信海鳳 張英妮

STEM教育理念的核心是融合，基于STEM教育理念的機器人課程是比較成功的嘗試。機器人課程的宗旨是在不斷地構(gòu)建、實驗、探索、思考及解決問題的過程中，讓學(xué)生理解抽象的理科知識。將機器人課程與小學(xué)科學(xué)課進行整合的想法，源于新的小學(xué)科學(xué)課程標準的頒布?！缎W(xué)科學(xué)課程標準（2017版）》（以下簡稱課標）新增了技術(shù)與工程領(lǐng)域，課標中界定了什么是科學(xué)、技術(shù)、工程，以及科學(xué)、技術(shù)和工程對人工世界的作用。這一領(lǐng)域的增加，在小學(xué)科學(xué)課與STEM之間建立了最直接的聯(lián)系。鑒于STEM教育體系龐大復(fù)雜，筆者選擇了比較成熟的機器人課程作為媒介，嘗試探索小學(xué)科學(xué)課與STEM課程的整合方式。目前，國內(nèi)外機器人課程包括運用樂高教具搭建生活中的物體;運用EV3、VEX、VEX IQ學(xué)習(xí)高等機器人的搭建和圖形化編程。將機器人課程引入小學(xué)科學(xué)課程中，加強學(xué)生的發(fā)明和建造能力，實現(xiàn)技術(shù)與工程的學(xué)習(xí)，必將成為小學(xué)科學(xué)的發(fā)展趨勢。我們發(fā)現(xiàn)，機器人課程和小學(xué)科學(xué)課程在思維培養(yǎng)、教學(xué)資源、教學(xué)內(nèi)容等方面有很大的融合空間。

● 邏輯思維的完美碰撞

邏輯推理是科學(xué)探究能力的重要組成部分，是小學(xué)科學(xué)課程中科學(xué)探究領(lǐng)域的培養(yǎng)目標之一，而這一能力也恰恰是機器人編程課程的主要培養(yǎng)目標。例如，科學(xué)課上涉及一些對比實驗，如“綠豆種子發(fā)芽實驗”“單擺擺動快慢與什么因素有關(guān)”等，需要學(xué)生思考條件的控制，這里蘊含的概念是變量與常量的設(shè)定。對比實驗中的每一組只有一個變量，其他都為不變的常量，這樣得到的現(xiàn)象只與變量有關(guān)，進而歸納出與變量相關(guān)的結(jié)論。機器人編程語言中涉及邏輯判斷和邏輯循環(huán)，不同的編程語言，雖然表現(xiàn)形式和語法要求會有區(qū)別，但基本的邏輯語句是相通的，如“if、if...else、if...elif...else、while、while...else”等邏輯語句在眾多編程語言中都有應(yīng)用。例如，讓機器人完成“紅燈停、綠燈行”的任務(wù)，其程序流程圖如圖1所示。

其表達的邏輯關(guān)系為：如果（if）機器人遇到綠燈，那么（then）繼續(xù)行駛，否則（else）停止前進（重新進入判斷，形成循環(huán)）。

將編程課程的邏輯學(xué)習(xí)與科學(xué)課的實驗計劃有機融合在一起，有利于幫助學(xué)生梳理實驗流程，鍛煉邏輯思維的嚴謹性。例如，將“單擺擺動快慢與什么因素有關(guān)”實驗的實驗流程用程序流程圖表示出來（如圖2）。

若用表格來表達實驗流程，可以如下頁表1所示。

可以看出，相對于表格的表達方式，流程圖顯得復(fù)雜了，但在鍛煉學(xué)生邏輯思維能力時，教師更傾向于流程圖。表格在簡化了表達方式的同時，也簡化了學(xué)生思考的過程。圖2中涉及三次判斷，三次判斷的順序是可以調(diào)換的，因為影響“單邊擺動快慢的因素”不一定是唯一的，所以對于前兩次判斷中“改變擺動幅度”和“改變擺錘重量”兩個條件，即使判斷為“是”，也要進行下一個因素的判斷。學(xué)生在分析流程圖時，會深入思考每一個圖標代表的含義，了解此次實驗要控制的三個變量，借此達到提升邏輯思維能力的目的。

