情境模擬下的科學教育融合策略和實踐研究

隨著教育理念的不斷進步，情境模擬作為一種有效的教學策略，逐漸在科學教育領域嶄露頭角。該策略通過創設貼近學生生活實際或科學現象本身的情境，使學生在模擬的環境中主動探索、合作學習，從而深化對科學概念的理解，進而生發出探究未知世界的興趣。樂高教育套件，作為一種集趣味性、創造性和教育性于一體的教學工具，其模塊化、可拼接的特點，為科學教育提供了豐富的教學資源與無限的想象空間。將樂高教育套件融入情境模擬教學中，不僅能夠豐富教學手段，還能促進學生動手操作能力和創新思維的發展。

一、實踐研究

（一）實驗對象與分組

1.選擇實驗學校與班級。本研究選擇了廣州、珠海、東莞三個地區的三所實驗學校。這些學校在科學教育方面具有一定的改革意識和實踐基礎，便于實施和評估情境模擬下的樂高教育套件融合策略。

2.進行隨機或分層抽樣。在實驗學校隨機選取四或五年級的班級作為實驗對象，確保樣本的多樣性和代表性。每個班級的學生人數控制在30人左右，以便更好地進行小組協作和個性化指導。

（二）教學實施過程

1.教學準備階段。教師根據教學目標和所選班級學生的實際情況，選擇合適的樂高教育套件，以及相關輔助材料和工具，布置適宜的教學環境，包括足夠的操作空間和展示區域。同時，教師接受樂高教育套件相關技術培訓，確保能夠熟練指導學生使用。

2.情境導入階段。以“超級清理器”項目為例，教師通過講述埃利斯小島的環境問題（如垃圾污染情況），播放相關視頻資料，展示島上常見垃圾種類及特征，引發學生對環境問題的關注，激發學生參與項目的興趣。在此過程中，引導學生積極思考，提出關于垃圾清理的初步想法，并與教師和同學進行互動交流，如討論日常生活中遇到的類似環境問題及可能的解決辦法。

3.知識講解與任務布置階段。教師講解項目涉及的物理、數學等學科知識要點，如質量、密度概念，機械手抓取原理（涉及靜摩擦力、壓力等知識），以及基本搭建和編程技能要求。同時，布置具體任務：設計并搭建能夠清理島上不同垃圾的超級清理機器人，包括搭建兩種不同設計的機械手，并編程實現其抓取功能，要求學生在過程中運用所學知識解決實際問題，培養學生的跨學科思維和實踐能力。

4.小組合作探究階段。將學生分成若干小組，每組4～6人。小組成員分工合作，共同完成搭建和編程任務。在搭建手動控制器、測試機械手及編程探索動作與反應過程中，學生不斷嘗試不同的搭建方法和編程邏輯，遇到問題時共同討論解決方案。期間，教師在各小組間巡視，及時提供技術支持和指導，解答學生疑問，鼓勵學生創新思維，引導學生深入思考科學原理在實踐中的應用。

5.實驗測試與結果分析階段。學生對搭建好的超級清理機器人進行測試，估算不同物體的體積、質量，用兩種機械手分別抓取不同物品（如橙子、A4紙團、空瓶、積木等），詳細記錄抓取情況，包括是否成功抓取、抓取過程中的問題等。小組內討論分析實驗結果，依據物理觀念（如靜摩擦力與物體質量、尺寸、表面光滑程度的關系）和科學探究方法，總結兩種機械手分別適合抓取的物體類型及原因。各小組之間分享交流實驗結論，教師引導學生進一步思考如何改進機械手設計，提升學生對科學概念的理解和應用能力。

