周明龍 汪小慶

[摘 要]STEM教育強調(diào)通過項目探究和動手實踐解決實際問題將多學(xué)科課程融會貫通，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)。STEM教育常用的教學(xué)模式之一是基于設(shè)計的學(xué)習(xí)。文章結(jié)合機器人的教學(xué)實踐，通過 “走黑線簡易機器人”教學(xué)活動的設(shè)計，闡明如何開展基于設(shè)計的STEM教育活動。

[關(guān)鍵詞]STEM教育；DBL；機器人

為適應(yīng)信息時代對培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的需求，世界各國開始高度重視STEM教育。美國頒布了《2015年STEM教育法》以保障STEM教育的順利實施；我國發(fā)布了實施制造強國戰(zhàn)略的第一個十年行動綱領(lǐng)《中國制造2025》，提出立足國情，立足現(xiàn)實，力爭通過三個十年的努力，到新中國成立一百年時，把我國建設(shè)成為引領(lǐng)世界制造業(yè)發(fā)展的制造強國，為實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢打下堅實基礎(chǔ)。

在多年的教學(xué)實踐中，筆者發(fā)現(xiàn)，基于STEM的機器人教學(xué)實踐被大多數(shù)學(xué)生所接受，特別是在實際動手操作方面，被認(rèn)為是有趣的和值得投入精力的?；赟TEM的高中機器人教學(xué)可以有效提高學(xué)生多學(xué)科知識的整合能力、實踐能力、探究能力和創(chuàng)新精神，值得推廣。

一、STEM教育概述

STEM教育是一種基于學(xué)科融合背景的素質(zhì)教育理念，強調(diào)科學(xué)（S）、技術(shù)（T）、工程（E）和數(shù)學(xué)（M）等多學(xué)科的交叉融合而非簡單相加，強調(diào)通過多學(xué)科交叉融合形成一個有機的科學(xué)的整體，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力。

STEM教育主要具備如下特征。一是跨學(xué)科性。強調(diào)綜合應(yīng)用多學(xué)科知識來提高學(xué)生解決實際問題的能力。二是趣味性。問題本身和解決問題的過程都充滿趣味性，從而激勵學(xué)生不斷探究。三是體驗性。強調(diào)學(xué)生動手動腦參與學(xué)習(xí)過程，學(xué)生在參與、體驗中獲得結(jié)果性知識，同時獲得過程性知識。四是情境性。STEM教育關(guān)注現(xiàn)實問題，注重讓學(xué)生在真實的情境中展開學(xué)習(xí)。五是協(xié)作性。要求學(xué)生以小組為單位進行有效的合作學(xué)習(xí)，強調(diào)分享、創(chuàng)造，強調(diào)讓學(xué)生在協(xié)作、分享中感受快樂。六是設(shè)計性。需要進行產(chǎn)品設(shè)計，進而促進知識的融合與遷移。七是實證性。強調(diào)通過實踐認(rèn)識和理解客觀規(guī)律，基于證據(jù)驗證假設(shè)，發(fā)現(xiàn)并得出解決問題的方案。

STEM教育的常規(guī)教學(xué)模式是基于項目的學(xué)習(xí)（Project-based Learning，簡稱PBL）和基于設(shè)計的學(xué)習(xí)（Design-Based Learning，簡稱DBL）。這兩種教學(xué)模式有許多共同之處，都強調(diào)學(xué)生的自主探究、不斷實踐和小組協(xié)作。在此，將重點介紹開展機器人教學(xué)時基于設(shè)計的學(xué)習(xí)。

二、基于設(shè)計的學(xué)習(xí)

基于設(shè)計的學(xué)習(xí)又稱為設(shè)計型學(xué)習(xí)，也是一種基于項目的探究式學(xué)習(xí)。依據(jù)分布式認(rèn)知理論設(shè)計學(xué)習(xí)環(huán)境，重點使學(xué)生掌握科學(xué)概念、科學(xué)技能，以及科學(xué)技能的應(yīng)用，使學(xué)習(xí)者共同提高認(rèn)知、社會、學(xué)習(xí)和交流能力[1]。在實施基于設(shè)計的學(xué)習(xí)時，可以采用克羅德納（Kolodner）提出的科學(xué)探究式學(xué)習(xí)循環(huán)模型（見圖1）[2]。

三、基于STEM的

“走黑線簡易機器人”教學(xué)活動設(shè)計

下面，將結(jié)合案例“走黑線簡易機器人”說明筆者所在學(xué)校如何在STEM理念下開展高中機器人教學(xué)活動。

1.教學(xué)內(nèi)容分析

學(xué)校依據(jù)國家課程《簡易機器人制作》，結(jié)合本校作為省級課程基地的條件和實驗設(shè)備，開發(fā)了校本教材《樂高EV3一本通》，重點內(nèi)容包括：走直線簡易機器人、能拐彎的簡易機器人、走黑線簡易機器人、迷宮搬運機器人。每個教學(xué)內(nèi)容3課時。

2.學(xué)生特征分析

隨著人工智能的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，學(xué)生對機器人已經(jīng)不陌生。但他們對機器人的本質(zhì)了解得不多，在開始學(xué)習(xí)機器人校本課程前，幾乎沒有學(xué)生親自搭建過機器人。而在知識儲備方面，高中學(xué)生通過物理、數(shù)學(xué)等學(xué)科的學(xué)習(xí)，已經(jīng)掌握了運動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、機械結(jié)構(gòu)和簡單的數(shù)學(xué)建模等方面的基礎(chǔ)知識；在信息技術(shù)課程中也逐步掌握了基本的信息處理方法，對計算機編程有初步的了解，掌握了程序的基本結(jié)構(gòu)、基本邏輯命令，對于圖形化編程也已經(jīng)比較熟悉；通過之前的“走直線簡易機器人”“能拐彎的簡易機器人”兩個項目，學(xué)生基本掌握了機器人的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、簡單程序設(shè)計，有相關(guān)的知識儲備。

