劉朋飛

（杭州市文淵小學(xué)，浙江 杭州 310015）

一、問題的提出

近幾年STEM教育逐步普及，從STEM到STEAM（加入藝術(shù)ARTS），再到STREAM（加入讀/寫能力Reading/Writing），筆者經(jīng)過大量的文獻(xiàn)分析和課堂觀察，不難發(fā)現(xiàn)STEAM教育并不是幾門學(xué)科的簡單疊加，它是一種教育理念，是一種教育新生態(tài)，這種理念抑或生態(tài)是包容的、開放的、融合的。

這種理念非常適合滲透在中小學(xué)機(jī)器人拓展性課程中，因為機(jī)器人本身融合了電子信息、計算機(jī)、工程、物理等多學(xué)科知識，具有綜合性、實踐性和創(chuàng)新性，同時拓展性課程又是基礎(chǔ)性課程的延伸、補(bǔ)充和拓展，相對來說教師在課程內(nèi)容、課堂形式、教學(xué)評價等方面擁有更多的自主選擇權(quán)。因此，在機(jī)器人拓展性課程的教學(xué)實踐中，教師可以融合STEAM理念根據(jù)學(xué)生特點大膽嘗試探索，通過主題活動帶動不同學(xué)科的融合，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)和解決問題的能力。

二、機(jī)器人足球賽主題學(xué)習(xí)活動的設(shè)計理念

機(jī)器人拓展性課程的授課對象是選修該課程的18名學(xué)生，其中男生17名，女生1名。他們都是根據(jù)自己的愛好進(jìn)行自主選課，截至目前已經(jīng)連續(xù)選學(xué)3個學(xué)期（每學(xué)期15課時，每課時90分鐘），累計選學(xué)45課時，具備了一定的知識技能，而且在日常生活中他們也比較喜歡球類運(yùn)動，對球類競賽很感興趣，因此本課時以此為切入口，在STEAM理念引領(lǐng)下開展“機(jī)器人足球賽”主題學(xué)習(xí)活動，旨在培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力和綜合素養(yǎng)，活動設(shè)計框架如圖1所示。

1.跨學(xué)科

機(jī)器人足球賽不提供現(xiàn)成的機(jī)器人，需要學(xué)生動手搭建，搭建好后還要想辦法讓機(jī)器人動起來，并且還要處在自己的遙控中，最終實現(xiàn)靈活操控機(jī)器人，爭取控球并進(jìn)球，從而贏得比賽。顯然這一過程單單利用某一學(xué)科知識是不足以解決問題的，因此學(xué)生就要思考利用技術(shù)、科學(xué)、數(shù)學(xué)等知識解決這些問題，在綜合運(yùn)用多學(xué)科知識中不斷提高解決問題的能力，逐漸實現(xiàn)跨學(xué)科知識的綜合應(yīng)用。

圖1 機(jī)器人足球賽主題學(xué)習(xí)活動的設(shè)計框架

2.趣味性

機(jī)器人足球賽本身具有對抗性、挑戰(zhàn)性，在比賽中無論哪一方都想多進(jìn)球戰(zhàn)勝對方，比較符合學(xué)生的身心特點，與學(xué)生的生活實際有緊密聯(lián)系。因此能夠很好地激發(fā)學(xué)習(xí)動機(jī)，從而調(diào)動學(xué)生的積極性，實現(xiàn)以賽促學(xué)，寓教于樂。而在比賽爭奪中學(xué)生必須綜合運(yùn)用多學(xué)科知識，通過設(shè)計、編程、調(diào)試等一系列手段解決遇到的實際問題，最終在搭建機(jī)器人和解決問題中獲得成就感，在參與實踐和競賽體驗中獲得快樂感。

3.體驗性

在教師的引導(dǎo)下學(xué)生自主探究機(jī)器人的設(shè)計搭建，必要時教師進(jìn)行新知講授或技能示范。學(xué)生在參與中動手動腦，設(shè)計、建構(gòu)、實踐、合作，運(yùn)用技術(shù)、科學(xué)和數(shù)學(xué)等學(xué)科知識解決諸如搭建編程、調(diào)試實踐、策略分析等問題，從而在解決問題的過程中體驗并習(xí)得過程性知識，在合作探究和比賽過程中感受團(tuán)隊通力協(xié)作的重要性，在操控機(jī)器人中體驗參與的成就感和快樂感。

