STEM教育理念下 簡易機器人制作項目學習實踐

蔣繼征

筆者所在學校結合STEM教育理念，教師和學生一起在教學過程中設計了無錫惠山古鎮探究、校園文化研究、簡易機器人制作、物聯網應用、3D創意打印等一系列項目。所有的項目都是真實的，都是基于學校和學生的實際情況，都是可操作的；每個項目既是獨立的又是聯合的，都由項目確立、實施、結束和結果評估等階段構成；項目實施活動所給予學生的并不是簡單地將各學科組合起來，而是要把學習的過程轉變成一個探究世界相互聯系的過程。項目學習一般以開發最終作品或“人工制品”為出發點，在教師的指導下，學生按自己的設計思路，采用科學的方法完成作品設計。作品設計是項目學習貫穿的主線和驅動力，學生在完成作品的過程中進行檢索、討論、演算、設計、觀察等學習活動，并解決一個或多個問題，從而獲得知識和技能。作品制作是STEM學習的重點，但更為重要的是，學生在制作作品過程中獲得跨學科的知識和技能，并獲得創造性運用知識的社會性能力。基于項目的學習并非只強調學科知識的掌握，還側重對教材內容以外知識的體驗與經歷，旨在豐富學生對事物的認識，注重生活經驗知識的增長。整個學習過程應真實可信，是反映真實情境和現實生活的體驗性活動，體現將學術性學科知識轉化為生活經驗知識價值取向。

筆者以八年級簡易機器人項目為例，深入實踐STEM教育理念并提出一些思考。這一制作項目包括焊接機器人線路板、學習編程、拼裝小車、將線路板安裝在小汽車上、進行簡易機器人調試等實踐過程。

焊接過程：實踐與提高

片段一：在一個5厘米×5厘米的線路板上要焊接27個電子元器件，密度大。有的電子元器件管腳還很多，如安裝一個單片機就要焊接28個管腳。因焊接的電子元器件數量多，管腳密度大，使得馬蹄形頭的電烙鐵無從下手，因為稍不注意就會將管腳粘連在一起，出現短路現象。如何解決這一難題？有學生建議焊錫少點，實踐操作下來并不能徹底解決這一問題。有一位學生建議將馬蹄形頭烙鐵統一換成尖頭烙鐵，因為他自己實踐后都能避免粘連短路問題。師生們采納了這一建議，并付諸實踐，的確取得了很好的效果。在后面的制作過程中又遇到了新問題，有的學生因元器件焊接錯誤后再將元器件取出重新焊接，就會把線路板上的孔堵住，或在焊接時稍不注意會有錫落在線路板上，把其他孔堵住。為了在有限的面積上放盡量多的元器件，線路板采用了雙面板，因此堵住孔的錫很難去除，而且在去除的過程中也很容易損壞線路板。學生們又想了很多方法，如用除錫針、吸錫器，但實踐下來效果不理想。繼續思考、討論、實踐，有一位學生提出“用熱烙鐵將錫融化，然后直接將元器件管腳穿過孔，再進行焊接就可以了”。經過實踐檢驗，發現這一辦法最優，于是又一個問題解決了！

學習的實質是對過程的體驗、思考和感悟，而不是體現在試卷上的學習結果。STEM教育重視學習過程，不僅主張通過自學或教師講授習得抽象知識，更強調學生動手、動腦參與學習過程，在積極參與的學習過程中，使學生通過觀察與實際操作來獲得真實的學習體驗，在學習體驗中探究、反思與提高，實現理論知識與實踐技能的有效銜接，促進知識的深層次建構。它通過為學生提供多種真實情境和先進工具，加強學生的學習體驗。當學習鑲嵌在運用該知識的情境之中時，有意義的學習就發生了，因為該項目的問題既是基于真實的生活情境，又蘊含著所要教的結構化知識。這樣，學生在解決問題的過程中，不僅能獲得知識，還能獲得知識的社會性、情境性及遷移運用的能力。情境性問題的解決，可以讓學生體驗真實的生活，獲得社會性成長。在參與和體驗學習的過程中，學生不僅獲得了結果性知識，更重要的是，提高了自身的學習能力，學會從多學科、多視角、多維度來分析和解決問題，收獲了蘊含在真實問題情境中的過程性知識，在焊接的過程中，不斷有好的方法來解決意外，學生實現了從“學會”到“會學”的質的突破。

交流評價：協作與建構

片段二：所有元器件都焊接好是不是就意味著機器人電路板焊接成功了呢？因為我們希望看到電路板焊接完后，電池裝入電池盒，打開開關就能看到8個小燈依次發光閃爍，小蜂鳴器能鳴唱出生日快樂歌，這樣才算成功。首次實踐，發現成功率很低，有的只有幾個燈亮，有的小喇叭不唱歌，有的甚至一點反應都沒有，大面積的不成功給學生帶來了挫敗感，他們的學習情緒有點低落。如果學生的電路板制作不成功，將會直接影響到下面的程序編寫。如果教師將所有問題電路板收上來逐一修好，那將需要較長的修理時間。怎么辦？筆者又一次調動學生，讓已經做成功的學生幫著沒有做成功的學生一起檢查和維修。幫著檢查的學生，在指導中深化了對該工作原理的理解，實現了自己知識意義上的建構；初次失敗的學生也在同伴的協作下，感受到了成功的喜悅。在檢查和維修的過程中，培養了學生團結協作的能力以及自己解決實際問題的能力，在這樣的操作下，學生基本都能做成功。

