STEM理念下中小學Arduino機器人教學模式研究

林曉曉 王榮榮

摘 要：近年來，隨著基礎教育的不斷改革，機器人教育已經成為中小學信息技術課程中不可缺少的部分，對學生的動手能力和思維發展都起到很大的作用。機器人教育強調手腦并用，著重培養學生的創新精神和實踐能力，是實現“制造”大國邁向“智造”大國的教育基礎之一。本文對以STEM理念為指導、以Arduino為平臺、以項目式學習開展的Arduino機器人教學模式進行了初步研究。

關鍵詞：STEM Arduino 創意 機器人

STEM 教育理念是當前國際上頗有影響力的教育思想之一，也是美國面對人才競爭提出的一項國家教育戰略，強調對科學、技術，數學和工程四個領域交叉融合及其運用能力。這將對我國機器人教育產生深遠的影響。機器人教育是一門新生事物，涉及系統結構、傳感器、控制技術等多領域的交叉學科，但它因具有培養學生創新實踐能力的獨特優勢而迅速崛起。

一、STEM 理念下的 Arduino 機器人

Arduino 機器人是一門交叉了多門基礎學科的綜合性課程，包括數學、物理、計算機、多媒體等，它以多門學科基礎理論作為前提，符合 STEM 教育的內涵。將 STEM 教育理念融入Arduino 機器人教育中，這不僅可以培養學生的STEM 素養，還可以幫助學生在雜亂無章的情境中理清頭緒，獲得團隊協作能力、解決問題的能力以及綜合實踐能力。

通過合理的教學方式讓學生自然地投身于充滿趣味與挑戰的科學世界，盡情享受“發現、觀察、摸索、總結、創新”的整個過程，或專注于搭建自己的機器人、或兩人合作檢測編程后底部車輪運轉是否合理、或相互討論與比較為什么你用坦克輪而他用大萬向輪。當他們能順利行走或夾起第一個小方塊時，強大的自信與成就感會源源不斷地轉化成自主學習的源動力。

二、STEM 理念下的 Arduino 機器人教學

Arduino 機器人教學能夠充分反應STEM 教育四要素，代表著不同的學科綜合體現，其中 S（科學）為電子電路，物理知識等，強調基礎科學概念的應用；T（技術）為 Arduino 程序設計，體現人和機器如何互動；E（技術）為軟件工程，體現技術世界如何與人類社會相互作用；M（數學）為邏輯判斷，強調基礎數學應用。 STEM 理念下的 Arduino 機器人教學充分體現了學科的綜合性、實踐性，核心價值在于對學生創造力思維以及實踐能力的培養。這種價值的成功與否，關鍵在于課程體系中教學設計、教學模式和教學方法能否具備創新性。

三、STEM 理念下 Arduino 機器人教學模式探索

學校雖在課時上保證了Arduino 創意機器人的開展和落實，且在學生報名參加時也挑選了基礎較好的學生，但在實踐操作中卻良莠不齊。首先，任課老師雖然對Arduino機器人課程已經非常熟悉，但是對于一些突發狀況有時難免不能得心應手。其次，對于學生，他們對Arduino機器人課程本身有很高的興趣，但是一部分學生缺乏探索的精神，導致后面的作品無法很好的完成。針對這些問題，我做了深入的分析，并不斷完善課程。在依托省機器人實驗室開展的機器人教學改變傳統的教學模式，以學為中心，采取小組合作項目式學習的方式踐行 STEM 教育理念，培養學生的全面素質。

（一）、跨學科整合創設項目，解決實際問題

STEM 教育注重與現實世界的聯系 ，注重學生的學習過程，所以我們在機器人教學采取“項目教學法”，打破學科界限，將生活中的實際問題，跨學科整合出項目，讓學生動手完成他們感興趣的生活中的相關項目。 在老師的指導下，將一個相對獨立的項目交由學生自己處理，信息的收集、方案的設計、項目實施及最終評價，都由學生自己負責，學生通過該項目的進行，了解并把握整個過程及每一個環節中的基本要求。“項目教學法”最顯著的特點是“以項目為主線、教師為引導、學生為主體”，注重理論與實踐相結合。

以項目式學習為主要學習方式，學習者通過項目式學習來完成學業，獲得知識與技能，期間同時獲得創新能力的培養。以項目式學習為基礎的學習環境，培養了學習者的項目學習能力。不僅深化了學生的項目學習能力，而且更加關注學習者創新能力的培養。

在項目式學習的課堂里 ， 教師給出的問題必須由學生組成小組來解決。學生不需要背誦知識點，使之在記憶中存留，教師會為學生提他們在探索各種概念以及將這些概念應用到實際的過程中所需的資源。在學習的過程中，學生是被允許甚至是被期待去犯錯的。由此，他們變成了主動的學習者，并且得以培養一些現場技能。當然，要想實現這一切，需要完善的計劃、足夠的靈活度和一個可以開展團隊協作的環境。

（二）、以學為中心開展合作學習

以學為中心，就是以學生的學為主，老師的教為輔，對于機器人這樣難度的學科來說， 我們需要合理組建合作學習小組，明確每一位小組成員的責任與要求再加上老師的及時指導和適時評價，有效開展合作學習。

合理搭配明確分工開展合作學習為了保證合作學習的有效開展，遵循“組內異質，組間同質”的原則進行分組。教師及時指導保證學習效果組長的組織協調和小組成員的默契，從根本上保證了學習活動的健康開展，但是教師的及時指導、適時評價更是學習活動有效開展的保障。 老師提供評價的角度和標準，這樣學生就會明白自己應該朝哪個方向去學習。 還有要對參與不夠積極合作態度不夠友好， 不虛心聽取他人意見的學生給予積極引導，保證合作互助學習的良好開展。

四、結束語

教學中，學生經歷科學研究所必須的幾個階段，從發現問題、思考問題、推理篩選，到最后技術應用，形成一套科學的研究方法，最終形成良好的科學素養、工程素養、數學素養和技術素養，為日后的發展奠定基礎。由此看來，在機器人教育中體現STEM 理念是未來發展的方向，值得廣大教師認真思考和研究。

參考文獻

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