STEM教育視角下的VEX機器人教學實踐研究

蘇秀萍 趙哲仁

[摘? ?要]STEM教育與機器人教育具有內在的一致性。以高中VEX機器人教學為例，可將機器人教育與STEM教育融合，在STEM視角下設計VEX機器人課程內容，構建基于項目式學習的VEX機器人教學模式，促進學生學習與應用跨學科知識，學會合作與競爭，發展STEM素養。

[關鍵詞]STEM 教育;機器人教育;項目式學習

1986年，美國國家科學委員會發布了《本科的科學、數學和工程教育》報告，提出了“科學、數學、工程和技術教育集成”的綱領性建議，被視為STEM教育的開端[1]。機器人教學活動融合了多學科知識與技能的學習，是培養學生STEM素養的有效途徑。然而，如何設計課堂教學活動以激發學生的創新意識，培養學生的問題解決能力和創新能力，是機器人教學面臨的重要問題。在此，將結合VEX機器人教學案例進行探討。

一、STEM教育與VEX機器人教育

深度融合的基礎

1.STEM教育的跨學科整合特性

STEM教育所強調的整合，非不同學科的簡單組合，而是將各種零散的知識與機械過程變成一個探究世界互相聯系的不同側面的過程，指向基于真實問題進行分析、應用、遷移的高階能力[2]。以芬蘭的STEM教育為例，其實踐特色是主張以學生為中心，綜合跨學科的思維方式，以主動探索為基礎，強調團隊合作，注重培養學生在未來社會獲得成功所需要的能力。這是一種開放式教學，從分科走向融合，從重結果到重過程，從關注個體到關注合作，從掌握知識到問題解決，從被動學習到主動參與[3]。研究表明，這種跨學科學習的方式更能讓學生保持學習的熱情。

2.VEX機器人教育的特點

VEX機器人教育通常都有競賽背景。而VEX機器人大賽是為促進學生探究機器人、進行科技創新活動而打造的平臺。競賽的目的是讓學生通過團隊合作面對競爭的方式培養學生的STEM素養[4]。在VEX機器人大賽中，學生團隊要自主設計、制作機器人并進行編程。要求參賽機器人既能實現自動程序控制，又能由遙控器控制，還能在特定的競賽場地上按照一定的規則完成任務。在高水平的比賽交流中，學生可以更深刻地體驗科技的力量，將創造性的想法付諸實踐，快速提升實踐能力，并在團隊中發展組織與合作能力，收獲尊重和友誼等。

3.STEM教育與VEX機器人教育具有內在的一致性

現今社會，科技發展日新月異，教育的現代化勢在必行。教育理念的更新，教育應用的創新，學生的多元化培養等，都是時代的呼喚。學科教育不應只局限于構建獨立的知識體系，而應更多提倡跨學科的融合。在學習方式上，應倡導在真實復雜的情境中，通過團隊協作學習并解決問題;在教育方式上，應強調理論與實踐相結合，引導學生將知識應用于實踐;在資源形式上，應強調資源的開放，有效支持教師的教和學生的學。在這樣的背景下，STEM教育與VEX機器人教育有必要深度融合。

二、STEM教育視角下的

VEX機器人教學實踐過程

1.構建基于項目式學習的VEX機器人教學模式

項目式學習是STEM教育的主要學習方式，強調以學生為中心，在相對真實復雜的問題情境中，以小組合作的方式，為解決問題而學習多學科知識，重構或整合知識體系，最終完成問題的解決。這個過程可有效培養學生的合作能力、問題解決能力、自主學習能力等。筆者在機器人教學實踐中，逐漸形成了基于項目式學習的教學模式（見圖1）。

2.在STEM視角下設計VEX機器人課程內容

VEX機器人教育涉及科學、物理、工程、數學、計算機編程等多門學科，強調團隊協作能力、動手拼裝能力、計算思維能力、問題解決能力和創新精神的培養。在STEM視角下，可將VEX 機器人課程內容細化，并基于項目式學習開展教學實踐（見表1）。

3.基于項目式學習的VEX機器人教學活動設計

以VEX-DER高中組機器人項目“攻城易幟”為例，由福建省廈門市海滄中學的高中VEX機器人實驗室社團實施，共有學生16人，分成4個組。配有2名專任教師，其中一名是信息技術教師，另一名主要從事物理實驗教學。在基于項目式學習的VEX機器人教學活動中，首先要了解當季賽事的主題和規則，師生一起解讀并熟悉相關規則。接下來，教師會從基礎知識入手，引導學生了解VEX硬件器材和相關工具的使用，學會VEX編程軟件（即Robot C語言）。然后，從模仿往年機型的搭建開始，讓學生熟悉操作并嘗試改進創意設計。每個小組要在規定時間內完成主題機器人的設計，期間要經歷組內討論、交流、反復修改等過程，有專門的時間用于匯報和展示。最后，組織小組對抗賽，選出優勝組。各組將借此機會進一步發現本組機器人存在的問題，可繼續對其進行改進或完善。此外，學校還可以借助區域聯盟的力量，在校際之間進行模擬排位賽，互相交流與提升[5]。VEX機器人教學活動的內容與重難點見表2。

VEX機器人比賽每年的主題都不一樣。通過幾個賽季的實踐，師生形成了以項目式學習為主的教學實踐流程（見圖2），并積累了活動經驗。

一是活動準備，組建團隊。每個隊員根據自己對VEX機器人的了解，結合當年賽事的主題組建團隊。通常一個小組有2至4人，要選出組長，進行組內分工（如操控手、編程手、拼裝手等），合作完成機器人設計與搭建。為此，需要在活動前期做好團建工作，隨著教學活動的持續，可以略去這一環節或改為優化團隊建設等。