4.情境性

結(jié)合機(jī)器人足球賽，把藍(lán)牙技術(shù)、編程思想、搭建方法、遙控技巧等知識技能轉(zhuǎn)化為有趣的、具有挑戰(zhàn)性的問題，比如怎樣遙控機(jī)器人，怎樣幫助機(jī)器人靈活地控球等等。面對這些問題，學(xué)生需要把所學(xué)的知識進(jìn)行情境化的應(yīng)用。此外，足球賽是動態(tài)的，所處的情境也是變化的，這就需要學(xué)生不斷聯(lián)系已有知識經(jīng)驗，分析、判斷、應(yīng)對突如其來的問題，從而在不同的情境中學(xué)習(xí)知識、遷移知識、應(yīng)用知識，最終靈活地解決問題。

5.協(xié)作性

機(jī)器人足球賽很容易使學(xué)生聯(lián)系到生活實際，知道足球賽中團(tuán)隊協(xié)作的重要性，隊員之間只有默契協(xié)作，才有贏得比賽的可能。學(xué)生進(jìn)行機(jī)器人足球賽，需要做很多前期準(zhǔn)備工作，比如海報設(shè)計、規(guī)則制定、機(jī)器人搭建調(diào)試等等，而這些任務(wù)要想一個人完成很難，學(xué)生需要學(xué)會合作，相互之間要進(jìn)行交流與討論，在頭腦風(fēng)暴中相互幫助、學(xué)習(xí)、啟發(fā)、改進(jìn)，從而實現(xiàn)群體性知識建構(gòu)與重構(gòu)，最終協(xié)作完成任務(wù)。

三、機(jī)器人足球賽主題學(xué)習(xí)活動的實施

機(jī)器人足球賽主題活動流程見圖1，具體如下：

圖2 機(jī)器人足球賽主題學(xué)習(xí)活動的實施流程

1.創(chuàng)設(shè)情境，引發(fā)思考

播放“世界杯足球賽”視頻片段，讓學(xué)生感受比賽氛圍，激發(fā)興趣，引導(dǎo)學(xué)生思考回答兩個問題：假設(shè)你是本次比賽的主辦方，那么要想組織這場比賽你需要做哪些準(zhǔn)備工作？假設(shè)你是參賽的隊員，那么要想贏得比賽，你需要怎么做呢？

2.確定主題，明確任務(wù)

引入本次課的活動主題“機(jī)器人足球賽”，學(xué)生分析思考：組織并參與機(jī)器人足球賽需要做哪些準(zhǔn)備工作？隨后明確“設(shè)計海報”“制定比賽規(guī)則”“布置場地”“撰寫解說稿”“搭建機(jī)器人”“程序設(shè)計”“遙控機(jī)器人”等任務(wù)，具體見表1。

表1 “機(jī)器人足球賽”任務(wù)分工

3.引導(dǎo)示范，提供幫助

面向全體學(xué)生（工作人員和參賽選手），分析哪些任務(wù)學(xué)生聯(lián)系已有知識可以自主探究完成，哪些任務(wù)需要新知鋪墊，為學(xué)生搭“腳手架”，引導(dǎo)學(xué)生嘗試操作，并及時反饋評價，確保全體學(xué)生習(xí)得新知新技能，這樣才能順利地進(jìn)行接下來的機(jī)器人足球賽。比如機(jī)器人的搭建，教師只需引導(dǎo)學(xué)生改裝 “移動基座”，加裝踢球的“腳”等等；比如藍(lán)牙遙控，學(xué)生從來沒有接觸過，因此需要教師講解示范使用藍(lán)牙遙控的方法，為學(xué)生協(xié)作完成后續(xù)的程序編寫、遙控機(jī)器人提供幫助。

4.協(xié)作探究，解決問題

（1）設(shè)計海報。由策劃人負(fù)責(zé)設(shè)計機(jī)器人足球賽的海報，要求海報主題鮮明、美觀大方。海報的設(shè)計在黑板上完成，讓黑板不再專屬教師，給學(xué)生“占領(lǐng)”講臺的機(jī)會，使學(xué)生擁有充分的自主設(shè)計權(quán)，設(shè)計時可以網(wǎng)上查閱資料用以借鑒參考，但建議學(xué)生在設(shè)計時要集思廣益，充分征求大家的意見。

（2）制定比賽規(guī)則。機(jī)器人足球賽比賽規(guī)則由主裁判全權(quán)負(fù)責(zé)，要求比賽規(guī)則合理、表述簡明扼要。兩名主裁判根據(jù)實際情況協(xié)商制定，可以參考球類比賽規(guī)則，也可以現(xiàn)場上網(wǎng)查閱資料，但要求主裁判用白板筆把規(guī)則寫在白板上，向所有隊員公示，在征詢和采納合理的意見和建議后，修改完善并最終確定。

