(江蘇省揚(yáng)州中學(xué)教育集團(tuán)樹人學(xué)校，江蘇 揚(yáng)州 225001)

1 研究背景

“中國(guó)智造”要求培養(yǎng)出更多自主創(chuàng)新型人才，以增加中國(guó)未來工業(yè)發(fā)展的核心競(jìng)爭(zhēng)力。智能機(jī)器人因?yàn)槠浒瑱C(jī)械原理、程序設(shè)計(jì)、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等知識(shí)的綜合性，被教育主管部門認(rèn)定為是培養(yǎng)學(xué)生綜合創(chuàng)新能力的重要內(nèi)容，安排進(jìn)了各教育階段的信息技術(shù)課程之中。

目前初中機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)在各級(jí)教育主管部門的支持下，正在形成企業(yè)主導(dǎo)、學(xué)校參與的教育教學(xué)模式。學(xué)校購(gòu)買企業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行機(jī)器人教育，教師通過組織學(xué)生參與系列機(jī)器人競(jìng)賽，使用任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方式調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，組織學(xué)生研究如何解決競(jìng)賽任務(wù)，教育教學(xué)活動(dòng)都是圍繞競(jìng)賽任務(wù)展開，難以做到將機(jī)器人教育與其他學(xué)科知識(shí)相融合，達(dá)不到教育主管部門通過推廣機(jī)器人教育培養(yǎng)綜合創(chuàng)新人才的期望。

《教育信息化“十三五”規(guī)劃”》中明確指出：信息技術(shù)課應(yīng)探索STEM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式，使學(xué)生具有較強(qiáng)的信息意識(shí)與創(chuàng)新意識(shí)。筆者所在學(xué)校是江蘇省第一批STEM項(xiàng)目試點(diǎn)校，學(xué)校開展了多種基于STEM理念的校本課程，STEM教育理念中的學(xué)科綜合、工程問題導(dǎo)入、科學(xué)探究素養(yǎng)培養(yǎng)等都非常契合機(jī)器人教育?；赟TEM理念，針對(duì)現(xiàn)有的機(jī)器人教育缺乏學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)、缺乏學(xué)科融合的問題，筆者利用校本課程進(jìn)行了探索，找尋適合初中生的機(jī)器人課程設(shè)計(jì)思路，增加機(jī)器人教育中學(xué)科知識(shí)綜合利用的環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 提升學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)

探索“輪胎差速對(duì)智能小車轉(zhuǎn)彎半徑的影響”的競(jìng)賽任務(wù)為：測(cè)量輪胎半徑、輪胎速度，計(jì)算內(nèi)輪轉(zhuǎn)彎半徑與外輪轉(zhuǎn)彎半徑。為了更快得出結(jié)論去完成競(jìng)賽任務(wù)，很多老師選擇直接告知學(xué)生：“差速越大，半徑越小”。筆者在研究初期嘗試將實(shí)驗(yàn)的小車標(biāo)準(zhǔn)化，數(shù)據(jù)由教師提供，學(xué)生只需填寫表格中的空白部分，觀察并得出結(jié)論。這樣的環(huán)節(jié)雖然能鞏固數(shù)學(xué)中曲線長(zhǎng)度和物理中速度知識(shí)，但如果換成同樣是探究曲線長(zhǎng)度的“機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)幅度與動(dòng)力齒輪比”問題，學(xué)生又無從下手，不清楚探索這樣的問題需要什么數(shù)據(jù)，如何去獲取這些數(shù)據(jù)，怎么去設(shè)計(jì)表格記錄數(shù)據(jù)，更別提用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等學(xué)科知識(shí)去處理這些數(shù)據(jù)，得出相應(yīng)的結(jié)論了。這樣一來，雖然看似學(xué)科知識(shí)得到了融合，實(shí)質(zhì)上卻沒有培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力與科學(xué)探究素養(yǎng)，學(xué)生沒有真正達(dá)到自發(fā)地去融合學(xué)科知識(shí)的目標(biāo)。

分析對(duì)實(shí)驗(yàn)可能造成影響的數(shù)據(jù)、分析自變量和因變量、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表格、測(cè)量并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些是STEM理念所要求學(xué)生具備的科學(xué)探究能力，對(duì)于初中生而言比較陌生。他們剛從比較直觀的科學(xué)探究中步入定性、定量更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究里，在現(xiàn)有教學(xué)體系里，科學(xué)探究素養(yǎng)的系統(tǒng)培養(yǎng)起始于初二的物理與初三的化學(xué)，而這種科學(xué)探究素養(yǎng)恰恰是機(jī)器人教育中學(xué)科融合的基石。

在機(jī)器人課程設(shè)計(jì)中，筆者嘗試設(shè)計(jì)了四到五個(gè)課時(shí)的內(nèi)容，通過一些生活中的案例分析去培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)，先不讓學(xué)生接觸機(jī)器人器材，避免學(xué)生將關(guān)注的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到機(jī)器人的設(shè)計(jì)上。而是教會(huì)學(xué)生碰到這些問題時(shí)，應(yīng)該怎樣去思考與分析，怎樣去討論解決問題的方案，制作出自己的科學(xué)探究手冊(cè)，再結(jié)合現(xiàn)有的知識(shí)儲(chǔ)備和機(jī)器人器材，去研究如何達(dá)到自己手冊(cè)中的要求：應(yīng)該怎么樣去設(shè)計(jì)機(jī)器人？會(huì)用到哪些結(jié)構(gòu)？選擇什么尺寸的材料？通過解決他們?cè)谔剿髦械囊蓡?，達(dá)到擴(kuò)展其他學(xué)科知識(shí)的目的。

