基于STEAM教育理念的中學無人機課堂教學設計與實踐研究

陳雅燕

【摘? 要】 無人機作為智能領域的新技術，其設計、制造與應用融合了多學科的知識。無人機教育能夠促進新課改理念的有效實施和創新人才的培養，但現有研究對中小學階段的無人機教育關注度不夠。文章在分析了無人機教育內涵的基礎上，結合STEAM教育理念，從跨學科融合的視角，開展無人機課堂教學的實踐探索，制訂了無人機課程內容體系和教學策略，通過“智慧農場”案例分析了無人機教學的實踐過程與效果。

【關鍵詞】 無人機教學；STEAM；創新思維

一、研究背景

無人機是集空氣動力學、電子科學與技術、機械工程、通信、材料、工藝、力學、航空氣象和航空測量等多學科為一體的綜合性很強的科技產品，具備開展跨學科融合教學的優勢，能夠有效支撐新課程改革教學理念的落實。無人機是一個操作性極強的產品，其在飛行過程中的方向操控、風力判斷和地勢分析等內容，有助于提高學生“手眼腦”的協同動手能力、問題解決能力及多維空間想象力。

本研究通過文獻檢索，發現當前無人機教育的研究多集中在高等教育、職業教育上，對中小學階段的研究較少。由此可見，教育研究者對中小學無人機教育的發展關注度不夠、實踐探索不足。無人機作為高校開展的一門專業課程，其教學內容對于中小學生而言，過于復雜、難以吸收。因此，如何選擇、組織適合中小學生的無人機課程內容，并設計課堂教學，是當下中小學無人機教育應該考慮的重要問題。

二、STEAM教育概述

STEM教育源于美國，是科學、技術、工程和數學四門學科的簡稱，而后隨著學者的進一步研究，加入了藝術，成為STEAM教育。在本質上，STEM和STEAM一脈相承，均強調多學科的交叉融合。STEM教育并不是科學、技術、工程和數學的簡單疊加，而是將四門學科組合成一個有機整體，以更好地培養學生的創新精神與實踐能力。由此可見，無人機課程的綜合性與STEAM教育的跨學科性十分契合。STEAM教育與無人機教學的融合體現在兩個方面：一是在課程內容上，關注學科融合和多元素的交織；二是在教學實施上，開展問題式的教學實踐，教師在“確定結果和模糊任務”中，引導學生嘗試使用多種解決方案，發展學生的思維和提升學生的問題分析能力。

總之，基于STEAM教育理念看待無人機課程的實施，就是要從學科融合的視角出發，設計綜合主題，開展問題式教學，在問題中逐步培養學生對科學知識的認知、對技術工具的操作、對工程結構的認識以及對藝術設計的審美；在實踐過程中增強學生的問題解決能力、動手實踐能力和創新思維能力，以提高學生對未來的適應力、生存力和創造力。

三、無人機課程的構建

（一）課程形式及內容

無人機課程的實施，主要采用了問題式教學方法，通過分主題的探索，引導學生在“確定結果和模糊任務”中探究路線，掌握理論知識、實踐操作，進而形成問題解決能力、動手實踐能力和創新思維能力。課程的基礎內容包括理論知識和實踐操作兩個部分，在內容組織上融合了STEAM理念，以主題的形式連接知識點。無人機課程內容體系如表1所示。

（二）課程實施

1. 教學環境

無人機課程的實施依托深圳市南山實驗教育集團南海中學的人工智能實驗室，實驗室配備的大疆無人機支持自主編程，自身集成了TOF傳感器、氣壓高度識別傳感器，兼容了其他類型的傳感器，能夠滿足多樣化的功能設計需求，為課程開展提供了硬件保障。

無人機教學的開展，采用了問題式教學形式。問題式學習是以任何問題為驅動的學習環境，研究表明，問題式教學對提高問題的解決能力具有積極意義。本研究以Barrow提出的問題式教學活動模式，開展無人機教學活動，包括引入真實情境—提出問題—案例體驗—問題探究—展示交流五個環節，如圖1所示。

