快慢与什么因素有关”实验的实验流程用程序流程图表示出来（如图2）。

若用表格来表达实验流程，可以如下页表1所示。

可以看出，相对于表格的表达方式，流程图显得复杂了，但在锻炼学生逻辑思维能力时，教师更倾向于流程图。表格在简化了表达方式的同时，也简化了学生思考的过程。图2中涉及三次判断，三次判断的顺序是可以调换的，因为影响“单边摆动快慢的因素”不一定是唯一的，所以对于前两次判断中“改变摆动幅度”和“改变摆锤重量”两个条件，即使判断为“是”，也要进行下一个因素的判断。学生在分析流程图时，会深入思考每一个图标代表的含义，了解此次实验要控制的三个变量，借此达到提升逻辑思维能力的目的。

● 教学资源的强大支持

机器人课程的教学资源一直处于科技前沿，将机器人课程的教学资源合理纳入小学科学课程，对小学科学课程而言是一个强有力的支持。例如，对于“热在金属中的传递”实验，笔者进行了大胆的尝试。

“热在金属片中的传递”是教科版小学科学五年级下册第二单元第六课的第三个实验。教材上的原设计是：先在涂有蜡的金属圆片的中心加热，观察蜡的融化情况，推测热的传递方向和过程。然后在涂有蜡的金属圆片边缘的一个点上加热，观察蜡的融化情况，推测热的传递方向和过程。蜡融化时，学生所看到的现象并不明显，尤其是融化与未融化的蜡的边缘，无法判断。并且，学生只能从现象上判断热的传递过程，无法确切知道温度的变化。针对这些问题，笔者做了如下改动：①用红色变温油墨显示热传递的过程，增强学生观察实验现象的感性认识;②用机器人课程领域的温度传感器，实时测量实验区域的温度数据，证明热传递的过程是由温度高的地方传递到温度低的地方;③利用共享文档功能智能整理数据，用平板电脑实时传输数据到共享文档中，智能整理数据汇总成表格，及时传输到电子白板进行展示，然后根据需要用WPS软件绘制折线图。通过改动，学生对这个实验的认识从感性认识提高到理性认识，用数据去验证观察到的现象。将温度传感器运用到本实验中，解决了测温问题。

● 教学内容的高度契合

通过对小学科学课程教学内容与机器人课程教学内容的对比，笔者发现有大量的相似之处，尤其是小学科学的技术与工程领域的内容，更是与机器人课程高度契合，如表2所示。

表2中，小学科学课程对应的教学内容来源于《小学科学课程标准》中物质科学领域以及技术与工程领域的相关内容，机器人课程对应的教学内容来源于吉林省某所机器人教育机构的课程設置。在众多相似内容中，笔者选择了《齿轮》作为重点研究，其他内容将作为后续课题继续探索。

《齿轮》一课内容的设计灵感，源于教科版科学六年级上册“简单机械”单元，这一单元主要讲解轮轴、杠杆、滑轮、斜面等四种简单机械的原理。生活中，齿轮是应用最广的一种简单机械，基于此，笔者所在团队创编了《齿轮》一课，共计两课时。在设计这一内容时，力求让学生经历一个完整的探究过程，即观察—提出问题—提出假设—实验验证—得出结论。通过这一过程，了解齿轮的传动特点。

根据内容的需要，笔者选择了VEX机器人零件里的齿轮、结构板、轴、限位等材料作为教具。共设计了四个学习任务，分别是：①认识齿轮特点;②对齿轮的传动特点作出假设;③实验验证;④归纳齿轮的传动特点。教学时，笔者用齿轮和轴制做陀螺，利用陀螺加速器使齿轮陀螺快速旋转，进而提出问题：齿轮传动有哪些特点？学生们被新奇的教具所吸引，也被陀螺加速器的神奇功能激发了兴趣，就此对齿轮为什么加速展开大胆假设，后续教学任务顺利开展。

实践证明，依托STEM教育的融合理念，将机器人课程与小学科学整合是十分可行并且非常有效的一种教学方式。未来的科学教育，一定是不拘一格地以学生未来发展为目标的融合教育。