（3）撰寫解說詞。解說員負(fù)責(zé)機(jī)器人足球賽的現(xiàn)場解說，要求思路清晰，解說詞簡練精辟，語言表達(dá)清楚，話筒等道具自制。解說員可以查閱相關(guān)資料，觀看相關(guān)比賽視頻，模仿央視知名解說員解說，來熟悉解說的基本技巧，并事先做預(yù)設(shè)，擬好解說詞草稿，再根據(jù)現(xiàn)場的賽況臨場發(fā)揮（見圖3）。

（4）搭建機(jī)器人。隊員自由搭配兩兩一組，協(xié)作搭建用于比賽的機(jī)器人，可以參考熟悉的“移動基座”結(jié)構(gòu)，對其改裝使之能夠“踢球”，也可以重新設(shè)計，自主探究創(chuàng)新機(jī)器人結(jié)構(gòu)。但要求機(jī)器人結(jié)構(gòu)牢固，大小符合規(guī)定，高度不限，長不超過25cm，寬不超過20cm，使用材料不限。

圖3 學(xué)生拿著“話筒”在解說球賽

（5）設(shè)計程序。機(jī)器人足球賽是實時的、動態(tài)的，球的位置是不斷變化的，事先無法預(yù)設(shè)機(jī)器人的行走路線，現(xiàn)有條件下可行的辦法是遙控機(jī)器人，因此機(jī)器人程序設(shè)計的重點和難點是藍(lán)牙遙控，教師通過講解示范，引導(dǎo)學(xué)生啟動藍(lán)牙，配置參數(shù)，連接配對，編寫發(fā)送端和接收端程序，從而實現(xiàn)手動遙控機(jī)器人的前進(jìn)后退和移動轉(zhuǎn)向，學(xué)生根據(jù)比賽實際需要加以鞏固和應(yīng)用，見圖4。

圖4 藍(lán)牙遙控（發(fā)送端和接收端）程序設(shè)計

（6）調(diào)試機(jī)器人。將編寫完成的程序下載至EV3控制器中進(jìn)行試運(yùn)行，檢驗程序是否正確，能否達(dá)到靈活遙控機(jī)器人的效果，這個過程經(jīng)常會出現(xiàn)很多問題，鼓勵學(xué)生做一個“愛迪生式”的發(fā)明家，發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，討論協(xié)商解決問題，循環(huán)往復(fù)地實踐探究，實在解決不了的問題再向教師尋求幫助。

5.實戰(zhàn)演練，修改完善

各隊機(jī)器人調(diào)試成功后，解說員、裁判員、參賽選手準(zhǔn)備就緒，一場由學(xué)生自導(dǎo)自演的機(jī)器人足球賽拉開序幕。在比賽過程中學(xué)生會發(fā)現(xiàn)，很多突發(fā)問題會出現(xiàn)，而這些問題他們事先難以預(yù)料，比如，機(jī)器人剮蹭零件脫落、機(jī)器人突然不聽指揮、比賽規(guī)則漏洞、判罰爭議等等。

一旦出現(xiàn)這些狀況，對于參賽隊員來說，需要快速查找問題，應(yīng)用所學(xué)知識技能加以分析處理，不斷修改程序、完善機(jī)器人結(jié)構(gòu)，同時，還要提高配合默契度、調(diào)整戰(zhàn)術(shù)，直至經(jīng)得起實戰(zhàn)檢驗；對于裁判員來說，現(xiàn)場的狀況遠(yuǎn)遠(yuǎn)比預(yù)想的要復(fù)雜，突如其來的問題促使他們反思，規(guī)則需要補(bǔ)充和修訂，更要合理，直至被大家認(rèn)可，判罰也要公正公平，爭取無爭議，努力把申訴次數(shù)降到最低；對于解說員來說，實時動態(tài)的比賽存在很多不確定性，需要根據(jù)現(xiàn)場狀況隨機(jī)應(yīng)變，語言的組織、解說的思路都需要不斷調(diào)整更新。