（1）真實情境關聯社會生活生產問題

生活情境圍繞社會生活生產的現象，包括無人機在農業建設、工程建設、社會生產等方面的探索與實踐，引導學生從真實現象中產生創新設計的想法，并進行探究。

（2）問題提出，細化功能的實現

問題的提出圍繞功能的實現進行，教師帶領學生分析要解決的具體問題，并逐層細化。

（3）案例體驗，具化模糊知識

在案例體驗環節，教師讓學生從抽象的想象回到現實的觀察中，對此教師需要明晰功能，細化方案，并通過提供KWL反思性支架，從know—want—learned的路徑出發，引導學生明確完成相關實踐需要掌握的知識。

（4）問題探究產生實踐成果

問題探究環節以小組的形式開展，教師提供知識與實踐幫助手冊，學生根據設計的方案逐步實現測試，教師給予針對性的指導。

（5）展示交流，共享知識經驗

展示交流環節以小組形式開展，引導學生從整體功能設計到具體編程的實現等方面介紹作品，形成想法分享與交流的良好氛圍，促進團隊的合作。

2. 評價標準

無人機課程實踐的評價從整體設計、功能實現和想法創新三個層面進行，即評價學生的作品在解決社會生活生產問題方面的創新設計，評估功能的實現程度以及技術的應用，評價學生在團隊合作中的表現。

四、無人機課堂的教學實踐

本文選取了無人機課程規劃中的“智慧農業”主題開展教學實踐，根據設計的教學策略，組織“智慧農業”主題活動，從學生的角度出發，評價無人機課堂的實踐效果，并優化教學策略。

（一）教學主題

農業領域的發展有諸多技術參與的可能，該主題能夠引導學生更好地將無人機技術與社會生活生產相聯系，在案例體驗和實踐中掌握無人機的相關知識，感受無人機的意義和價值。

（二）教學過程

真實情境：“農場主小劉有一片農田，農田里種植了許多農作物，有土豆、西瓜和其他各種蔬菜。小劉每天都要對農田進行澆水，還要定期施肥、除蟲，每次都要忙大半天。現在小劉想再多買幾畝地，再種植一些番茄，但是每天澆水、施肥，已經讓他沒有時間和精力再擴大種植規模，現在的他非常苦惱，你有沒有辦法利用無人機技術幫幫農場主呢？”

在課堂上，教師通過上述情境，引導學生思考無人機技術在農場管理中應用的可能性，讓學生以小組的形式開展討論。教師通過分析課堂數據，發現學生能大膽設想，思考如何利用無人機進行澆水、施肥，提出無人機技術在智慧農場播種、監測中的各種應用可能，如表2所示。

學生通過無人機技術在農場中的應用設想，提出了解決農場主問題的方案，就是讓無人機進行定時的澆水和施肥。基于此，教師提出探究問題：

1. 如何控制無人機的定時起飛；2. 如何控制無人機按照固定路線進行澆水、施肥；3. 如何控制無人機回到起點降落。

在引出探究問題的基礎上，教師演示案例，引導學生觀察、分析功能實現的具體過程，讓學生在學習手冊上完成KWL分析表，列出要解決的問題以及需要掌握的知識，如表3所示。

通過KWL分析表，學生明確了問題和需要掌握的知識，教師在此基礎上提供資料，引導學生掌握無人機定時起飛、挑戰卡識別以及航線規劃的知識，各小組按需學習，并開展問題探究。結果表明，學生設計的程序，實現了無人機的定時起飛和巡航施肥。

（三）評價與反思

通過分析“智慧農場”課堂可知，各小組能夠在規定時間內探究并實現無人機在智慧農場的定時巡航澆水、施肥，表明了教學策略的合理性。真實情境的導入，激發了學生的好奇心；功能設想活動，滿足了學生的想象力；KWL分析表，引導學生明確、了解決問題的知識空缺；學習資料的提供和教師的指導，讓學生有余力去探究問題。根據最終的作品評價可知，各組學生均達成了學習目標，并有了進一步的拓展想法和實踐愿望。

參考文獻：

［1］ 錢穎一. 以人為本 回歸教育本源［J］. 中華家教，2019（06）：46-47.

［2］ 李婧，王志麗，楊森. 小型無人機制作與飛行訓練課程教學設計思考［J］. 中國現代教育裝備，2020（15）：61-62+65.

［3］ 相曉嘉，周晗，牛軼峰，等. 無人機任務規劃課程設計與實踐［J］. 計算機教育，2021（11）：54-57.