STEAM理念下机器人拓展性课程主题学习活动的设计与实施
来源:用户上传
作者:刘朋飞
摘 要：近几年，国内外STEAM教育备受关注。作者在STEAM理念引领下，依托拓展性课程开展机器人主题学习活动，活动的设计突出跨学科、趣味性、体验性、情境性和协作性特点，课堂教学中通过“创设情境”“引入主题”“分析任务”“协作探究”“反思总结”等环节，引导学生发现问题、分析问题和解决问题，旨在培养学生的问题解决能力和综合素养，也为今后编写机器人拓展性课程教材提供了参考。
关键词：STEAM;机器人;拓展性课程;主题学习活动
中图分类号：G623.58 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2019）02-0039-04
一、问题的提出
近几年STEM教育逐步普及，从STEM到STEAM（加入艺术ARTS），再到STREAM（加入读/写能力Reading/Writing），笔者经过大量的文献分析和课堂观察，不难发现STEAM教育并不是几门学科的简单叠加，它是一种教育理念，是一种教育新生态，这种理念抑或生态是包容的、开放的、融合的。
这种理念非常适合渗透在中小学机器人拓展性课程中，因为机器人本身融合了电子信息、计算机、工程、物理等多学科知识，具有综合性、实践性和创新性，同时拓展性课程又是基础性课程的延伸、补充和拓展，相对来说教师在课程内容、课堂形式、教学评价等方面拥有更多的自主选择权。因此，在机器人拓展性课程的教学实践中，教师可以融合STEAM理念根据学生特点大胆尝试探索，通过主题活动带动不同学科的融合，进而培养学生的综合素养和解决问题的能力。
二、机器人足球赛主题学习活动的设计理念
机器人拓展性课程的授课对象是选修该课程的18名学生，其中男生17名，女生1名。他们都是根据自己的爱好进行自主选课，截至目前已经连续选学3个学期（每学期15课时，每课时90分钟），累计选学45课时，具备了一定的知识技能，而且在日常生活中他们也比较喜欢球类运动，对球类竞赛很感兴趣，因此本课时以此为切入口，在STEAM理念引领下开展“机器人足球赛”主题学习活动，旨在培养学生的问题解决能力和综合素养，活动设计框架如图1所示。
1.跨学科
机器人足球赛不提供现成的机器人，需要学生动手搭建，搭建好后还要想办法让机器人动起来，并且还要处在自己的遥控中，最终实现灵活操控机器人，争取控球并进球，从而赢得比赛。显然这一过程单单利用某一学科知识是不足以解决问题的，因此学生就要思考利用技术、科学、数学等知识解决这些问题，在综合运用多学科知识中不断提高解决问题的能力，逐渐实现跨学科知识的综合应用。
2.趣味性
机器人足球赛本身具有对抗性、挑战性，在比赛中无论哪一方都想多进球战胜对方，比较符合学生的身心特点，与学生的生活实际有紧密联系。因此能够很好地激发学习动机，从而调动学生的积极性，实现以赛促学，寓教于乐。而在比赛争夺中学生必须综合运用多学科知识，通過设计、编程、调试等一系列手段解决遇到的实际问题，最终在搭建机器人和解决问题中获得成就感，在参与实践和竞赛体验中获得快乐感。
3.体验性
在教师的引导下学生自主探究机器人的设计搭建，必要时教师进行新知讲授或技能示范。学生在参与中动手动脑，设计、建构、实践、合作，运用技术、科学和数学等学科知识解决诸如搭建编程、调试实践、策略分析等问题，从而在解决问题的过程中体验并习得过程性知识，在合作探究和比赛过程中感受团队通力协作的重要性，在操控机器人中体验参与的成就感和快乐感。
4.情境性
结合机器人足球赛，把蓝牙技术、编程思想、搭建方法、遥控技巧等知识技能转化为有趣的、具有挑战性的问题，比如怎样遥控机器人，怎样帮助机器人灵活地控球等等。面对这些问题，学生需要把所学的知识进行情境化的应用。此外，足球赛是动态的，所处的情境也是变化的，这就需要学生不断联系已有知识经验，分析、判断、应对突如其来的问题，从而在不同的情境中学习知识、迁移知识、应用知识，最终灵活地解决问题。
5.协作性
