情境模擬下的科學(xué)教育融合策略和實(shí)踐研究

隨著教育理念的不斷進(jìn)步，情境模擬作為一種有效的教學(xué)策略，逐漸在科學(xué)教育領(lǐng)域嶄露頭角。該策略通過創(chuàng)設(shè)貼近學(xué)生生活實(shí)際或科學(xué)現(xiàn)象本身的情境，使學(xué)生在模擬的環(huán)境中主動(dòng)探索、合作學(xué)習(xí)，從而深化對(duì)科學(xué)概念的理解，進(jìn)而生發(fā)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(chuàng)造性和教育性于一體的教學(xué)工具，其模塊化、可拼接的特點(diǎn)，為科學(xué)教育提供了豐富的教學(xué)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(xué)中，不僅能夠豐富教學(xué)手段，還能促進(jìn)學(xué)生動(dòng)手操作能力和創(chuàng)新思維的發(fā)展。

一、實(shí)踐研究

（一）實(shí)驗(yàn)對(duì)象與分組

1.選擇實(shí)驗(yàn)學(xué)校與班級(jí)。本研究選擇了廣州、珠海、東莞三個(gè)地區(qū)的三所實(shí)驗(yàn)學(xué)校。這些學(xué)校在科學(xué)教育方面具有一定的改革意識(shí)和實(shí)踐基礎(chǔ)，便于實(shí)施和評(píng)估情境模擬下的樂高教育套件融合策略。

2.進(jìn)行隨機(jī)或分層抽樣。在實(shí)驗(yàn)學(xué)校隨機(jī)選取四或五年級(jí)的班級(jí)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，確保樣本的多樣性和代表性。每個(gè)班級(jí)的學(xué)生人數(shù)控制在30人左右，以便更好地進(jìn)行小組協(xié)作和個(gè)性化指導(dǎo)。

（二）教學(xué)實(shí)施過程

1.教學(xué)準(zhǔn)備階段。教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和所選班級(jí)學(xué)生的實(shí)際情況，選擇合適的樂高教育套件，以及相關(guān)輔助材料和工具，布置適宜的教學(xué)環(huán)境，包括足夠的操作空間和展示區(qū)域。同時(shí)，教師接受樂高教育套件相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)，確保能夠熟練指導(dǎo)學(xué)生使用。

2.情境導(dǎo)入階段。以“超級(jí)清理器”項(xiàng)目為例，教師通過講述埃利斯小島的環(huán)境問題（如垃圾污染情況），播放相關(guān)視頻資料，展示島上常見垃圾種類及特征，引發(fā)學(xué)生對(duì)環(huán)境問題的關(guān)注，激發(fā)學(xué)生參與項(xiàng)目的興趣。在此過程中，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，提出關(guān)于垃圾清理的初步想法，并與教師和同學(xué)進(jìn)行互動(dòng)交流，如討論日常生活中遇到的類似環(huán)境問題及可能的解決辦法。

3.知識(shí)講解與任務(wù)布置階段。教師講解項(xiàng)目涉及的物理、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)要點(diǎn)，如質(zhì)量、密度概念，機(jī)械手抓取原理（涉及靜摩擦力、壓力等知識(shí)），以及基本搭建和編程技能要求。同時(shí)，布置具體任務(wù)：設(shè)計(jì)并搭建能夠清理島上不同垃圾的超級(jí)清理機(jī)器人，包括搭建兩種不同設(shè)計(jì)的機(jī)械手，并編程實(shí)現(xiàn)其抓取功能，要求學(xué)生在過程中運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科思維和實(shí)踐能力。

4.小組合作探究階段。將學(xué)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(wù)。在搭建手動(dòng)控制器、測(cè)試機(jī)械手及編程探索動(dòng)作與反應(yīng)過程中，學(xué)生不斷嘗試不同的搭建方法和編程邏輯，遇到問題時(shí)共同討論解決方案。期間，教師在各小組間巡視，及時(shí)提供技術(shù)支持和指導(dǎo)，解答學(xué)生疑問，鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新思維，引導(dǎo)學(xué)生深入思考科學(xué)原理在實(shí)踐中的應(yīng)用。

5.實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析階段。學(xué)生對(duì)搭建好的超級(jí)清理機(jī)器人進(jìn)行測(cè)試，估算不同物體的體積、質(zhì)量，用兩種機(jī)械手分別抓取不同物品（如橙子、A4紙團(tuán)、空瓶、積木等），詳細(xì)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(nèi)討論分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)物理觀念（如靜摩擦力與物體質(zhì)量、尺寸、表面光滑程度的關(guān)系）和科學(xué)探究方法，總結(jié)兩種機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)論，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考如何改進(jìn)機(jī)械手設(shè)計(jì)，提升學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的理解和應(yīng)用能力。

6.拓展創(chuàng)新階段。教師提出新的挑戰(zhàn)：如在埃利斯小島四周海洋發(fā)現(xiàn)漂浮垃圾，如何改造清理機(jī)器人來清理這些漂浮垃圾？學(xué)生根據(jù)之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)論和對(duì)新場(chǎng)景的分析，重新設(shè)計(jì)機(jī)械手或改進(jìn)整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)，發(fā)揮創(chuàng)新思維，提出各種創(chuàng)意。例如，有學(xué)生提出增加浮力裝置使機(jī)器人能在水面工作，有學(xué)生設(shè)計(jì)專門針對(duì)漂浮垃圾形狀和特性的新型機(jī)械手結(jié)構(gòu)。小組內(nèi)整合創(chuàng)意，制定改進(jìn)方案并實(shí)施，培養(yǎng)學(xué)生在新情境下運(yùn)用知識(shí)解決問題和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。

