STEM理念引领下的机器人课程

实验室建设理念

机器人活动是一项综合多种学科知识和技能的青少年科技活动,符合青少年好动好学的特点,深受学生的青睐。上海市延安初级中学的机器人活动发展迅速,已成为学校科技创新实践活动的一大特色。在大力提倡科技创新的当下,如何利用好机器人课程这个优良载体有效地进行创新教育,引发了我们的再思考,“机器人创意工坊”正是在这样的背景下应运而生的。

为了更有效地激发学生的想象力和创造力,我们在机器人创意工坊建设中融入了STEM 设计理念,将实验室课程开发与学生的切身生活体验相结合,围绕环保、绿色、教育、信息和能源五个主题,形成了未来家居、绿色生活、快乐教育、智慧通信和畅游世界五大课程板块。机器人创意工坊让学生从接触 STEM 开始,逐步了解 STEM 理念,进而运用 STEM 思维,不断提升解决实际问题的能力,提升想象力和创造力。

实验室学习环境建设

机器人创意工坊旨在引导学生在有趣的游戏任务中学习完成机器人设计和制作的结构、编程和控制,提升学生的综合能力,促进学生的全面成长。与传统的机器人教学不同的是,机器人创意工坊课程的规划从顶层设计时就以 STEM 理念为指导,重在培养学生解决实际问题的能力和知识迁移的能力。而在设计课程的教学进度时,我们预先考虑到了机器人相关知识的难易程度,以学生已掌握的知识为基点,设计一系列的任务让学生解决来完成。在解决问题时,学生除了运用已经学过的知识,还要自主思考需要学习哪些知识来解决这些问题,教师只是在学生需要帮助时提供一些建议。在整个教学环节中,教师不再是知识的传授者,而是学生学习过程中的引导者和参与者,这正是 STEM 教育理念的精髓所在。

实际上,这些转变并不是一蹴而就的。在教学刚刚开始时,课程的教学目标还是停留在关注提高学生的动手能力、培养学生的信息素养等方面。随着机器人创意工坊课程在学校教学工作中不断深入开展,我们发现如果把机器人教学停留在教师提供搭建模板,学生按图纸进行模型搭建的模式,已经无法适应现代教学的理念,难以满足学生成长的需求。而正在此时,学校在参加教育信息大会时了解到了 STEM 的教育理念。这是一种以提高学生综合素养和解决实际问题能力为重心的教学模式。从此,以 STEM 理念为指导的课程体系成了学校机器人课程新的抓手。

机器人创意工坊课程体系部分内容

我们把整个实验室按功能划分为作品展示区、编程区、结构搭建区和头脑风暴区四个区域。与传统的实验室不同,机器人创意工坊并没有讲台,只在头脑风暴区设有一块小型白板和投影,供学生交流讨论问题时使用。

实验室选择乐高最新版的 EV3 教育用机器人为主要教学设备。因为通过多年的教学实践,我们发现乐高机器人是最适合学生开展自主学习的教学器材,丰富而易用的零件使得学生能够充分发挥他们的想象力和创造力,而模块化的编程界面更适合初中生使用,更有利于他们把自己的想法变成机器人的程序。

▲作品展示区

▲编程区

教学基本流程

在课程实施过程中,我们基于 STEM 理念,注重多学科的整合与应用,将学生的可持续发展作为课程建设的一个重要目标,并融入日常教学。同时,在教学模式选择方面,我们摒弃了常规机器人教学注重机器人结构和程序理论学习、教师演示学生模仿为主的方式,代之以任务为驱动,努力提升学生学习的主动性与创造力。我们将课程分为两个阶段,在课程的第一阶段,即理论学习阶段,教师通过创设一系列的情境,引导学生主动学习,以解决情境中的问题;在课程的第二阶段,即自主创作设计阶段,则引导学生从身边的实际情况入手,发现身边需要解决的问题,如生活中不太便捷的设施,然后自主设计、制作智能工程设备。

