“科”与“技”并重，“探究”与“创新”齐抓

【摘 要】《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》的颁布，对信息科技课程提出了新理念、新内容和新要求，为信息科技课程迈向新的发展阶段指明了方向。本文分析虚拟机器人A-STEM课程的育人价值，并提出新课标理念下的虚拟机器人A-STEM教学策略（IRISO），倡导信息科技教师在机器人课程教学中注意“科”与“技”并重，将“探究”与“创新”齐抓，培养出懂“科学”、晓“技术”、敢“探究”、会“创新”的高素质人才队伍。

【关键词】教学策略；IRISO；虚拟机器人

【中图分类号】G434   【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2023）09-051-03

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）的颁布，更新了课程理念，提出要遴选科学原理和实践应用并重的课程内容，提高学生数字化合作与探究的能力，发扬创新精神[1]。面对新课标的新要求，传统的机器人编程课程该如何变革？笔者结合课题研究实践，梳理分析虚拟平台下机器人A-STEM课程的育人价值，提出新课标理念下的虚拟机器人A-STEM教学策略。

虚拟平台机器人A-STEM课程的育人价值

1.贯彻新课标的育人理念

习近平总书记指出：“我国科技发展的方向就是创新、创新、再创新”，而培养具有创新能力的人才是广大教育工作者的重要使命。提高数字化合作与探究的能力，发扬创新精神是信息科技课程的目标之一[2]。虚拟平台机器人A-STEM课程是以数字化虚拟平台做支撑，以人文为引领，融合了科学、技术、工程和数学的跨学科课程，是培养人才创新能力的教育新方式。该课程既有科学原理，又有实践探索，体现了“科”与“技”并重[3]，同时教学中倡导“探究”与“创新”齐抓，发展团队合作与实践探究的能力，逐步培养创新型人才。

2.培养更多的创新型人才

传统的实物机器人因设备昂贵，往往只有参加竞赛的个别学生才有机会学习，而虚拟平台提供的数字化学习环境，让所有学生都有机会参与机器人的学习和探究。虚拟机器人平台采用虚拟现实技术及机器人仿真技术手段，对生活中的交通场景进行三维模拟，为A-STEM教育提供了可以反复进行工程设计、实验观测、互动交流和实践探究的机会。通过此平台，每个学生都有机会模仿科学家和工程师经历发现问题、分析问题、解决问题的过程[4]，科学探究精神和创新能力得到培养。

新课标理念下的虚拟机器人A-STEM教学策略

新课标对信息科技课程的教学提出了新的要求，为此，虚拟机器人A-STEM课程的教学也要做出相应的变革。一套好的教学策略的关键是要用合适的环节将教学过程灵活串起来，让学生乐于在其中探究和实践，愿意在其中创新。笔者在借鉴国内外A-STEM课程的经典文献、优秀案例及优秀教学模式的基础上，设计出了虚拟平台的机器人A-STEM教学策略（IRISO）。其具体分为问题引入、资源互动、实践探究、成果分享和反思优化五个环节。

1.问题引入（Issues）：以问题为导向

这一阶段是从学生学情出发，以学生已有的知识技能和经验为起点[5]，设计一系列有一定难度的劣构问题吸引学生，引导学生发现现实问题，聚焦人文意义，引发探究愿望，并让学生在探究中不断尝到成功的喜悦[6]。教师在课堂教学中要以问题为导向，灵活运用多种方法，结合每节课的主题引出要研究的问题，通过问题激发学生积极探究的兴趣，培养学生的问题意识。学生的学习以解决问题为主线，以问题解决为直接目标。

教师在课堂上要引导学生逐渐形成分解大问题、生成小问题的能力，即能够将复杂的大问题分解成有条理、有层次的小问题，通过解决小问题实现目标问题的解决。例如，某节课的目标问题是要求学生根据需求设计出一辆汽车结构模型。这个大问题就可以分解成多个小问题，如汽车的车头、车身、车尾分别用哪些结构件，用哪种电机做动力系统，采用哪种摩擦系数的轮胎等。

2.资源互动（Resource）：以资源为支架

美味佳肴的烹饪需要好的食材，学生高效学习同样需要优质的资源。在资源互动环节，教师要从学生的学习需求出发，结合每节课的目标问题提供各类丰富的资源包，如可以融入跨学科知识，形成核心知识点、操作类微课、实验项目单等资源库，为学生在认知负荷合适度范围内建立起配套的学习支架。

有了资源为支架，学生每节课都是学习的主体，通过虚拟3D平台场景化、游戏化的界面，他们具有强烈的学习动机和浓厚的学习兴趣，能快速进行自主学习，获取相关的新知识，同时将新知识和自己已有的知识、元认知知识等进行认知互联，形成解决问题的链条，并根据自己的理解撰写出问题的初步解决方案或绘制出设计草图。然后，小组同伴一起讨论交流，初步形成解决问题的思路办法（图1）。

例如，针对汽车结构的设计这节课，教师提供的资源包可以包括物理方面重心、摩擦力的知识，艺术方面汽车外观设计知识，技术方面各结构件如何拼接的视频等。学生掌握这部分新的知识点后，可以与生活中的知识进行互联，如大型卡车、小轿车、SUV等不同车型因重心不同带来的不同的乘坐体验，由此更能加深他们对知识理解的深度，形成自己的观点，再通过小组内的互动交流，集思广益，从而得到初步的解决问题的办法。

