蘇秀萍 趙哲仁

[摘? ?要]STEM教育與機(jī)器人教育具有內(nèi)在的一致性。以高中VEX機(jī)器人教學(xué)為例，可將機(jī)器人教育與STEM教育融合，在STEM視角下設(shè)計(jì)VEX機(jī)器人課程內(nèi)容，構(gòu)建基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的VEX機(jī)器人教學(xué)模式，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)與應(yīng)用跨學(xué)科知識(shí)，學(xué)會(huì)合作與競(jìng)爭(zhēng)，發(fā)展STEM素養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]STEM 教育;機(jī)器人教育;項(xiàng)目式學(xué)習(xí)

1986年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì)發(fā)布了《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》報(bào)告，提出了“科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)教育集成”的綱領(lǐng)性建議，被視為STEM教育的開端[1]。機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)融合了多學(xué)科知識(shí)與技能的學(xué)習(xí)，是培養(yǎng)學(xué)生STEM素養(yǎng)的有效途徑。然而，如何設(shè)計(jì)課堂教學(xué)活動(dòng)以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力和創(chuàng)新能力，是機(jī)器人教學(xué)面臨的重要問題。在此，將結(jié)合VEX機(jī)器人教學(xué)案例進(jìn)行探討。

一、STEM教育與VEX機(jī)器人教育

深度融合的基礎(chǔ)

1.STEM教育的跨學(xué)科整合特性

STEM教育所強(qiáng)調(diào)的整合，非不同學(xué)科的簡(jiǎn)單組合，而是將各種零散的知識(shí)與機(jī)械過程變成一個(gè)探究世界互相聯(lián)系的不同側(cè)面的過程，指向基于真實(shí)問題進(jìn)行分析、應(yīng)用、遷移的高階能力[2]。以芬蘭的STEM教育為例，其實(shí)踐特色是主張以學(xué)生為中心，綜合跨學(xué)科的思維方式，以主動(dòng)探索為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)合作，注重培養(yǎng)學(xué)生在未來社會(huì)獲得成功所需要的能力。這是一種開放式教學(xué)，從分科走向融合，從重結(jié)果到重過程，從關(guān)注個(gè)體到關(guān)注合作，從掌握知識(shí)到問題解決，從被動(dòng)學(xué)習(xí)到主動(dòng)參與[3]。研究表明，這種跨學(xué)科學(xué)習(xí)的方式更能讓學(xué)生保持學(xué)習(xí)的熱情。

2.VEX機(jī)器人教育的特點(diǎn)

VEX機(jī)器人教育通常都有競(jìng)賽背景。而VEX機(jī)器人大賽是為促進(jìn)學(xué)生探究機(jī)器人、進(jìn)行科技創(chuàng)新活動(dòng)而打造的平臺(tái)。競(jìng)賽的目的是讓學(xué)生通過團(tuán)隊(duì)合作面對(duì)競(jìng)爭(zhēng)的方式培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)[4]。在VEX機(jī)器人大賽中，學(xué)生團(tuán)隊(duì)要自主設(shè)計(jì)、制作機(jī)器人并進(jìn)行編程。要求參賽機(jī)器人既能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)程序控制，又能由遙控器控制，還能在特定的競(jìng)賽場(chǎng)地上按照一定的規(guī)則完成任務(wù)。在高水平的比賽交流中，學(xué)生可以更深刻地體驗(yàn)科技的力量，將創(chuàng)造性的想法付諸實(shí)踐，快速提升實(shí)踐能力，并在團(tuán)隊(duì)中發(fā)展組織與合作能力，收獲尊重和友誼等。