STEM教育的本質是基于真實問題的探究性學習，要解決真實問題，強調學生在復雜情境中發展解決問題的能力。問題往往瞬息萬變，復雜多樣，難度較大，所以學生只有通過與教師以及同學進行交流討論、協同探索，才能將問題順利解決，才能有效完成對知識意義的建構。愛玩、喜歡和同伴合作學習是孩子們的天性，教育的使命就是讓教學回歸真實生活，在做中學，在玩耍中體驗，解放學生的天性。教師讓做成功與沒有做成功的學生搭配在一起，以小組為單位進行學習，彼此之間分工合作，互相之間進行思維上的碰撞，共同商討，解決問題。小組學習最后的評價環節也是以小組成員的共同表現為參考，而不是根據個人的表現進行獨立評價。如此一來，學生參與到趣味的教學活動中，在快樂中學習，能夠體驗到問題解決的成就感和愉悅感。

學科跨界：融合與創新

片段三：在本項目的學習過程中，學生還需要學習編程，編程用的是ArduBlock教育版軟件。如何實現LED小燈的亮和滅？筆者首先介紹了原理：要讓LED小燈亮，只需將小燈正極管腳接到電源的正極，另一個腳接到電源的負極，這樣就完成了電路的連通，之后電流從高電位流向低電位，LED小燈就亮了。而通過編程，讓接LED小燈正極管腳的那個端口作為高低電位來使用就可以實現小燈的亮和滅。學生通過練習很快就掌握了，但是學生并沒有滿足于此，他們在此基礎上發揮自己的想象力進行了創新，有的做出了霓虹燈效果，有的做出了跑馬燈效果，有的做出了交通信號燈效果……

通過對光感的編程可以實現讓小車循跡行駛。這里的循跡是指小車在白色地板上循隨機彎曲的黑線行走，我們采取的方法是紅外探測法。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質的特點，在小車行駛過程中不斷地向地面發射紅外光。當紅外光遇到白色紙質地板時發生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機通過光感傳輸過來的數值，利用數學中的比較，來確定小車與黑線的位置關系并制訂下一步的行走方案。這樣不斷地比較判斷，始終讓小車保持沿著黑線走。學生通過完成這項任務可以體驗到糾錯的思想。

在編程的過程中，學生主要運用自然科學知識、數學知識和信息技術知識相結合，使用學科知識整合取向分析各學科最基本的學科知識結構，找到不同學科知識點之間的連接點與整合點，將分散的課程知識按跨學科的問題邏輯結構化。將各學科內容改造成以問題為核心的課程組織，通過序列化的問題有機串接起各學科知識，使課程要素形成有機聯系和有機結構。知識整合取向模式一般采用基于問題的學習模式（problem-based learning），強調把學習設計在復雜、有意義的問題情境中，通過學生合作解決嵌入真實情境中的問題或與真實世界相關的問題，促進學生對所學知識的理解與建構，從而習得隱含于問題背后的科學知識，形成解決問題的技能和自主學習的能力。它可以使學生通過體驗知識獲得的過程，促進元認知能力的發展，通過應用知識解決問題達成對知識的靈活掌握，并能對知識進行社會性、情境性的遷移運用。解決問題的目的是讓學生掌握蘊含于問題之中或支持問題解決的知識，問題是多學科知識融合的交叉點與整合點，是觸發學生學習與探究的觸發器，是創新學習的載體。

實踐思考：反思與建議

筆者所在學校設計并開設了一些基于STEM教育理念的課程，但在實施過程中教師有幾個問題需要把握：①在項目實施過程中容易出現偽探究、偽問題解決的狀況，從而導致學生挫折感強，無法形成系統的知識結構以及教師主導地位缺失等問題。②在學生問題解決過程中，教師應發揮協調、指導、檢查、監督、計時和評價等作用。能力較強的學生可以擺脫傳統的結構化課堂教學對個人學習與設計活動的約束，能更好地發揮個人能力；而一些能力弱的學生會對學習過程中的自由度不適應，需要教師更多的指導；同時由于項目任務非結構化，所以很難實現對學生技能最終結果的全面評估。③不管采用哪種取向的整合模式，將知識情境化與社會化都是其優勢，但各學科原有知識體系結構的劣構化是它們面對的共性問題，容易造成學生學習知識結構的不均衡，可能某些知識掌握得較好，有些知識卻沒有觸及。這種基礎知識的結構性偏差對中小學生來說是個很大的問題。

STEM教育跨學科整合最核心、最重要的工作是項目或問題的設計。教師應以“項目或問題”為核心立足點，設計項目完成或問題解決過程中的學習資源與工具、學習活動過程、學習支架、學習評價等關鍵環節，同時關注項目完成后，學生獲得知識的系統化與結構化遷移，并有相應的強化練習與總結提升。有效的STEM教育項目設計，必須以有效的學習活動為中介，促進知識的內化，只有這樣才能真正提高學生學習效率，促進學生學習的發生。為了在教學活動過程中更好地達到教學目標，教師需要在教學過程中不斷進行形成性評價，總結與強化練習，項目結束后需要適時進行教學總結，促進學習者將零散的知識系統化。項目方案試用與改進項目實施過程中，教師一方面要嚴格按照設計的方案進行實施，確保教學方案的執行，另一方面要根據現實教學條件和形成性評價的結果不斷修訂設計方案，保證靈活性，使學生具有較強的信息意識與創新意識。