3.实践探究（Inquiry）：在实践中探究

实践是检验真理的唯一标准。学生形成的初步方案是否可行？是否是目标问题的最优解决办法？设想和实际情况存在哪些差異？设计的结构是否合理？设计的程序是否是高效的算法？这些问题都需要在虚拟平台中逐个实践探究、逐条检验、逐项“求真”。

在实践探究环节，每个小组都是自己方案的检察官，都需要在虚拟平台上检验论证自己方案的可行性、信度和效度。他们需要逐步学会观测和分析反馈的数据信息，并据此修改方案，然后继续开启新一轮的实践探究活动。即从测试、观察、分析、修改，到再测试、再观察、再分析、再修改，学生经过反复多次地实践探究，不断完善问题解决的方案，不断朝着问题最优解的方向前进，直到完美解决问题。

例如，为了研究让无人驾驶汽车实现在赛道中间自动行驶的问题，学生就经历了从绘制草图、设计结构、设计程序到测试效果、观察数据、分析数据，再到修改结构、修改程序，再到再次测试……如此反复不断地优化方案，先后形成了众多研究版本。每一次问题的解决，既让学生尝到了成功的喜悦，同时又可能出现新的问题，进而进入新问题的求解过程。这个环节能不断深化学生对问题的理解，不断改进自己的方案，在实践中探究、在探究中创新。

4.成果分享（Sharing）：在分享中成长

成果分享环节是必不可少的，往往也是最精彩的环节。这个环节是一场思维碰撞的盛宴，就像暖春里的花园，百花齐放、百鸟争鸣，每个学生都能在分享和倾听中收获成长。经过前一阶段的实践探究，每个小组都形成了一系列多版本的问题解决方案。如何将本组研究成果准确地展示给其他小组？别的小组又是如何解决这个问题的？讲台是各小组展示分享研究成果的舞台，既能锻炼每个学生的口才演讲能力、多维互动能力，又能锻炼他们敢于批判和质疑的精神。

如同样是为解决路上障碍物的问题，有多个小组都想到了将障碍物推开的方法，但每个组的做法却又不同，有的小组将车头设计成叉车形状（推过去），有的小组将车頭设计成三角箭头形状（挤过去），还有的小组在车头两侧装滑轮（滑过去）。我们甚至惊喜地发现有的小组居然想到了给汽车车头装上传感器，这样无人驾驶汽车就能像拥有眼睛一样随时观测前方的路况，一旦发现障碍物则转个弯绕开（绕过去），如图2所示。

不同的设计思路、不同的解决方法，组成了一场“思维”交响乐，让学生大开眼界、大饱耳福。每一种方法都是各组的创意结晶，都经过了实践检验，每一个有创意的想法，都值得被鼓励，学生的“创新”思维逐渐腾飞。

5.反思优化（Optimizing）：在反思中升华

他山之石，可以攻玉。通过上一环节的成果分享，每个学生都经历了一场思维大碰撞，都能从别的小组中学习新的知识、新的理念、新的方法。如学生搭建的汽车结构基本上都是不一样的，使用的传感器也不尽相同，安装的角度更是五花八门，而实际运行中的效果更是千差万别[7]。正是这么多不一样的想法，不一样的方案，为学生打开了“创新”的大门，“创新”的灵感就像雨后春笋那样争先恐后地在他们的脑中冒出。学生开始自我反思：自己的方案和同学的相比，分别有哪些优缺点？有哪些优秀的做法是可以引入到自己方案中的？哪些好的经验是值得自己借鉴的？我还可以做得更好吗？围绕这些问题，他们迸发出要进一步改进方案的冲动，再通过平台的仿真测试，在实践中不断调整，不断重组优化，最终寻求更优的解决问题的方案。精益求精的工匠精神和锲而不舍的探究精神就这样在潜移默化中逐渐形成。反思优化环节，既是方案的升华，也是思维的升华，更是人才培养的全面升华。

结  语

笔者所在学校开设的无人驾驶机器人A-STEM课程从社团课小班教学到常规课的大班化教学，发展到全区多个学校联合推广教学，深受学生的喜爱。实践证明，该课程IRISO的教学策略是行之有效的。信息科技新课标的颁布既是机遇，也是挑战。广大信息科技教师在教学中要注意“科”与“技”并重，将“探究”与“创新”齐抓，为培养出更多懂“科学”、晓“技术”、敢“探究”、会“创新”的高素质人才贡献自己的力量。

注：本文系广东省教育研究院第二批STEM教育专项研究重点课题“无人驾驶机器人A-STEM 课程教学策略研究”（立项号：GDJY-2020-S-a007）阶段性成果和广东省黄强名教师工作室教研成果

参考文献

[5] 卢秋红. 信息科技课程标准相关热点问题解析——专访教育部义务教育阶段信息科技课程标准研制组组长熊璋教授[J].中小学信息技术教育，2022（6）： 24-26.

中华人民共和国教育部. 义务教育信息科技课程标准（2022年版）[S]. 北京：北京师范大学出版社，2022.

熊璋.“科”“技”并重：义务教育信息科技课程标准解读——访义教信息科技课标组组长熊璋教授[J]. 中国信息技术教育，2022（9）： 4-7.

叶小辉. 基于A-STEM的无人驾驶课程研究[J]. 中国信息技术教育，2019（7）： 17-19.

吴向东，王继华. 面向高质量STEM教育的鸢尾花教学模式[J]. 中小学数字化教学，2017（1）： 49-52.

叶小辉，方金翠，杨帆. 虚拟机器人课程在中小学的实践[J]. 教育信息技术，2020（3）： 62-65.

作者单位：广东深圳市龙岗区同心实验学校

编   辑：冯艳艳