下面以“竞速小车”为例,简述该课程的教学过程。在这一节课中,学生不仅获得了与机械、物理知识有关的感知能力,探索了齿轮传动结构的基本规律,还在操作与反思阶段对不同组合的齿轮进行了“测试—比较—分析”,体会了工程设计的基本思想。对时间的预估以及对小车速度的计算强化了学生的数学能力;而动手对不同齿轮进行组合和搭配,并检验其效果,乃至最后得出加速与减速的搭配规律,则提高了学生的技术素养。

1

STEM 活动目标

竞速小车 STEM 活动目标

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基本流程

学生正在调试竞速小车

学生发表成果

(1)情境导入

教师呈现 F1 赛车场上车手你追我赶的情境,提供相应主题的图片、PPT 及视频资料, 将学生带入问题,如 F1 赛车的时速、著名赛车手等。教师将竞速小车的功能与 F1 赛车相联系,展示使用乐高竞速小车完成竞速任务的视频录像或实物演示,激发学生的学习动机。

(2)认识传动齿轮系统及小车搭建

这一环节包括教师讲解、实际操作和答疑解惑三个部分。首先,教师简要介绍传动齿轮的功能、特点和形式,向学生提供相应的资源,让学生认真思考竞速小车的搭建方式。

然后,教师引导学生以小组为单位,搭建不同齿轮结构的小车,并利用秒表对不同传动齿轮竞速小车进行测速。最后,教师针对学生在实际操作过程中的典型问题进行答疑。

(3)对搭建原理进行总结

教师引导学生通过观察思考,得出传动齿轮加速、减速的结论原理。

(4)爬坡机器人设计

引导学生根据学到的竞速小车的内容和原理,发挥自身聪明才智,利用器材自主设计爬坡机器人,让学生进入联系设计阶段,从而向更大难度的任务发起挑战。

(5)典型个案成果发表

教师优选出典型的操作个案 , 请学生发表。发表内容包括完成竞速、爬坡任务的演示、对该问题的理解和反思。教师在发表过程中及发表结束后对教学要点进行总结。

3

评 价

评价采取终结性评价与过程性评价相结合的方式。竞速小车这一内容是基于知识型的 STEM 学科整合,因此知识与技能的习得是评价的重点,评价方式是客观题测试,属于终结性评价。此外,活动过程中小组完成任务的情况也是评价的重要环节之一,由教师实施评价,评价方式以主观判断为主,属于过程性评价。

实验室的运行依托学校拓展型课程和学生社团两大体系组织。通过拓展型课程,学生了解到机器人的相关知识,并初步进行项目的学习;而在社团,机器人创意工坊向这群充满了想象力的机器人爱好者们敞开大门,在这里,他们将得到自己所需要的器材设备, 他们可以进行头脑风暴,可以上网查阅资料,可以尽情地施展自己的才华……

此外,学校不仅为课程配备了资深的科技教师,还聘请了市、区机器人教育方面的专家对学生进行单独辅导,大大提升了教学品质和教学效果。

实验室建设成效

机器人创意工坊自运行以来,取得了较为显著的成效。

对学校来说,机器人创意工坊以活动作为学科整合的载体,将机器人视为促进 STEM 知识学习的技术工具与学习环境建构工具,构建了 STEM 学科整合视野下的机器人教学活动设计模型。

对学生来说,大大提高了发现问题、解决问题的综合能力,培养了如何进行问题探究的科学素养。在基于活动的体验学习模式中,学生通过一系列的阶段性学习过程获得的相应改变,使他们有能力再投入到新一轮的情境中去学习体验,并再次获得新的经验。这种模式不仅关注学生知识与技能的获得,更关注学生对实践过程的总结和反思,以促使他们形成科学地解决问题的思路。学生经历了科学研究的所有阶段,认识了从关注问题、发现探索、搜集数据、分析归纳、推理筛选到最后利用技术得出研究结论的科学方法,形成了一系列科学研究方法,具备工程意识和信息素养,为日后的研究和创新奠定了必要的基础。

机器人创意工坊课程的学员们还参加了一系列的竞赛活动,并取得了较好的成绩。

部分获奖情况

上海市延安初级中学 解进

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  • 原文链接http://kuaibao.qq.com/s/20180309G0W19F00?refer=cp_1026
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