四、總結(jié)與反思

1.教師引領(lǐng)，學(xué)生實踐

STEAM教育強(qiáng)調(diào)“以學(xué)生為中心”開展學(xué)習(xí)活動，注重培養(yǎng)學(xué)生綜合實踐能力，因此，在“機(jī)器人足球賽”主題學(xué)習(xí)活動中，倡導(dǎo)教師是引領(lǐng)者，學(xué)生才是實踐者。教師要給學(xué)生提供更多的動口、動手、動腦的機(jī)會，讓學(xué)生充分“動”起來，只有“動”起來，學(xué)生才能發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，從而真正地解決問題。當(dāng)學(xué)生在探索實踐的路上走偏、走錯，或者停止不前、舉步維艱的時候，教師要及時介入，把學(xué)生“拉”回來，引領(lǐng)學(xué)生朝著正確的方向探索前進(jìn)。比如，通過程序編寫實現(xiàn)遙控機(jī)器人這一內(nèi)容，對于學(xué)生來說是新知，是難點也是重點，學(xué)生想要自己探索出來難度非常大，這時教師就應(yīng)該適當(dāng)介入，通過講解示范，使學(xué)生掌握藍(lán)牙配置的方法、程序編寫的基本思路，而對于各個模塊的屬性、參數(shù)值設(shè)置等問題，則應(yīng)鼓勵學(xué)生在實踐中“試誤”。

2.同伴互助，小組協(xié)作

“小成功靠個人，大成功靠團(tuán)隊”，STEAM教育也非常注重團(tuán)隊的協(xié)作，強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊之間的相互啟發(fā)、相互作用。因此，根據(jù)“機(jī)器人足球賽”主題學(xué)習(xí)活動的內(nèi)容，將學(xué)生分成若干個小組，每個小組人數(shù)不宜過多，一般2至3人，學(xué)生之間開展小組協(xié)作，組內(nèi)組間相互交流，相互學(xué)習(xí)，遇到問題同伴之間相互討論，協(xié)商解決，碰到“沖突”難以解決的，教師再給予適當(dāng)幫助。比如，在機(jī)器人搭建的時候，教師不提供完整的搭建方案，學(xué)生依據(jù)規(guī)格、功能等標(biāo)準(zhǔn)自主設(shè)計搭建，同伴之間需要思考、協(xié)商，通過討論把想法表達(dá)出來，把理由說清楚，努力找出“最佳”方案進(jìn)行搭建。在討論過程中，有時會因為某一問題而僵持不下，意見遲遲不能達(dá)成一致，彼此都希望說服對方按照自己的想法做，他們不得不更深入地思考、分析、表達(dá)，爭取讓對方“妥協(xié)”，如果還沒有“妥協(xié)”，教師應(yīng)介入，提出意見供學(xué)生參考，幫助學(xué)生抉擇，從而提高學(xué)生之間的協(xié)作效率。

3.學(xué)科融合，問題導(dǎo)向

STEAM教育注重多學(xué)科的融合，強(qiáng)調(diào)從問題解決的角度培養(yǎng)學(xué)生綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，因此，設(shè)計活動時應(yīng)體現(xiàn)多學(xué)科之間的有機(jī)融合，注重培養(yǎng)學(xué)生解決問題的綜合能力?！皺C(jī)器人足球賽”主題學(xué)習(xí)活動融合多學(xué)科知識，既鞏固了學(xué)生已有知識技能，比如機(jī)器人移動基座的搭建等，又拓展了已有知識技能，比如原有的移動基座用于足球賽還不夠理想，需要根據(jù)實際需求加以改裝，同時還學(xué)習(xí)了新知，比如運(yùn)用舊知尚不能達(dá)到靈活操控機(jī)器人，因此引入藍(lán)牙并把這個技術(shù)應(yīng)用到具體的足球賽中加以鞏固。學(xué)生在動手實踐中很容易就會發(fā)現(xiàn)問題，特別是在調(diào)試機(jī)器人的時候，甚至是比賽的時候，都會出現(xiàn)很多無法預(yù)料到的問題，這些問題的出現(xiàn)是很好的學(xué)習(xí)機(jī)會，有什么問題就解決什么問題，教師需要以這些問題為切入口，引導(dǎo)學(xué)生討論分析，形成解決問題的方案，鼓勵學(xué)生邊思考邊實踐，邊反思邊修改，自主探究最終解決問題，從而培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用多學(xué)科知識解決問題的能力。

五、結(jié)束語

STEAM理念下的“機(jī)器人足球賽”主題學(xué)習(xí)活動，符合新課改中改變學(xué)科本位的分科主義課程結(jié)構(gòu)，重視學(xué)科整合的基本要求，體現(xiàn)了信息技術(shù)課程國家標(biāo)準(zhǔn)中打破教室和書本局限，鼓勵跨學(xué)科的活動為主題，實現(xiàn)技術(shù)學(xué)習(xí)與技術(shù)應(yīng)用之間整合的“雙價值”的基本理念，以及教材主題化、彈性化的內(nèi)容設(shè)計理念，是機(jī)器人拓展性課程教學(xué)的具體實踐，雖然取得了一定實效，但也存在著不足，需要在后續(xù)的教學(xué)實踐中不斷修正和完善。