机器人足球赛很容易使学生联系到生活实际，知道足球赛中团队协作的重要性，队员之间只有默契协作，才有赢得比赛的可能。学生进行机器人足球赛，需要做很多前期准备工作，比如海报设计、规则制定、机器人搭建调试等等，而这些任务要想一个人完成很难，学生需要学会合作，相互之间要进行交流与讨论，在头脑风暴中相互帮助、学习、启发、改进，从而实现群体性知识建构与重构，最终协作完成任务。
三、机器人足球赛主题学习活动的实施
机器人足球赛主题活动流程见图1，具体如下：
1.创设情境，引发思考
播放“世界杯足球赛”视频片段，让学生感受比赛氛围，激发兴趣，引导学生思考回答两个问题：假设你是本次比赛的主办方，那么要想组织这场比赛你需要做哪些准备工作？假设你是参赛的队员，那么要想赢得比赛，你需要怎么做呢？
2.确定主题，明确任务
引入本次课的活动主题“机器人足球赛”，学生分析思考：组织并参与机器人足球赛需要做哪些准备工作？随后明确“设计海报”“制定比赛规则”“布置场地”“撰写解说稿”“搭建机器人”“程序设计”“遥控机器人”等任务，具体见表1。
3.引导示范，提供帮助
面向全体学生（工作人员和参赛选手），分析哪些任务学生联系已有知识可以自主探究完成，哪些任务需要新知铺垫，为学生搭“脚手架”，引导学生尝试操作，并及时反馈评价，确保全体学生习得新知新技能，这样才能顺利地进行接下来的机器人足球赛。比如机器人的搭建，教师只需引导学生改装“移动基座”，加装踢球的“脚”等等;比如蓝牙遥控，学生从来没有接触过，因此需要教师讲解示范使用蓝牙遥控的方法，为学生协作完成后续的程序编写、遥控机器人提供帮助。 4.协作探究，解决问题
（1）设计海报。由策划人负责设计机器人足球赛的海报，要求海报主题鲜明、美观大方。海报的设计在黑板上完成，让黑板不再专属教师，给学生“占领”讲台的机会，使学生拥有充分的自主设计权，设计时可以网上查阅资料用以借鉴参考，但建议学生在设计时要集思广益，充分征求大家的意见。
（2）制定比赛规则。机器人足球赛比赛规则由主裁判全权负责，要求比赛规则合理、表述简明扼要。两名主裁判根据实际情况协商制定，可以参考球类比赛规则，也可以现场上网查阅资料，但要求主裁判用白板笔把规则写在白板上，向所有队员公示，在征询和采纳合理的意见和建议后，修改完善并最终确定。
（3）撰写解说词。解说员负责机器人足球赛的现场解说，要求思路清晰，解说词简练精辟，语言表达清楚，话筒等道具自制。解说员可以查阅相关资料，观看相关比赛视频，模仿央视知名解说员解说，来熟悉解说的基本技巧，并事先做预设，拟好解说词草稿，再根据现场的赛况临场发挥（见图3）。
（4）搭建机器人。队员自由搭配两两一组，协作搭建用于比赛的机器人，可以参考熟悉的“移动基座”结构，对其改装使之能够“踢球”，也可以重新设计，自主探究创新机器人结构。但要求机器人结构牢固，大小符合规定，高度不限，长不超过25cm，宽不超过20cm，使用材料不限。
（5）设计程序。机器人足球赛是实时的、动态的，球的位置是不断变化的，事先无法预设机器人的行走路线，现有条件下可行的办法是遥控机器人，因此机器人程序设计的重点和难点是蓝牙遥控，教师通过讲解示范，引导学生启动蓝牙，配置参数，连接配对，编写发送端和接收端程序，从而实现手动遥控机器人的前进后退和移动转向，学生根据比赛实际需要加以巩固和应用，见图4。
（6）调试机器人。将编写完成的程序下载至EV3控制器中进行试运行，检验程序是否正确，能否达到灵活遥控机器人的效果，这个过程经常会出现很多问题，鼓励学生做一个“爱迪生式”的发明家，发现问题，分析问题，讨论协商解决问题，循环往复地实践探究，实在解决不了的问题再向教师寻求帮助。
5.实战演练，修改完善
各队机器人调试成功后，解说员、裁判员、参赛选手准备就绪，一场由学生自导自演的机器人足球赛拉开序幕。在比赛过程中学生会发现，很多突发问题会出现，而这些问题他们事先难以预料，比如，机器人剐蹭零件脱落、机器人突然不听指挥、比赛规则漏洞、判罚争议等等。
一旦出现这些状况，对于参赛队员来说，需要快速查找问题，应用所学知识技能加以分析处理，不断修改程序、完善机器人结构，同时，还要提高配合默契度、调整战术，直至经得起实战检验;对于裁判员来说，现场的状况远远比预想的要复杂，突如其来的问题促使他们反思，规则需要补充和修订，更要合理，直至被大家认可，判罚也要公正公平，争取无争议，努力把申诉次数降到最低;对于解说员来说，实时动态的比赛存在很多不确定性，需要根据现场状况随机应变，语言的组织、解说的思路都需要不断调整更新。