7.評(píng)估總結(jié)階段。教師對(duì)學(xué)生完成任務(wù)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括機(jī)械手搭建、編程運(yùn)行、實(shí)驗(yàn)表格填寫、學(xué)科知識(shí)運(yùn)用、新場(chǎng)景創(chuàng)意提出、小組合作交流及成員互評(píng)等方面。同時(shí)，學(xué)生進(jìn)行自我評(píng)估，選擇代表小組水平的彩色積木（藍(lán)色、黃色、紫色分別對(duì)應(yīng)不同能力水平），并進(jìn)行同伴互評(píng)，提供建設(shè)性反饋。最后，師生共同回顧整個(gè)項(xiàng)目過程，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，引導(dǎo)學(xué)生反思在項(xiàng)目中所學(xué)的知識(shí)和技能，鼓勵(lì)學(xué)生將所學(xué)應(yīng)用到未來的學(xué)習(xí)和生活中，提升實(shí)際操作能力和創(chuàng)新思維。

二、研究結(jié)果與分析

（一）學(xué)生參與度分析

1.量化數(shù)據(jù)：通過參與度觀察記錄，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在課堂上的平均參與度達(dá)到了90%以上，特別是在搭建和編程環(huán)節(jié)，學(xué)生的積極性極高。

2.課堂活躍程度：課堂氛圍活躍，學(xué)生互動(dòng)頻繁，教師能夠及時(shí)回應(yīng)學(xué)生的問題和需求。

（二）知識(shí)掌握情況

1.前后測(cè)成績(jī)對(duì)比：通過對(duì)比教學(xué)前后的知識(shí)測(cè)試成績(jī)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的平均分提高了近20分，表明學(xué)生在機(jī)械手工作原理、編程指令等基礎(chǔ)知識(shí)方面有了顯著提升。

2.學(xué)習(xí)成效：學(xué)生在跨學(xué)科知識(shí)的綜合運(yùn)用方面也表現(xiàn)出色，能夠運(yùn)用物理、數(shù)學(xué)等學(xué)科的知識(shí)來解決實(shí)際問題。

（三）思維創(chuàng)新與問題解決能力

1.作品創(chuàng)新性評(píng)價(jià)：學(xué)生的機(jī)械手作品表現(xiàn)出較高的創(chuàng)新性，不僅在結(jié)構(gòu)上有所不同，還在功能上進(jìn)行了拓展和優(yōu)化。

2.問題解決過程分析：學(xué)生在搭建和測(cè)試過程中遇到了不少問題，如機(jī)械手的穩(wěn)定性、抓取效果等，但他們都能夠通過小組討論和教師指導(dǎo)找到解決方案，這體現(xiàn)了他們較強(qiáng)的問題解決能力。

（四）團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力

1.小組作業(yè)表現(xiàn)：學(xué)生在小組協(xié)作中表現(xiàn)出良好的溝通能力和協(xié)作精神，能夠共同完成任務(wù)并分享成果。

2.同伴評(píng)價(jià)：通過同伴評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在團(tuán)隊(duì)協(xié)作中能夠相互支持、相互學(xué)習(xí)，共同提高。這不僅有助于提升學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，還促進(jìn)了他們的相互理解和信任。

三、結(jié)論與展望

（一）研究總結(jié)

本研究通過實(shí)踐驗(yàn)證了情境模擬下樂高教育套件在科學(xué)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(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，還增強(qiáng)了他們的問題解決能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。具體表現(xiàn)為學(xué)生在科學(xué)知識(shí)理解、實(shí)踐操作、創(chuàng)新思維和團(tuán)隊(duì)協(xié)作等方面均取得了顯著進(jìn)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(shù)量有限，可能無法全面反映所有學(xué)生的情況；情境模擬的設(shè)計(jì)和實(shí)施需要耗費(fèi)大量時(shí)間和精力，難以在多所學(xué)校廣泛推廣。未來研究可以進(jìn)一步擴(kuò)大樣本數(shù)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(shè)計(jì)和實(shí)施方法，以推動(dòng)該融合策略在更多學(xué)校的廣泛應(yīng)用。

（三）對(duì)教育工作者與政策制定者的建議

1.加強(qiáng)技術(shù)培訓(xùn)：為教師提供定期的技術(shù)培訓(xùn)和支持，確保他們能夠熟練使用樂高教育套件及相關(guān)軟件。

2.推廣跨學(xué)科整合：鼓勵(lì)教育工作者在教學(xué)中廣泛應(yīng)用跨學(xué)科整合策略，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力。

3.增加資源投入：政府和相關(guān)部門應(yīng)加大對(duì)科學(xué)教育的投入力度，提供更多的資源和支持，推動(dòng)情境模擬與樂高教育套件的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。

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“基于STEM的機(jī)器人校本課程開發(fā)研究”（立項(xiàng)編號(hào)：GDJY-2020-S-a009）研究成果。