“科”與“技”并重，“探究”與“創(chuàng)新”齊抓

【摘 要】《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》的頒布，對(duì)信息科技課程提出了新理念、新內(nèi)容和新要求，為信息科技課程邁向新的發(fā)展階段指明了方向。本文分析虛擬機(jī)器人A-STEM課程的育人價(jià)值，并提出新課標(biāo)理念下的虛擬機(jī)器人A-STEM教學(xué)策略（IRISO），倡導(dǎo)信息科技教師在機(jī)器人課程教學(xué)中注意“科”與“技”并重，將“探究”與“創(chuàng)新”齊抓，培養(yǎng)出懂“科學(xué)”、曉“技術(shù)”、敢“探究”、會(huì)“創(chuàng)新”的高素質(zhì)人才隊(duì)伍。

【關(guān)鍵詞】教學(xué)策略；IRISO；虛擬機(jī)器人

【中圖分類號(hào)】G434? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2023）09-051-03

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）的頒布，更新了課程理念，提出要遴選科學(xué)原理和實(shí)踐應(yīng)用并重的課程內(nèi)容，提高學(xué)生數(shù)字化合作與探究的能力，發(fā)揚(yáng)創(chuàng)新精神[1]。面對(duì)新課標(biāo)的新要求，傳統(tǒng)的機(jī)器人編程課程該如何變革？筆者結(jié)合課題研究實(shí)踐，梳理分析虛擬平臺(tái)下機(jī)器人A-STEM課程的育人價(jià)值，提出新課標(biāo)理念下的虛擬機(jī)器人A-STEM教學(xué)策略。

虛擬平臺(tái)機(jī)器人A-STEM課程的育人價(jià)值

1.貫徹新課標(biāo)的育人理念

習(xí)近平總書記指出：“我國(guó)科技發(fā)展的方向就是創(chuàng)新、創(chuàng)新、再創(chuàng)新”，而培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的人才是廣大教育工作者的重要使命。提高數(shù)字化合作與探究的能力，發(fā)揚(yáng)創(chuàng)新精神是信息科技課程的目標(biāo)之一[2]。虛擬平臺(tái)機(jī)器人A-STEM課程是以數(shù)字化虛擬平臺(tái)做支撐，以人文為引領(lǐng)，融合了科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的跨學(xué)科課程，是培養(yǎng)人才創(chuàng)新能力的教育新方式。該課程既有科學(xué)原理，又有實(shí)踐探索，體現(xiàn)了“科”與“技”并重[3]，同時(shí)教學(xué)中倡導(dǎo)“探究”與“創(chuàng)新”齊抓，發(fā)展團(tuán)隊(duì)合作與實(shí)踐探究的能力，逐步培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

2.培養(yǎng)更多的創(chuàng)新型人才

傳統(tǒng)的實(shí)物機(jī)器人因設(shè)備昂貴，往往只有參加競(jìng)賽的個(gè)別學(xué)生才有機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)，而虛擬平臺(tái)提供的數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境，讓所有學(xué)生都有機(jī)會(huì)參與機(jī)器人的學(xué)習(xí)和探究。虛擬機(jī)器人平臺(tái)采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及機(jī)器人仿真技術(shù)手段，對(duì)生活中的交通場(chǎng)景進(jìn)行三維模擬，為A-STEM教育提供了可以反復(fù)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)觀測(cè)、互動(dòng)交流和實(shí)踐探究的機(jī)會(huì)。通過此平臺(tái)，每個(gè)學(xué)生都有機(jī)會(huì)模仿科學(xué)家和工程師經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的過程[4]，科學(xué)探究精神和創(chuàng)新能力得到培養(yǎng)。

新課標(biāo)理念下的虛擬機(jī)器人A-STEM教學(xué)策略

新課標(biāo)對(duì)信息科技課程的教學(xué)提出了新的要求，為此，虛擬機(jī)器人A-STEM課程的教學(xué)也要做出相應(yīng)的變革。一套好的教學(xué)策略的關(guān)鍵是要用合適的環(huán)節(jié)將教學(xué)過程靈活串起來，讓學(xué)生樂于在其中探究和實(shí)踐，愿意在其中創(chuàng)新。筆者在借鑒國(guó)內(nèi)外A-STEM課程的經(jīng)典文獻(xiàn)、優(yōu)秀案例及優(yōu)秀教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了虛擬平臺(tái)的機(jī)器人A-STEM教學(xué)策略（IRISO）。其具體分為問題引入、資源互動(dòng)、實(shí)踐探究、成果分享和反思優(yōu)化五個(gè)環(huán)節(jié)。

1.問題引入（Issues）：以問題為導(dǎo)向

這一階段是從學(xué)生學(xué)情出發(fā)，以學(xué)生已有的知識(shí)技能和經(jīng)驗(yàn)為起點(diǎn)[5]，設(shè)計(jì)一系列有一定難度的劣構(gòu)問題吸引學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)問題，聚焦人文意義，引發(fā)探究愿望，并讓學(xué)生在探究中不斷嘗到成功的喜悅[6]。教師在課堂教學(xué)中要以問題為導(dǎo)向，靈活運(yùn)用多種方法，結(jié)合每節(jié)課的主題引出要研究的問題，通過問題激發(fā)學(xué)生積極探究的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的問題意識(shí)。學(xué)生的學(xué)習(xí)以解決問題為主線，以問題解決為直接目標(biāo)。