2.2 借用競(jìng)賽任務(wù)擴(kuò)展學(xué)科知識(shí)

筆者在研究初期通過開設(shè)單獨(dú)的機(jī)器人課程，期望根據(jù)STEM理念，自行設(shè)計(jì)實(shí)際問題來導(dǎo)入其他學(xué)科的知識(shí)，比如通過設(shè)計(jì)“古代拋石機(jī)設(shè)計(jì)及性能分析”引入物理知識(shí)，學(xué)生合作探討、設(shè)計(jì)，使用機(jī)器人套件完成更為精準(zhǔn)的拋物機(jī)器人。這樣的課程設(shè)計(jì)雖然課時(shí)較多，占用了機(jī)器人競(jìng)賽的時(shí)間，但是教學(xué)效果比較理想，學(xué)生的能力得到了提高。

筆者經(jīng)過多年機(jī)器人競(jìng)賽教學(xué)觀察，發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)備競(jìng)賽任務(wù)時(shí)學(xué)生積極性高、專注度強(qiáng)，思維活躍度比在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中高，將其他學(xué)科的知識(shí)融入到競(jìng)賽任務(wù)解決過程中去，學(xué)生會(huì)更加積極主動(dòng)地去學(xué)習(xí)背景知識(shí)，顯著提高了知識(shí)的學(xué)習(xí)效率，學(xué)生也能理解這些理論知識(shí)在實(shí)際問題中的應(yīng)用方式。且通過反復(fù)的競(jìng)賽設(shè)計(jì)與調(diào)試，學(xué)生對(duì)于這些知識(shí)的遺忘周期和靈活應(yīng)用的程度比單獨(dú)開設(shè)一門課程要好。

在研究中期開始對(duì)各類機(jī)器人競(jìng)賽任務(wù)的解決方案進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，結(jié)合初中物理、數(shù)學(xué)教材，整理并設(shè)計(jì)了包括三角函數(shù)、橢圓計(jì)算公式、角速度和線速度計(jì)算、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、勢(shì)能等知識(shí)點(diǎn)的機(jī)器人編程算法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程，每年根據(jù)當(dāng)年的機(jī)器人競(jìng)賽任務(wù)，將這些課程應(yīng)用到相應(yīng)的任務(wù)解決方案中，讓學(xué)生在探究競(jìng)賽解決方案的同時(shí)，學(xué)習(xí)并鞏固其他學(xué)科知識(shí)，利用機(jī)器人教育達(dá)到學(xué)科知識(shí)融合、強(qiáng)化應(yīng)用的目的。

2.3 建立過程性評(píng)價(jià)體系

目前機(jī)器人教育中的評(píng)價(jià)還不完善，學(xué)校評(píng)價(jià)機(jī)器人教育工作成功與否的標(biāo)準(zhǔn)大多傾向于競(jìng)賽獎(jiǎng)項(xiàng)。在STEM注重過程性評(píng)價(jià)、強(qiáng)調(diào)建立過程性評(píng)價(jià)體系的理念引領(lǐng)下，筆者將機(jī)器人課程目標(biāo)定于培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計(jì)、完成機(jī)器人競(jìng)賽任務(wù)的創(chuàng)新能力上，要求學(xué)生依照《STEM學(xué)生手冊(cè)》，設(shè)計(jì)并完成針對(duì)該比賽的機(jī)器人研究設(shè)計(jì)報(bào)告，在報(bào)告中體現(xiàn)小組在討論設(shè)計(jì)解決方案時(shí)用到的背景知識(shí)，記錄每一次機(jī)器人結(jié)構(gòu)與程序設(shè)計(jì)修改的思路與實(shí)踐結(jié)果，闡述為什么對(duì)原有的結(jié)構(gòu)或程序進(jìn)行修改，其理論依據(jù)是什么，通過指導(dǎo)學(xué)生撰寫機(jī)器人研究設(shè)計(jì)報(bào)告，使教師不僅僅關(guān)注學(xué)生機(jī)器人最后完成任務(wù)的狀態(tài)，學(xué)生也通過親自撰寫研究設(shè)計(jì)報(bào)告，提升了科技創(chuàng)新能力。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于現(xiàn)階段的初中機(jī)器人教育而言，可以嘗試探索獨(dú)立于競(jìng)賽，結(jié)合初中各學(xué)科知識(shí)，編寫成符合機(jī)器人學(xué)科體系的新教材展開教學(xué)。也可以嘗試將科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)和學(xué)科知識(shí)融合的教學(xué)理念運(yùn)用到基于機(jī)器人競(jìng)賽任務(wù)的教學(xué)中，通過競(jìng)賽任務(wù)引入學(xué)科知識(shí)，提高學(xué)生的積極性和參與度，讓學(xué)生主動(dòng)去學(xué)習(xí)學(xué)科知識(shí)，利用這些背景知識(shí)完成機(jī)器人設(shè)計(jì)，在完成競(jìng)賽任務(wù)的同時(shí)撰寫出研究報(bào)告，提升自身的創(chuàng)新能力。