基于STEM理念的小學機器人教學

袁　慶

（江蘇省南通市郭里園新村小學，江蘇南通　226001）

引　言

STEM是“科學·技術·工程·數學”英文首字母的組合，旨在將原本分散的科學、技術、工程與數學四課程集合成一個新的整體。作為融合機械、電子、自動化、材料和計算機技術等各學科知識的智能機器人教學，是發(fā)展學生STEM素養(yǎng)的重要載體。在小學信息技術教學中，教師要引導學生了解機器人的內部構造、功能及應用狀況，讓學生動手搭建機器人、編寫機器人程序、設計機器人行動策略，等等。通過機器人教學，培育學生STEM素養(yǎng)。

一、構筑開放式活動平臺，豐厚機器人教學資源

機器人平臺是開展機器人教學的基礎，不同品牌的機器人有著不同的編程軟件[1]。在小學信息技術教學中，“學生機器人平臺”軟件是眾多機器人編程軟件中的一種。機器人平臺通過虛擬現實技術，將機器人設計、應用進行高度的三維仿真，用以模仿三維世界中的場景、行為、運動設計。小學信息技術中的機器人教學主要包括“機器人行走”“機器人循光”“機器人沿線行走”等內容。通過傳感器、控制器、驅動器等，模擬不同的物理參數，形成機器人的運動狀態(tài)，從而為學生創(chuàng)設逼真的學習情境，激發(fā)學生學習機器人的興趣。

以蘇科版小學六年級信息技術教材為例，虛擬機器人的教學遵循從易到難、由簡到繁的編排特質。比如“機器人沿線行走”就是在“機器人行走”教學基礎上進行的，“機器人機械手”“掃地機器人”“機器人滅火”等就是在“機器人沿線行走”基礎上進行教學的。以教學“機器人機械手”為例，在教學中，筆者設置了多維度的學習任務，包括機械手的知識結構、機械手的機械結構、機械手的用途、機械手的搭建過程等。其教學重點是機械手的搭建過程。在信息技術教學中，筆者將這些方面用思維導圖的形式呈現，讓學生進行菜單式選擇，鼓勵學生按照每一個菜單流程進行自主建構，讓學生不斷挑戰(zhàn)自我，不斷實現自己的學習目標。這個創(chuàng)新性的實踐平臺，賦予了學生充分的自主權，讓學生主動地進行程序編寫。

在建設開放型的機器人活動平臺過程中，我們逐步形成了硬件、軟件、環(huán)境、資源與平臺五位一體同步發(fā)展的格局，即一個自由開放、功能豐富的機器人實驗窗口、一個能滿足學生動手和創(chuàng)新需求的智能機器人課程、一支研究智能機器人教學的教師專業(yè)隊伍以及一群對智能機器人感興趣的學生。這些教師和學生是有志于研究機器人的探索者、實踐者，也是信息技術學習的愛好者。

二、展開整合式項目學習，引領機器人教學實踐

亞格爾認為，STEM的教學策略是以建構主義為基礎。在機器人教學中，教師要樹立“生本教學”理念，以學生“學”為主，教師“教”為輔，充分發(fā)掘學生的設計、創(chuàng)造潛質，讓學生成長為信息技術創(chuàng)客[2]。要打破學科界限，將機器人教學問題與學生生活中的問題進行對接，助推學生學習理解；讓學生在親身經歷機器人學習的過程中，通過觀察、思考、合作、探究等實踐活動，進行體驗性項目學習。依托教材，教師可以創(chuàng)設項目，比如愛唱歌的學生（機器人發(fā)聲音）、可愛的小兔（機器人行走），等等。通過這些別具特色的項目，引導學生學習機器人基礎知識。