3.STEM教育與VEX機(jī)器人教育具有內(nèi)在的一致性

現(xiàn)今社會(huì)，科技發(fā)展日新月異，教育的現(xiàn)代化勢(shì)在必行。教育理念的更新，教育應(yīng)用的創(chuàng)新，學(xué)生的多元化培養(yǎng)等，都是時(shí)代的呼喚。學(xué)科教育不應(yīng)只局限于構(gòu)建獨(dú)立的知識(shí)體系，而應(yīng)更多提倡跨學(xué)科的融合。在學(xué)習(xí)方式上，應(yīng)倡導(dǎo)在真實(shí)復(fù)雜的情境中，通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作學(xué)習(xí)并解決問題;在教育方式上，應(yīng)強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生將知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐;在資源形式上，應(yīng)強(qiáng)調(diào)資源的開放，有效支持教師的教和學(xué)生的學(xué)。在這樣的背景下，STEM教育與VEX機(jī)器人教育有必要深度融合。

二、STEM教育視角下的

VEX機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐過程

1.構(gòu)建基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的VEX機(jī)器人教學(xué)模式

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是STEM教育的主要學(xué)習(xí)方式，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，在相對(duì)真實(shí)復(fù)雜的問題情境中，以小組合作的方式，為解決問題而學(xué)習(xí)多學(xué)科知識(shí)，重構(gòu)或整合知識(shí)體系，最終完成問題的解決。這個(gè)過程可有效培養(yǎng)學(xué)生的合作能力、問題解決能力、自主學(xué)習(xí)能力等。筆者在機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐中，逐漸形成了基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的教學(xué)模式（見圖1）。

2.在STEM視角下設(shè)計(jì)VEX機(jī)器人課程內(nèi)容

VEX機(jī)器人教育涉及科學(xué)、物理、工程、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)編程等多門學(xué)科，強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、動(dòng)手拼裝能力、計(jì)算思維能力、問題解決能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。在STEM視角下，可將VEX 機(jī)器人課程內(nèi)容細(xì)化，并基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)開展教學(xué)實(shí)踐（見表1）。

3.基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的VEX機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

以VEX-DER高中組機(jī)器人項(xiàng)目“攻城易幟”為例，由福建省廈門市海滄中學(xué)的高中VEX機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室社團(tuán)實(shí)施，共有學(xué)生16人，分成4個(gè)組。配有2名專任教師，其中一名是信息技術(shù)教師，另一名主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的VEX機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)中，首先要了解當(dāng)季賽事的主題和規(guī)則，師生一起解讀并熟悉相關(guān)規(guī)則。接下來，教師會(huì)從基礎(chǔ)知識(shí)入手，引導(dǎo)學(xué)生了解VEX硬件器材和相關(guān)工具的使用，學(xué)會(huì)VEX編程軟件（即Robot C語言）。然后，從模仿往年機(jī)型的搭建開始，讓學(xué)生熟悉操作并嘗試改進(jìn)創(chuàng)意設(shè)計(jì)。每個(gè)小組要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成主題機(jī)器人的設(shè)計(jì)，期間要經(jīng)歷組內(nèi)討論、交流、反復(fù)修改等過程，有專門的時(shí)間用于匯報(bào)和展示。最后，組織小組對(duì)抗賽，選出優(yōu)勝組。各組將借此機(jī)會(huì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)本組機(jī)器人存在的問題，可繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)或完善。此外，學(xué)校還可以借助區(qū)域聯(lián)盟的力量，在校際之間進(jìn)行模擬排位賽，互相交流與提升[5]。VEX機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)的內(nèi)容與重難點(diǎn)見表2。

VEX機(jī)器人比賽每年的主題都不一樣。通過幾個(gè)賽季的實(shí)踐，師生形成了以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為主的教學(xué)實(shí)踐流程（見圖2），并積累了活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)。

