STEM理念下機器人課程與 小學科學整合探索

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建、實驗、探索、思考及解決問題的過程中，讓學生理解抽象的理科知識。將機器人課程與小學科學課進行整合的想法，源于新的小學科學課程標準的頒布。《小學科學課程標準（2017版）》（以下簡稱課標）新增了技術與工程領域，課標中界定了什么是科學、技術、工程，以及科學、技術和工程對人工世界的作用。這一領域的增加，在小學科學課與STEM之間建立了最直接的聯系。鑒于STEM教育體系龐大復雜，筆者選擇了比較成熟的機器人課程作為媒介，嘗試探索小學科學課與STEM課程的整合方式。目前，國內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學習高等機器人的搭建和圖形化編程。將機器人課程引入小學科學課程中，加強學生的發明和建造能力，實現技術與工程的學習，必將成為小學科學的發展趨勢。我們發現，機器人課程和小學科學課程在思維培養、教學資源、教學內容等方面有很大的融合空間。

● 邏輯思維的完美碰撞

邏輯推理是科學探究能力的重要組成部分，是小學科學課程中科學探究領域的培養目標之一，而這一能力也恰恰是機器人編程課程的主要培養目標。例如，科學課上涉及一些對比實驗，如“綠豆種子發芽實驗”“單擺擺動快慢與什么因素有關”等，需要學生思考條件的控制，這里蘊含的概念是變量與常量的設定。對比實驗中的每一組只有一個變量，其他都為不變的常量，這樣得到的現象只與變量有關，進而歸納出與變量相關的結論。機器人編程語言中涉及邏輯判斷和邏輯循環，不同的編程語言，雖然表現形式和語法要求會有區別，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用。例如，讓機器人完成“紅燈停、綠燈行”的任務，其程序流程圖如圖1所示。

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

將編程課程的邏輯學習與科學課的實驗計劃有機融合在一起，有利于幫助學生梳理實驗流程，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”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，流程圖顯得復雜了，但在鍛煉學生邏輯思維能力時，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。

● 教學資源的強大支持

機器人課程的教學資源一直處于科技前沿，將機器人課程的教學資源合理納入小學科學課程，對小學科學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”是教科版小學科學五年級下冊第二單元第六課的第三個實驗。教材上的原設計是：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，學生所看到的現象并不明顯，尤其是融化與未融化的蠟的邊緣，無法判斷。并且，學生只能從現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，增強學生觀察實驗現象的感性認識;②用機器人課程領域的溫度傳感器，實時測量實驗區域的溫度數據，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據，用平板電腦實時傳輸數據到共享文檔中，智能整理數據匯總成表格，及時傳輸到電子白板進行展示，然后根據需要用WPS軟件繪制折線圖。通過改動，學生對這個實驗的認識從感性認識提高到理性認識，用數據去驗證觀察到的現象。將溫度傳感器運用到本實驗中，解決了測溫問題。

● 教學內容的高度契合

通過對小學科學課程教學內容與機器人課程教學內容的對比，筆者發現有大量的相似之處，尤其是小學科學的技術與工程領域的內容，更是與機器人課程高度契合，如表2所示。

表2中，小學科學課程對應的教學內容來源于《小學科學課程標準》中物質科學領域以及技術與工程領域的相關內容，機器人課程對應的教學內容來源于吉林省某所機器人教育機構的課程設置。在眾多相似內容中，筆者選擇了《齒輪》作為重點研究，其他內容將作為后續課題繼續探索。

《齒輪》一課內容的設計靈感，源于教科版科學六年級上冊“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，齒輪是應用最廣的一種簡單機械，基于此，筆者所在團隊創編了《齒輪》一課，共計兩課時。在設計這一內容時，力求讓學生經歷一個完整的探究過程，即觀察—提出問題—提出假設—實驗驗證—得出結論。通過這一過程，了解齒輪的傳動特點。

根據內容的需要，筆者選擇了VEX機器人零件里的齒輪、結構板、軸、限位等材料作為教具。共設計了四個學習任務，分別是：①認識齒輪特點;②對齒輪的傳動特點作出假設;③實驗驗證;④歸納齒輪的傳動特點。教學時，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，進而提出問題：齒輪傳動有哪些特點？學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了興趣，就此對齒輪為什么加速展開大膽假設，后續教學任務順利開展。

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