6.拓展創新階段。教師提出新的挑戰：如在埃利斯小島四周海洋發現漂浮垃圾，如何改造清理機器人來清理這些漂浮垃圾？學生根據之前的實驗結論和對新場景的分析，重新設計機械手或改進整個機器人系統，發揮創新思維，提出各種創意。例如，有學生提出增加浮力裝置使機器人能在水面工作，有學生設計專門針對漂浮垃圾形狀和特性的新型機械手結構。小組內整合創意，制定改進方案并實施，培養學生在新情境下運用知識解決問題和創新設計的能力。

7.評估總結階段。教師對學生完成任務情況進行評價，包括機械手搭建、編程運行、實驗表格填寫、學科知識運用、新場景創意提出、小組合作交流及成員互評等方面。同時，學生進行自我評估，選擇代表小組水平的彩色積木（藍色、黃色、紫色分別對應不同能力水平），并進行同伴互評，提供建設性反饋。最后，師生共同回顧整個項目過程，總結經驗教訓，引導學生反思在項目中所學的知識和技能，鼓勵學生將所學應用到未來的學習和生活中，提升實際操作能力和創新思維。

二、研究結果與分析

（一）學生參與度分析

1.量化數據：通過參與度觀察記錄，發現學生在課堂上的平均參與度達到了90%以上，特別是在搭建和編程環節，學生的積極性極高。

2.課堂活躍程度：課堂氛圍活躍，學生互動頻繁，教師能夠及時回應學生的問題和需求。

（二）知識掌握情況

1.前后測成績對比：通過對比教學前后的知識測試成績，發現學生的平均分提高了近20分，表明學生在機械手工作原理、編程指令等基礎知識方面有了顯著提升。

2.學習成效：學生在跨學科知識的綜合運用方面也表現出色，能夠運用物理、數學等學科的知識來解決實際問題。

（三）思維創新與問題解決能力

1.作品創新性評價：學生的機械手作品表現出較高的創新性，不僅在結構上有所不同，還在功能上進行了拓展和優化。

2.問題解決過程分析：學生在搭建和測試過程中遇到了不少問題，如機械手的穩定性、抓取效果等，但他們都能夠通過小組討論和教師指導找到解決方案，這體現了他們較強的問題解決能力。

（四）團隊協作能力

1.小組作業表現：學生在小組協作中表現出良好的溝通能力和協作精神，能夠共同完成任務并分享成果。

2.同伴評價：通過同伴評價，發現學生在團隊協作中能夠相互支持、相互學習，共同提高。這不僅有助于提升學生的團隊協作能力，還促進了他們的相互理解和信任。

三、結論與展望

（一）研究總結

本研究通過實踐驗證了情境模擬下樂高教育套件在科學教育中的融合策略的有效性。該融合策略不僅顯著提升了學生的科學素養，還增強了他們的問題解決能力和團隊協作能力。具體表現為學生在科學知識理解、實踐操作、創新思維和團隊協作等方面均取得了顯著進步。

（二）研究局限與未來研究方向

盡管本研究取得了一定的成果，但仍存在一些局限性和不足。例如，樣本數量有限，可能無法全面反映所有學生的情況；情境模擬的設計和實施需要耗費大量時間和精力，難以在多所學校廣泛推廣。未來研究可以進一步擴大樣本數量，提高研究的普遍性和代表性；探索更加高效、便捷的情境模擬設計和實施方法，以推動該融合策略在更多學校的廣泛應用。

（三）對教育工作者與政策制定者的建議

1.加強技術培訓：為教師提供定期的技術培訓和支持，確保他們能夠熟練使用樂高教育套件及相關軟件。

2.推廣跨學科整合：鼓勵教育工作者在教學中廣泛應用跨學科整合策略，培養學生綜合運用知識解決問題的能力。

3.增加資源投入：政府和相關部門應加大對科學教育的投入力度，提供更多的資源和支持，推動情境模擬與樂高教育套件的廣泛應用和發展。

注：本文系廣東省教育研究院第二批STEM教育專項研究重點課題“基于STEM的機器人校本課程開發研究”（立項編號：GDJY-2020-S-a009）研究成果。