STEM教育背景下的機(jī)器人教學(xué)模式探究

王源

摘 要：機(jī)器人課程是近些年被引入學(xué)校教育的一門(mén)課程，機(jī)器人教學(xué)能夠讓學(xué)生在操作過(guò)程中提高創(chuàng)新能力、合作能力和邏輯思維能力。文章結(jié)合STEM教育理念，分析機(jī)器人教學(xué)的意義與現(xiàn)狀及機(jī)器人課程教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：STEM教育；機(jī)器人教學(xué)；智能機(jī)器人；體驗(yàn)學(xué)習(xí)；探究學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：G623.58；TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1008-3561（2018）31-0026-01

隨著科技進(jìn)步與社會(huì)發(fā)展，機(jī)器人教學(xué)已經(jīng)開(kāi)始在學(xué)校普及，這是提高學(xué)生創(chuàng)新能力、合作能力和邏輯思維能力的重要方式。機(jī)器人教學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)明確要求：學(xué)生要通過(guò)機(jī)器人學(xué)科的學(xué)習(xí)，掌握編程知識(shí)與機(jī)器人組裝能力，提高動(dòng)手操作能力及創(chuàng)新能力。機(jī)器人教學(xué)仍在起步階段，有許多問(wèn)題需要解決。本文主要對(duì)STEM教育背景下的機(jī)器人教學(xué)模式進(jìn)行探討。

一、STEM教育概述

STEM是科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四門(mén)學(xué)科英文首字母的縮寫(xiě)。STEM教育源于美國(guó)，最初的目的是實(shí)現(xiàn)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的統(tǒng)一，以應(yīng)用多種學(xué)科知識(shí)來(lái)共同解決問(wèn)題?？茖W(xué)素養(yǎng)是STEM教育的重點(diǎn)，能夠幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)客觀規(guī)律，打好科學(xué)研究的基礎(chǔ)；技術(shù)素養(yǎng)和工程素養(yǎng)能夠幫助學(xué)生在尊重自然規(guī)律的基礎(chǔ)上改造世界、解決遇到的難題；數(shù)學(xué)則是技術(shù)與工程學(xué)科的基礎(chǔ)工具，不論是科學(xué)建模、科學(xué)推理，還是工程論證、技術(shù)研究，都需要數(shù)學(xué)素養(yǎng)的支持。

二、機(jī)器人教學(xué)的意義與現(xiàn)狀

機(jī)器人教育是一門(mén)涉及機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)軟硬件及人工智能等眾多先進(jìn)技術(shù)的綜合性實(shí)踐學(xué)科。機(jī)器人教學(xué)的初衷是讓學(xué)生能夠在了解機(jī)器人構(gòu)造、功能、應(yīng)用的基礎(chǔ)上，完成機(jī)器人的設(shè)計(jì)、組裝、編程及運(yùn)行。機(jī)器人教育涉及很多先進(jìn)技術(shù)和學(xué)科知識(shí)，能夠提高學(xué)生的綜合能力，包括分析問(wèn)題、解決問(wèn)題、邏輯思維等多種能力，為學(xué)生的創(chuàng)造能力、合作能力、動(dòng)手能力提供了良好的實(shí)踐平臺(tái)。如今，越來(lái)越多的學(xué)校將機(jī)器人教學(xué)納入課程之中，旨在通過(guò)機(jī)器人教學(xué)培養(yǎng)新時(shí)代高素質(zhì)人才。

三、STEM教育背景下智能機(jī)器人教學(xué)策略

STEM四要素在機(jī)器人教學(xué)中皆有所體現(xiàn)，因此，機(jī)器人教學(xué)有著很高的應(yīng)用價(jià)值。下面，從兩個(gè)方面對(duì)STEM教育背景下智能機(jī)器人教學(xué)策略進(jìn)行探討。

1.引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行體驗(yàn)式學(xué)習(xí)