● 教學(xué)資源的強大支持

機器人課程的教學(xué)資源一直處于科技前沿，將機器人課程的教學(xué)資源合理納入小學(xué)科學(xué)課程，對小學(xué)科學(xué)課程而言是一個強有力的支持。例如，對于“熱在金屬中的傳遞”實驗，筆者進行了大膽的嘗試。

“熱在金屬片中的傳遞”是教科版小學(xué)科學(xué)五年級下冊第二單元第六課的第三個實驗。教材上的原設(shè)計是：先在涂有蠟的金屬圓片的中心加熱，觀察蠟的融化情況，推測熱的傳遞方向和過程。然后在涂有蠟的金屬圓片邊緣的一個點上加熱，觀察蠟的融化情況，推測熱的傳遞方向和過程。蠟融化時，學(xué)生所看到的現(xiàn)象并不明顯，尤其是融化與未融化的蠟的邊緣，無法判斷。并且，學(xué)生只能從現(xiàn)象上判斷熱的傳遞過程，無法確切知道溫度的變化。針對這些問題，筆者做了如下改動：①用紅色變溫油墨顯示熱傳遞的過程，增強學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象的感性認識;②用機器人課程領(lǐng)域的溫度傳感器，實時測量實驗區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)，證明熱傳遞的過程是由溫度高的地方傳遞到溫度低的地方;③利用共享文檔功能智能整理數(shù)據(jù)，用平板電腦實時傳輸數(shù)據(jù)到共享文檔中，智能整理數(shù)據(jù)匯總成表格，及時傳輸?shù)诫娮影装暹M行展示，然后根據(jù)需要用WPS軟件繪制折線圖。通過改動，學(xué)生對這個實驗的認識從感性認識提高到理性認識，用數(shù)據(jù)去驗證觀察到的現(xiàn)象。將溫度傳感器運用到本實驗中，解決了測溫問題。

● 教學(xué)內(nèi)容的高度契合

通過對小學(xué)科學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容與機器人課程教學(xué)內(nèi)容的對比，筆者發(fā)現(xiàn)有大量的相似之處，尤其是小學(xué)科學(xué)的技術(shù)與工程領(lǐng)域的內(nèi)容，更是與機器人課程高度契合，如表2所示。

表2中，小學(xué)科學(xué)課程對應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容來源于《小學(xué)科學(xué)課程標準》中物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域以及技術(shù)與工程領(lǐng)域的相關(guān)內(nèi)容，機器人課程對應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容來源于吉林省某所機器人教育機構(gòu)的課程設(shè)置。在眾多相似內(nèi)容中，筆者選擇了《齒輪》作為重點研究，其他內(nèi)容將作為后續(xù)課題繼續(xù)探索。

《齒輪》一課內(nèi)容的設(shè)計靈感，源于教科版科學(xué)六年級上冊“簡單機械”單元，這一單元主要講解輪軸、杠桿、滑輪、斜面等四種簡單機械的原理。生活中，齒輪是應(yīng)用最廣的一種簡單機械，基于此，筆者所在團隊創(chuàng)編了《齒輪》一課，共計兩課時。在設(shè)計這一內(nèi)容時，力求讓學(xué)生經(jīng)歷一個完整的探究過程，即觀察—提出問題—提出假設(shè)—實驗驗證—得出結(jié)論。通過這一過程，了解齒輪的傳動特點。

根據(jù)內(nèi)容的需要，筆者選擇了VEX機器人零件里的齒輪、結(jié)構(gòu)板、軸、限位等材料作為教具。共設(shè)計了四個學(xué)習(xí)任務(wù)，分別是：①認識齒輪特點;②對齒輪的傳動特點作出假設(shè);③實驗驗證;④歸納齒輪的傳動特點。教學(xué)時，筆者用齒輪和軸制做陀螺，利用陀螺加速器使齒輪陀螺快速旋轉(zhuǎn)，進而提出問題：齒輪傳動有哪些特點？學(xué)生們被新奇的教具所吸引，也被陀螺加速器的神奇功能激發(fā)了興趣，就此對齒輪為什么加速展開大膽假設(shè)，后續(xù)教學(xué)任務(wù)順利開展。

實踐證明，依托STEM教育的融合理念，將機器人課程與小學(xué)科學(xué)整合是十分可行并且非常有效的一種教學(xué)方式。未來的科學(xué)教育，一定是不拘一格地以學(xué)生未來發(fā)展為目標的融合教育。