二是基礎授課，學習新知。在項目活動開始前，教師要組織一次案例分析會，師生一起回顧以往賽季，并分析當前賽季。借助網絡資源、VEX官網內容、視頻案例等，剖析主題賽事的要求、機型特點、機型功能、評分規則（相當于STEM任務中的評價量規）等。教師要鼓勵學生自主獲取并分析資源或信息。對于抽象的概念原理等，教師可以借助相關結構的案例，用更直觀生動的方式幫助學生理解和掌握。在編程方面，可以集中進行基礎培訓，再對各組選出的編程手進一步培訓，如優化冗長語句，將傳感器的應用與編程結合等。這些必要的授課，是為了讓學生更好地理解機器人運作的原理，并在此基礎上探究與項目相關的其他知識。

三是團隊合作，完成設計。機器人的設計離不開團隊成員的分工與合作，每個小組對項目主題的解讀不盡相同。各組自主制定方案，根據特長或興趣進行合理分工，組員們通力合作完成拼裝、編程、協調等工作。每個成員都要撰寫工程日志，記錄自己分擔的任務、發現的問題、遇到的困難、獲得的啟發和靈感等，這些日志將成為對小組進行評價的依據之一。

四是成果匯報，交流反饋。機器人實驗室有總體的時間計劃，并安排了階段性匯報，每個小組都要進行匯報交流，對于優秀的設計，還會組織專題匯報會進行分享。交流的形式包括研究性學習匯報、小組交流賽、工程日志分享等。

五是參加比賽，反思提升。每一次參賽，都是寶貴的學習機會。通過參加各類比賽，學生可以借鑒別人的長處或學習其他機型的設計方法，結交盟友，分享心得;可以在比賽中發現問題，反思比賽中的得失，撰寫賽后心得，繼續優化自己的設計，在這樣不斷的總結與反思中獲得不斷的提升。教師要注意引導學生以學習的心態參加比賽，注重過程的體驗，在比賽中經歷成長。

三、對VEX機器人教學實施的建議

1.重視對個人與小組的綜合評價

教師和學生都要對個人在團隊中的行為表現、任務完成情況等進行評價，還要對整個團隊的表現、團隊工程日志、團隊凝聚力、設計的創新性等進行評價。由于參賽機會和參賽隊伍有限，因此在開展活動之前就要強調實驗室的規則和選拔標準，綜合考量團隊中每個成員的參與度、行為素養及STEM素養，這樣才能持續激發團隊的活力。

2.引導學生正確對待比賽

創建機器人實驗室的目標是培養品學兼優的創新型、綜合型人才，注重學生在過程中的體驗和學習能力的提升。小組間會存在一定的競爭，在參加大賽前也需要對成員進行篩選，前期考評是一個比較公平的參考因素。因此，要引導學生正確對待比賽，讓學生認識到良好的品行和積極向上的求知精神比在比賽中獲勝更重要。要讓學生既能接受挑戰，也能接受失敗，營造良好的實驗室氛圍，這是使該項活動能夠持續健康發展的保障。

3.引導學生深度學習

傳統人才培養模式中過度依賴“灌輸”，強調識記，因此只停留在布魯姆認知層次的淺層學習階段，不利于培養學生的創新精神、實踐能力和應用能力，并導致了學校教育與實際生活嚴重脫軌，學生缺乏持續的動力。為改變這種情況，在VEX機器人教學中要基于項目開展研究性學習，使學生能夠進入深度學習，不斷強化主動探究的意識，培養科學態度和科學精神，逐漸將跨學科知識融會貫通，從而提高STEM素養。

4.鼓勵個性化學習，激發學生潛能與創造力

活動以自主設計與探究為主，充分尊重學生的創意和想法，滿足學生個性化發展的需要。每個小組基于活動項目展開方案設計和進度安排。整個過程，從方案的討論、問題的提出到信息的獲取，再到機器人的設計等，全部由學生小組協作完成。期間，教師要發揮的作用是陪伴、建議、支持和鼓勵。教師不宜過多干涉學生的活動，更不能把自己的觀點強加給學生，要將自己定位成學生的合作伙伴。

機器人課程具有較強的科學性和實踐性，如果僅依靠傳統教學法，很容易導致學生只有“三分鐘熱度”。實踐證明，以項目式學習的方式開展機器人教學活動，讓學生在體驗與探究中掌握多渠道收集信息和處理信息的方法，可有效提升學生的團隊協作能力、問題解決能力和計算思維能力，激發學生實踐與創新的精神。

參考文獻

[1]劉玲，戴金芮.STEM教育落地中國：問題與對策[J].今日教育，2017（10）：14-17.

[2]謝星魁.教學的重點是培養學生學習和運用知識的能力[J].課程教育研究，2013（28）：192-193.

[3]環球網.解讀芬蘭幼兒階段STEM教育理念及實踐特色[DB /OL]. https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1616640325543829613&wfr=spider&for=pc，2018-11-09.

[4]Caro I A. VEX Robotics： STEM Program and Robotics Competition Expansion into Europe[J].Eurobot，2011（6）：11-12.

[5]孫燕.基于STEM環境的中學VEX機器人教學實踐探索[J].中國教育技術裝備，2018（6）：73-75.

（責任編輯? 郭向和）