3.任務(wù)分析

學(xué)生對樂高機器人有了初步的認(rèn)識，能讓機器人走直線，也能讓機器人轉(zhuǎn)彎。設(shè)計走黑線簡易機器人的任務(wù)重點在于怎樣在機器人身上應(yīng)用光感傳感器。其難點有三個：一是光感傳感器的正確使用；二是走黑線的策略選擇，采取不同策略所使用的光感傳感器的個數(shù)不一樣，搭建形狀也有差異；三是光值的確定，學(xué)生之前對于傳感器的原理、構(gòu)造、特征、用途等不夠了解。因此任務(wù)具有一定的挑戰(zhàn)性。

4.STEM整合目標(biāo)

結(jié)合三維教學(xué)目標(biāo)，對設(shè)計走黑線簡易機器人的目標(biāo)任務(wù)進行分析與整合（見表1）。

5.基于STEM的教學(xué)實施過程

在“走黑線簡易機器人”的教學(xué)實施中，共經(jīng)歷了13個教學(xué)階段，每一階段都對應(yīng)了不同的設(shè)計意圖、學(xué)生行為與教師行為（見表2）。

6.教學(xué)總結(jié)

走黑線簡易機器人的設(shè)計與之前的走直線機器人和能拐彎的機器人相比，增加了任務(wù)難度。學(xué)生在掌握機器人基本知識的基礎(chǔ)上，能夠設(shè)計簡單機器人了。走黑線簡易機器人教學(xué)的目的是要學(xué)生學(xué)會如何選擇合適的走黑線策略，掌握檢測不同顏色的光值和編寫復(fù)雜程序的方法。

在教學(xué)過程中，主要采用了基于設(shè)計的學(xué)習(xí)方式。教師只是布置并確保學(xué)生理解任務(wù)，任務(wù)的完成則由學(xué)生自己探索，并從中學(xué)習(xí)新知識?？偟倪^程為：教師提出挑戰(zhàn)性問題——學(xué)生通過多種途徑學(xué)習(xí)、組內(nèi)討論——學(xué)生填寫設(shè)計日志——學(xué)生展示與分享經(jīng)驗——學(xué)生記錄經(jīng)驗法則——學(xué)生小組展示作品，相互評價，按照這一過程循環(huán)往復(fù)，直到成功。其中“記錄經(jīng)驗法則”環(huán)節(jié)非常重要，學(xué)生要總結(jié)并記錄成功的經(jīng)驗，形成法則，這樣獲得的知識和能力才會印象深刻，難以忘記，而且有利于展示分享。例如，在本課中，不同探究小組所選擇的走黑線策略都不盡相同，使用的光感個數(shù)也不一樣，有用兩個光感的，也有用三個光感的，編寫的程序也不相同，體現(xiàn)出多樣性與創(chuàng)造性。

四、反思與展望

筆者通過長期的教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)：基于STEM教育理念，采用基于設(shè)計的學(xué)習(xí)開展高中機器人教學(xué)，不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進學(xué)生的課堂參與程度，提高學(xué)生的動手能力、編程能力和探究能力，而且能激發(fā)學(xué)生打破學(xué)科界限，充分運用已有經(jīng)驗和所學(xué)知識，運用科學(xué)的思想、工程的理念、數(shù)學(xué)的思維來解決問題，創(chuàng)造性地完成設(shè)計任務(wù)。學(xué)生在這一過程中能夠化被動為主動，通過積極合作與不斷反思總結(jié)，建構(gòu)自己的知識體系，體驗成功的快樂。

筆者通過對具體教學(xué)實施過程的反思，總結(jié)了以下經(jīng)驗。一是設(shè)計任務(wù)要具有可行性，要是學(xué)生感興趣的，與生活中遇到的問題相關(guān)。二是要提供支架幫助學(xué)生完成探究。如可以提供素材包、適合的網(wǎng)站等供學(xué)生自主學(xué)習(xí)，要促進師生和生生間的交流。三是分組要科學(xué)。最好是組內(nèi)異質(zhì)、組間同質(zhì)，這樣既可以促進組內(nèi)同學(xué)的優(yōu)勢互補、共同進步，又可以使得組間競爭更具公平性，有效激發(fā)學(xué)生動力，不斷取得進步。四是要以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)。教師應(yīng)該是挑剔的“食客”，不斷向“廚師們”提出新的要求；教師應(yīng)該是貼心的“保姆”，不斷呵護并激勵學(xué)生的上進心；教師應(yīng)該是大方的長輩，不斷向求知的學(xué)生提供幫助。

在今后的教學(xué)中，還要進一步完善機器人校本課程，進一步優(yōu)化教學(xué)方案和流程，爭取在STEM理念下，采用項目式、設(shè)計型學(xué)習(xí)等方式，進一步培養(yǎng)學(xué)生知識整合應(yīng)用的意識、不斷探索反思的意識、合作探究的能力，從而提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

參考文獻

[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]張君瑞.“基于設(shè)計的學(xué)習(xí)（DBL）”理論與實踐探索[D].揚州：揚州大學(xué)，2011.

（責(zé)任編輯 郭向和）