一是活動(dòng)準(zhǔn)備，組建團(tuán)隊(duì)。每個(gè)隊(duì)員根據(jù)自己對(duì)VEX機(jī)器人的了解，結(jié)合當(dāng)年賽事的主題組建團(tuán)隊(duì)。通常一個(gè)小組有2至4人，要選出組長(zhǎng)，進(jìn)行組內(nèi)分工（如操控手、編程手、拼裝手等），合作完成機(jī)器人設(shè)計(jì)與搭建。為此，需要在活動(dòng)前期做好團(tuán)建工作，隨著教學(xué)活動(dòng)的持續(xù)，可以略去這一環(huán)節(jié)或改為優(yōu)化團(tuán)隊(duì)建設(shè)等。

二是基礎(chǔ)授課，學(xué)習(xí)新知。在項(xiàng)目活動(dòng)開始前，教師要組織一次案例分析會(huì)，師生一起回顧以往賽季，并分析當(dāng)前賽季。借助網(wǎng)絡(luò)資源、VEX官網(wǎng)內(nèi)容、視頻案例等，剖析主題賽事的要求、機(jī)型特點(diǎn)、機(jī)型功能、評(píng)分規(guī)則（相當(dāng)于STEM任務(wù)中的評(píng)價(jià)量規(guī)）等。教師要鼓勵(lì)學(xué)生自主獲取并分析資源或信息。對(duì)于抽象的概念原理等，教師可以借助相關(guān)結(jié)構(gòu)的案例，用更直觀生動(dòng)的方式幫助學(xué)生理解和掌握。在編程方面，可以集中進(jìn)行基礎(chǔ)培訓(xùn)，再對(duì)各組選出的編程手進(jìn)一步培訓(xùn)，如優(yōu)化冗長(zhǎng)語句，將傳感器的應(yīng)用與編程結(jié)合等。這些必要的授課，是為了讓學(xué)生更好地理解機(jī)器人運(yùn)作的原理，并在此基礎(chǔ)上探究與項(xiàng)目相關(guān)的其他知識(shí)。

三是團(tuán)隊(duì)合作，完成設(shè)計(jì)。機(jī)器人的設(shè)計(jì)離不開團(tuán)隊(duì)成員的分工與合作，每個(gè)小組對(duì)項(xiàng)目主題的解讀不盡相同。各組自主制定方案，根據(jù)特長(zhǎng)或興趣進(jìn)行合理分工，組員們通力合作完成拼裝、編程、協(xié)調(diào)等工作。每個(gè)成員都要撰寫工程日志，記錄自己分擔(dān)的任務(wù)、發(fā)現(xiàn)的問題、遇到的困難、獲得的啟發(fā)和靈感等，這些日志將成為對(duì)小組進(jìn)行評(píng)價(jià)的依據(jù)之一。

四是成果匯報(bào)，交流反饋。機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室有總體的時(shí)間計(jì)劃，并安排了階段性匯報(bào)，每個(gè)小組都要進(jìn)行匯報(bào)交流，對(duì)于優(yōu)秀的設(shè)計(jì)，還會(huì)組織專題匯報(bào)會(huì)進(jìn)行分享。交流的形式包括研究性學(xué)習(xí)匯報(bào)、小組交流賽、工程日志分享等。

五是參加比賽，反思提升。每一次參賽，都是寶貴的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。通過參加各類比賽，學(xué)生可以借鑒別人的長(zhǎng)處或?qū)W習(xí)其他機(jī)型的設(shè)計(jì)方法，結(jié)交盟友，分享心得;可以在比賽中發(fā)現(xiàn)問題，反思比賽中的得失，撰寫賽后心得，繼續(xù)優(yōu)化自己的設(shè)計(jì)，在這樣不斷的總結(jié)與反思中獲得不斷的提升。教師要注意引導(dǎo)學(xué)生以學(xué)習(xí)的心態(tài)參加比賽，注重過程的體驗(yàn)，在比賽中經(jīng)歷成長(zhǎng)。

三、對(duì)VEX機(jī)器人教學(xué)實(shí)施的建議

1.重視對(duì)個(gè)人與小組的綜合評(píng)價(jià)