教師在課堂上要引導(dǎo)學(xué)生逐漸形成分解大問題、生成小問題的能力，即能夠?qū)?fù)雜的大問題分解成有條理、有層次的小問題，通過解決小問題實(shí)現(xiàn)目標(biāo)問題的解決。例如，某節(jié)課的目標(biāo)問題是要求學(xué)生根據(jù)需求設(shè)計(jì)出一輛汽車結(jié)構(gòu)模型。這個(gè)大問題就可以分解成多個(gè)小問題，如汽車的車頭、車身、車尾分別用哪些結(jié)構(gòu)件，用哪種電機(jī)做動(dòng)力系統(tǒng)，采用哪種摩擦系數(shù)的輪胎等。

2.資源互動(dòng)（Resource）：以資源為支架

美味佳肴的烹飪需要好的食材，學(xué)生高效學(xué)習(xí)同樣需要優(yōu)質(zhì)的資源。在資源互動(dòng)環(huán)節(jié)，教師要從學(xué)生的學(xué)習(xí)需求出發(fā)，結(jié)合每節(jié)課的目標(biāo)問題提供各類豐富的資源包，如可以融入跨學(xué)科知識(shí)，形成核心知識(shí)點(diǎn)、操作類微課、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目單等資源庫(kù)，為學(xué)生在認(rèn)知負(fù)荷合適度范圍內(nèi)建立起配套的學(xué)習(xí)支架。

有了資源為支架，學(xué)生每節(jié)課都是學(xué)習(xí)的主體，通過虛擬3D平臺(tái)場(chǎng)景化、游戲化的界面，他們具有強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和濃厚的學(xué)習(xí)興趣，能快速進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，獲取相關(guān)的新知識(shí)，同時(shí)將新知識(shí)和自己已有的知識(shí)、元認(rèn)知知識(shí)等進(jìn)行認(rèn)知互聯(lián)，形成解決問題的鏈條，并根據(jù)自己的理解撰寫出問題的初步解決方案或繪制出設(shè)計(jì)草圖。然后，小組同伴一起討論交流，初步形成解決問題的思路辦法（圖1）。

例如，針對(duì)汽車結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)這節(jié)課，教師提供的資源包可以包括物理方面重心、摩擦力的知識(shí)，藝術(shù)方面汽車外觀設(shè)計(jì)知識(shí)，技術(shù)方面各結(jié)構(gòu)件如何拼接的視頻等。學(xué)生掌握這部分新的知識(shí)點(diǎn)后，可以與生活中的知識(shí)進(jìn)行互聯(lián)，如大型卡車、小轎車、SUV等不同車型因重心不同帶來的不同的乘坐體驗(yàn)，由此更能加深他們對(duì)知識(shí)理解的深度，形成自己的觀點(diǎn)，再通過小組內(nèi)的互動(dòng)交流，集思廣益，從而得到初步的解決問題的辦法。

3.實(shí)踐探究（Inquiry）：在實(shí)踐中探究

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)生形成的初步方案是否可行？是否是目標(biāo)問題的最優(yōu)解決辦法？設(shè)想和實(shí)際情況存在哪些差異？設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是否合理？設(shè)計(jì)的程序是否是高效的算法？這些問題都需要在虛擬平臺(tái)中逐個(gè)實(shí)踐探究、逐條檢驗(yàn)、逐項(xiàng)“求真”。

在實(shí)踐探究環(huán)節(jié)，每個(gè)小組都是自己方案的檢察官，都需要在虛擬平臺(tái)上檢驗(yàn)論證自己方案的可行性、信度和效度。他們需要逐步學(xué)會(huì)觀測(cè)和分析反饋的數(shù)據(jù)信息，并據(jù)此修改方案，然后繼續(xù)開啟新一輪的實(shí)踐探究活動(dòng)。即從測(cè)試、觀察、分析、修改，到再測(cè)試、再觀察、再分析、再修改，學(xué)生經(jīng)過反復(fù)多次地實(shí)踐探究，不斷完善問題解決的方案，不斷朝著問題最優(yōu)解的方向前進(jìn)，直到完美解決問題。

例如，為了研究讓無人駕駛汽車實(shí)現(xiàn)在賽道中間自動(dòng)行駛的問題，學(xué)生就經(jīng)歷了從繪制草圖、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)程序到測(cè)試效果、觀察數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，再到修改結(jié)構(gòu)、修改程序，再到再次測(cè)試……如此反復(fù)不斷地優(yōu)化方案，先后形成了眾多研究版本。每一次問題的解決，既讓學(xué)生嘗到了成功的喜悅，同時(shí)又可能出現(xiàn)新的問題，進(jìn)而進(jìn)入新問題的求解過程。這個(gè)環(huán)節(jié)能不斷深化學(xué)生對(duì)問題的理解，不斷改進(jìn)自己的方案，在實(shí)踐中探究、在探究中創(chuàng)新。