四、总结与反思
1.教师引领，学生实践
STEAM教育强调“以学生为中心”开展学习活动，注重培养学生综合实践能力，因此，在“机器人足球赛”主题学习活动中，倡导教师是引领者，学生才是实践者。教师要给学生提供更多的动口、动手、动脑的机会，让学生充分“动”起来，只有“动”起来，学生才能发现问题、分析问题，从而真正地解决问题。当学生在探索实践的路上走偏、走错，或者停止不前、举步维艰的时候，教师要及时介入，把学生“拉”回来，引领学生朝着正确的方向探索前进。比如，通过程序编写实现遥控机器人这一内容，对于学生来说是新知，是难点也是重点，学生想要自己探索出来难度非常大，这时教师就应该适当介入，通过讲解示范，使学生掌握蓝牙配置的方法、程序编写的基本思路，而对于各个模块的属性、参数值设置等问题，则应鼓励学生在实践中“试误”。
2.同伴互助，小组协作
“小成功靠个人，大成功靠团队”，STEAM教育也非常注重团队的协作，强调团队之间的相互启发、相互作用。因此，根据“机器人足球赛”主题学习活动的内容，将学生分成若干个小组，每个小组人数不宜过多，一般2至3人，学生之间开展小组协作，组内组间相互交流，相互学习，遇到问题同伴之间相互讨论，协商解决，碰到“冲突”难以解决的，教师再给予适当帮助。比如，在机器人搭建的时候，教师不提供完整的搭建方案，学生依据规格、功能等标准自主设计搭建，同伴之间需要思考、协商，通过讨论把想法表达出来，把理由说清楚，努力找出“最佳”方案进行搭建。在讨论过程中，有时会因为某一问题而僵持不下，意见迟迟不能达成一致，彼此都希望说服对方按照自己的想法做，他们不得不更深入地思考、分析、表达，争取让对方“妥协”，如果还没有“妥协”，教师应介入，提出意见供学生参考，帮助学生抉择，从而提高学生之间的协作效率。
3.学科融合，问题导向
STEAM教育注重多学科的融合，强调从问题解决的角度培养学生综合素养和创新能力，因此，设计活动时应体现多学科之间的有机融合，注重培养学生解决问题的综合能力。“机器人足球赛”主题学习活动融合多学科知识，既巩固了学生已有知识技能，比如机器人移动基座的搭建等，又拓展了已有知识技能，比如原有的移动基座用于足球赛还不够理想，需要根据实际需求加以改装，同时还学习了新知，比如运用旧知尚不能达到灵活操控机器人，因此引入蓝牙并把这个技术应用到具体的足球赛中加以巩固。学生在动手实践中很容易就会发现问题，特别是在调试机器人的时候，甚至是比赛的时候，都会出现很多无法预料到的问题，这些问题的出现是很好的学习机会，有什么问题就解决什么问题，教师需要以这些问题为切入口，引导学生讨论分析，形成解决问题的方案，鼓励学生边思考边实践，边反思边修改，自主探究最终解决问题，从而培养学生综合运用多学科知识解决问题的能力。
五、结束语
STEAM理念下的“机器人足球赛”主题学习活动，符合新课改中改变学科本位的分科主义课程结构，重视学科整合的基本要求，体现了信息技术课程国家标准中打破教室和书本局限，鼓励跨学科的活动为主题，实现技术学习与技术应用之间整合的“雙价值”的基本理念，以及教材主题化、弹性化的内容设计理念，是机器人拓展性课程教学的具体实践，虽然取得了一定实效，但也存在着不足，需要在后续的教学实践中不断修正和完善。
参考文献：
[1]刘朋飞.中小学智能机器人教学的创新实践[J].中国教育信息化，2017（12）：10-13.
[2]钟柏昌.中小学机器人教育的理论与实践[M].北京：科学出版社，2017.
[3]余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015，21（4）：13-22.
（编辑：鲁利瑞）
*基金项目：全国教育信息技术研究“十三五”规划重点课题“基于STEAM的小学机器人拓展课程的设计与实施”（编号：173320006）。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/9/view-15269047.htm