教師和學(xué)生都要對(duì)個(gè)人在團(tuán)隊(duì)中的行為表現(xiàn)、任務(wù)完成情況等進(jìn)行評(píng)價(jià)，還要對(duì)整個(gè)團(tuán)隊(duì)的表現(xiàn)、團(tuán)隊(duì)工程日志、團(tuán)隊(duì)凝聚力、設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性等進(jìn)行評(píng)價(jià)。由于參賽機(jī)會(huì)和參賽隊(duì)伍有限，因此在開展活動(dòng)之前就要強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)室的規(guī)則和選拔標(biāo)準(zhǔn)，綜合考量團(tuán)隊(duì)中每個(gè)成員的參與度、行為素養(yǎng)及STEM素養(yǎng)，這樣才能持續(xù)激發(fā)團(tuán)隊(duì)的活力。

2.引導(dǎo)學(xué)生正確對(duì)待比賽

創(chuàng)建機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的目標(biāo)是培養(yǎng)品學(xué)兼優(yōu)的創(chuàng)新型、綜合型人才，注重學(xué)生在過程中的體驗(yàn)和學(xué)習(xí)能力的提升。小組間會(huì)存在一定的競(jìng)爭(zhēng)，在參加大賽前也需要對(duì)成員進(jìn)行篩選，前期考評(píng)是一個(gè)比較公平的參考因素。因此，要引導(dǎo)學(xué)生正確對(duì)待比賽，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到良好的品行和積極向上的求知精神比在比賽中獲勝更重要。要讓學(xué)生既能接受挑戰(zhàn)，也能接受失敗，營(yíng)造良好的實(shí)驗(yàn)室氛圍，這是使該項(xiàng)活動(dòng)能夠持續(xù)健康發(fā)展的保障。

3.引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)

傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式中過度依賴“灌輸”，強(qiáng)調(diào)識(shí)記，因此只停留在布魯姆認(rèn)知層次的淺層學(xué)習(xí)階段，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力和應(yīng)用能力，并導(dǎo)致了學(xué)校教育與實(shí)際生活嚴(yán)重脫軌，學(xué)生缺乏持續(xù)的動(dòng)力。為改變這種情況，在VEX機(jī)器人教學(xué)中要基于項(xiàng)目開展研究性學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠進(jìn)入深度學(xué)習(xí)，不斷強(qiáng)化主動(dòng)探究的意識(shí)，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，逐漸將跨學(xué)科知識(shí)融會(huì)貫通，從而提高STEM素養(yǎng)。

4.鼓勵(lì)個(gè)性化學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生潛能與創(chuàng)造力

活動(dòng)以自主設(shè)計(jì)與探究為主，充分尊重學(xué)生的創(chuàng)意和想法，滿足學(xué)生個(gè)性化發(fā)展的需要。每個(gè)小組基于活動(dòng)項(xiàng)目展開方案設(shè)計(jì)和進(jìn)度安排。整個(gè)過程，從方案的討論、問題的提出到信息的獲取，再到機(jī)器人的設(shè)計(jì)等，全部由學(xué)生小組協(xié)作完成。期間，教師要發(fā)揮的作用是陪伴、建議、支持和鼓勵(lì)。教師不宜過多干涉學(xué)生的活動(dòng)，更不能把自己的觀點(diǎn)強(qiáng)加給學(xué)生，要將自己定位成學(xué)生的合作伙伴。

機(jī)器人課程具有較強(qiáng)的科學(xué)性和實(shí)踐性，如果僅依靠傳統(tǒng)教學(xué)法，很容易導(dǎo)致學(xué)生只有“三分鐘熱度”。實(shí)踐證明，以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的方式開展機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)，讓學(xué)生在體驗(yàn)與探究中掌握多渠道收集信息和處理信息的方法，可有效提升學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、問題解決能力和計(jì)算思維能力，激發(fā)學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新的精神。

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（責(zé)任編輯? 郭向和）