4.成果分享（Sharing）：在分享中成長(zhǎng)

成果分享環(huán)節(jié)是必不可少的，往往也是最精彩的環(huán)節(jié)。這個(gè)環(huán)節(jié)是一場(chǎng)思維碰撞的盛宴，就像暖春里的花園，百花齊放、百鳥爭(zhēng)鳴，每個(gè)學(xué)生都能在分享和傾聽中收獲成長(zhǎng)。經(jīng)過前一階段的實(shí)踐探究，每個(gè)小組都形成了一系列多版本的問題解決方案。如何將本組研究成果準(zhǔn)確地展示給其他小組？別的小組又是如何解決這個(gè)問題的？講臺(tái)是各小組展示分享研究成果的舞臺(tái)，既能鍛煉每個(gè)學(xué)生的口才演講能力、多維互動(dòng)能力，又能鍛煉他們敢于批判和質(zhì)疑的精神。

如同樣是為解決路上障礙物的問題，有多個(gè)小組都想到了將障礙物推開的方法，但每個(gè)組的做法卻又不同，有的小組將車頭設(shè)計(jì)成叉車形狀（推過去），有的小組將車頭設(shè)計(jì)成三角箭頭形狀（擠過去），還有的小組在車頭兩側(cè)裝滑輪（滑過去）。我們甚至驚喜地發(fā)現(xiàn)有的小組居然想到了給汽車車頭裝上傳感器，這樣無人駕駛汽車就能像擁有眼睛一樣隨時(shí)觀測(cè)前方的路況，一旦發(fā)現(xiàn)障礙物則轉(zhuǎn)個(gè)彎繞開（繞過去），如圖2所示。

不同的設(shè)計(jì)思路、不同的解決方法，組成了一場(chǎng)“思維”交響樂，讓學(xué)生大開眼界、大飽耳福。每一種方法都是各組的創(chuàng)意結(jié)晶，都經(jīng)過了實(shí)踐檢驗(yàn)，每一個(gè)有創(chuàng)意的想法，都值得被鼓勵(lì)，學(xué)生的“創(chuàng)新”思維逐漸騰飛。

5.反思優(yōu)化（Optimizing）：在反思中升華

他山之石，可以攻玉。通過上一環(huán)節(jié)的成果分享，每個(gè)學(xué)生都經(jīng)歷了一場(chǎng)思維大碰撞，都能從別的小組中學(xué)習(xí)新的知識(shí)、新的理念、新的方法。如學(xué)生搭建的汽車結(jié)構(gòu)基本上都是不一樣的，使用的傳感器也不盡相同，安裝的角度更是五花八門，而實(shí)際運(yùn)行中的效果更是千差萬別[7]。正是這么多不一樣的想法，不一樣的方案，為學(xué)生打開了“創(chuàng)新”的大門，“創(chuàng)新”的靈感就像雨后春筍那樣爭(zhēng)先恐后地在他們的腦中冒出。學(xué)生開始自我反思：自己的方案和同學(xué)的相比，分別有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？有哪些優(yōu)秀的做法是可以引入到自己方案中的？哪些好的經(jīng)驗(yàn)是值得自己借鑒的？我還可以做得更好嗎？圍繞這些問題，他們迸發(fā)出要進(jìn)一步改進(jìn)方案的沖動(dòng)，再通過平臺(tái)的仿真測(cè)試，在實(shí)踐中不斷調(diào)整，不斷重組優(yōu)化，最終尋求更優(yōu)的解決問題的方案。精益求精的工匠精神和鍥而不舍的探究精神就這樣在潛移默化中逐漸形成。反思優(yōu)化環(huán)節(jié)，既是方案的升華，也是思維的升華，更是人才培養(yǎng)的全面升華。

結(jié)? 語

筆者所在學(xué)校開設(shè)的無人駕駛機(jī)器人A-STEM課程從社團(tuán)課小班教學(xué)到常規(guī)課的大班化教學(xué)，發(fā)展到全區(qū)多個(gè)學(xué)校聯(lián)合推廣教學(xué)，深受學(xué)生的喜愛。實(shí)踐證明，該課程IRISO的教學(xué)策略是行之有效的。信息科技新課標(biāo)的頒布既是機(jī)遇，也是挑戰(zhàn)。廣大信息科技教師在教學(xué)中要注意“科”與“技”并重，將“探究”與“創(chuàng)新”齊抓，為培養(yǎng)出更多懂“科學(xué)”、曉“技術(shù)”、敢“探究”、會(huì)“創(chuàng)新”的高素質(zhì)人才貢獻(xiàn)自己的力量。

注：本文系廣東省教育研究院第二批STEM教育專項(xiàng)研究重點(diǎn)課題“無人駕駛機(jī)器人A-STEM 課程教學(xué)策略研究”（立項(xiàng)號(hào)：GDJY-2020-S-a007）階段性成果和廣東省黃強(qiáng)名教師工作室教研成果

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作者單位：廣東深圳市龍崗區(qū)同心實(shí)驗(yàn)學(xué)校

編? ?輯：馮艷艷