在智能機(jī)器人教學(xué)中，教師要從學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律與發(fā)展角度出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生在觀察的過(guò)程中完成對(duì)知識(shí)的理解和感悟。在學(xué)生的體驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，教師應(yīng)為學(xué)生設(shè)計(jì)具有趣味性、邏輯性的活動(dòng)，讓學(xué)生在情境中學(xué)習(xí)與反思，更好地掌握知識(shí)和技能。首先，教師要?jiǎng)?chuàng)設(shè)合適的教學(xué)情境，提出相關(guān)問(wèn)題，讓學(xué)生帶著問(wèn)題進(jìn)入體驗(yàn)環(huán)節(jié)。其次，要指導(dǎo)學(xué)生利用教師準(zhǔn)備的工具與資源完成教師設(shè)計(jì)的活動(dòng)。要讓學(xué)生通過(guò)觀察與反思，發(fā)掘?qū)罄m(xù)學(xué)習(xí)有價(jià)值的資源與信息，并將之前觀察所獲得的知識(shí)轉(zhuǎn)化為新的觀點(diǎn)，在腦海中生成對(duì)新知的理解。例如，在教學(xué)“FLL機(jī)器人前進(jìn)、爬坡、摘取果實(shí)”時(shí)，教師可以讓學(xué)生先通過(guò)觀察分析FLL機(jī)器人在爬坡過(guò)程中需要完成幾個(gè)任務(wù)，如何才能用時(shí)最短。然后，教師可以讓學(xué)生先嘗試進(jìn)行流程圖設(shè)計(jì)，之后通過(guò)測(cè)試與分析找出問(wèn)題，調(diào)整方案，提高機(jī)器人運(yùn)行效率。在體驗(yàn)式學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、數(shù)學(xué)素養(yǎng)能夠得到有效的鍛煉。

2.指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)

以設(shè)計(jì)競(jìng)速小車為例進(jìn)行說(shuō)明。首先，教師應(yīng)分析學(xué)生的特征。學(xué)生年齡較小，抽象思維較弱，有時(shí)課堂注意力不集中，但對(duì)未知的事物有著濃厚的探索欲望。在課前導(dǎo)學(xué)案中，學(xué)生已經(jīng)了解小車的傳動(dòng)方式，也在課前使用樂(lè)高材料拼接過(guò)小汽車。因此，教師不妨在課堂教學(xué)中先播放賽車的比賽視頻，讓學(xué)生加入賽車的討論之中，并提出“你們知道最快的賽車速度能達(dá)到多少嗎”等問(wèn)題激發(fā)學(xué)生的探究興趣。之后，為了確保學(xué)生能夠順利設(shè)計(jì)出合理的競(jìng)速小車，教師可以提出“機(jī)械設(shè)備為什么能夠?qū)崿F(xiàn)速度變化”等問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生探究。通過(guò)分析與探究，學(xué)生能夠了解到“是因?yàn)闄C(jī)械設(shè)備有齒輪、滑輪以及動(dòng)能支持”。此時(shí)，教師要讓學(xué)生了解齒輪的傳動(dòng)形式與特點(diǎn)，讓學(xué)生明白機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和加速的原理。在學(xué)生的探究過(guò)程中，教師要幫助學(xué)生結(jié)合實(shí)踐更好地理解書(shū)本上的理論知識(shí)。最后，教師應(yīng)為學(xué)生準(zhǔn)備充足的實(shí)踐工具，讓學(xué)生在實(shí)踐的過(guò)程中掌握齒輪傳動(dòng)的規(guī)律。要引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)合作完成競(jìng)速小車的設(shè)計(jì)，并通過(guò)檢驗(yàn)了解小車設(shè)計(jì)的不足問(wèn)題，在小組合作探究中找出問(wèn)題的解決方法，從而培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力和創(chuàng)新能力。

綜上所述，在學(xué)習(xí)機(jī)器人知識(shí)的過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)數(shù)據(jù)搜集、探索發(fā)現(xiàn)、關(guān)注問(wèn)題、推理篩選，掌握了正確的學(xué)習(xí)方法，提高了自身的科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、數(shù)學(xué)素養(yǎng)。這些素養(yǎng)與能力，將為學(xué)生今后的成長(zhǎng)提供重要的幫助。STEM的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)與藝術(shù)的融合，能夠?yàn)閷W(xué)生的作品賦予更具個(gè)性的生命力。因此，教師應(yīng)當(dāng)深入研究STEM教育，將其作為機(jī)器人教學(xué)的核心，這對(duì)提高學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、設(shè)計(jì)能力、藝術(shù)素養(yǎng)有著重要的促進(jìn)作用。

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