在整合式項目教學中，我們逐漸形成了一個個學習架構，比如“開放型的學習架構”“反思型的學習架構”“合作型的學習架構”等。例如，促發(fā)型的學習架構，以“機器人行走”學習為例，我們設置了不同難度的行走路線：圓形軌道、六邊形軌道、Z字形軌道、特殊型軌道等，通過難度系數的增加，不斷開掘學生的探究力。再比如反思型的學習架構，我們以“機器人傳動”為例，其學習內容主要是認識三種傳動方式，即皮帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動。在教學中，為了促進學生的理解，我們將機器人傳動與學生生活中的傳動進行類比，比如縫紉機的皮帶傳動、自行車的鏈傳動等。在此基礎上，引導學生運用反思思維，創(chuàng)造具有自我個性特征的傳動作品，以此達到學生智能機器人學習的創(chuàng)新設計目的。

對于小學生而言，學習機器人存在一定的難度。在教學中，教師要引導學生進行合作學習，在合作中既能享受到競技中的成就感，也能享受到團結協(xié)作的快樂。如在“掃地機器人”的程序編寫過程中，我們讓各小組的學生分任務編寫，有的編寫機器人沿線行走的程序，有的編寫掃地動作的程序，有的編寫停止掃地的程序。這樣，彼此之間既有競爭又有合作。學生在學習中感受到快樂。

三、創(chuàng)建俱樂部活動團隊，延伸機器人學習探究

在機器人教學中，學生中涌現了一批機器人迷，他們不滿足于課堂中的有限學習，常常聚集在一起，形成一個個非正式群體。這是有著共同志趣的共同體。基于此，筆者在教學實踐中，創(chuàng)建了機器人俱樂部，助推學生機器人研究向深度發(fā)展。從本質上看，STEM教育是面向世界、面向未來的。從這個意義上說，在小學信息技術機器人教學中，成立俱樂部活動團隊，將機器人的研究向課外拓展，是STEM教育的應然要求。

例如，機器人俱樂部團隊曾經以團隊為單位，進行“機器人接力賽”。學生設計不同角色的機器人，讓機器人完成接力。在這個過程中，學生要研究光電傳感器的原理及其基本使用方法，掌握黑線、白線光感值的測量方法；要制訂計劃，討論不同角色的機器人的結構特點以及感應前一個或后一個機器人的方式，根據機器人在團隊中的作用設計流程；要理解分支結構原理以及接力行為的觸發(fā)條件；要掌握不同機器人的結構搭建技巧；要理解光電傳感器在不同發(fā)光模式下對測量黑白線光感值的影響，等等。這里面有物理機械知識（科學），有系統(tǒng)工程思想（工程），有程序設計編程（技術），有邏輯思維判斷（數學），等等。顯然，這是一個綜合性的、富有挑戰(zhàn)性的研究項目，集中體現了STEM的教育思想。機器人俱樂部團隊攻堅克難，彼此發(fā)揮協(xié)作精神，共同完成了機器人的接力賽。這種綜合性的機器人項目研究，在培育學生的STEM素養(yǎng)方面具有獨特的優(yōu)勢。因此，如何更好地運用機器人俱樂部團隊，發(fā)展學生的STEM素養(yǎng)，是信息技術教師必須思考和研究的問題。

STEM視野下的機器人教學是未來機器人教學的發(fā)展方向。STEM理念下的機器人教學充分體現了信息技術學科的綜合性、實踐性。其核心是培育學生的創(chuàng)新意識和實踐能力[3]。只要在教學中喚醒學生機器人學習的興趣，激發(fā)學生的靈感，學生就能體驗到機器人課程的獨特魅力而樂此不疲。

結　語

STEM理念下的機器人教學是面向未來、面向創(chuàng)新的教學。其基本的思想、理念是創(chuàng)客教育理念。其基本的方法是融合與跨界。但機器人課程尤其是綜合性、創(chuàng)新性課程的實施過程中，有時會受到器材、知識和技能水平等方面的制約，以至于讓學生的創(chuàng)意無法落地。因此，教師要根據實際條件，搭建框架，為學生開展機器人綜合性學研活動提供智力支撐和實踐保障。