基于STEAM教育理念的小學機器人教學研究
——以“智能掃地車”主題課程為例

林莉 福建省廈門集美中學附屬濱水學校

機器人教育課程具有探究性、實踐性、綜合性的特征，能夠培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，同時，開展機器人主題項目制作，能夠提升學生的設計思維、計算思維以及創(chuàng)新思維，為學生面對未來挑戰(zhàn)奠定基礎。然而，筆者在對機器人教育研究的過程中發(fā)現(xiàn)，大多的機器人教育課堂只停留在技術本位，缺少對學生跨學科思維、解決真實情境問題能力的關注。因此，筆者提出借助STEAM理念來優(yōu)化小學機器人課堂教學，科學有效地進行教學設計。

● 基于STEAM教育理念的小學機器人教學設計

小學機器人教育和STEAM教育在目標導向上存在一致性。一方面，STEAM教育理念能為機器人主題教學設計提供更加豐富的內容和拓展空間；另一方面，機器人教育課程能為STEAM理念的落地提供牢固抓手。基于STEAM教育理念的小學機器人課堂教學成為一種有別于傳統(tǒng)教學的新形式，通過STEAM教育理念的落實可以打造跨學科性、問題性、綜合性、實踐性的機器人課堂教學。筆者以“智能掃地車”主題課程為例進行教學設計（如下圖），機器人主題課程的每一個主題都是一個復雜的項目，學生需要經歷項目任務的發(fā)掘、分析、實踐、優(yōu)化、反思等環(huán)節(jié)，從而完成完整的學習過程。該主題項目內容是基于uKit進階級機器人積木套件，通過uKit EDU圖形化編程軟件，讓學生完成智能掃地車模型的拼搭，并實現(xiàn)智能掃地車的自動清掃和自動避障功能。本主題需要在學習控制器、超聲波傳感器、舵機的相關原理以及相關控制指令的基礎上進行智能掃地車的模型分析、設計、拼搭以及模塊化編程，最終創(chuàng)作有創(chuàng)新意義的機器人作品。

● 基于STEAM教育理念的小學機器人教學實踐

1.情境體驗，發(fā)掘項目

生動直觀的情境體驗，能觸發(fā)學生思考，幫助學生以學科視角發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題。在進行“智能掃地車”主題項目教學時，筆者以視頻的方式呈現(xiàn)了兩個截然不同的場景：①環(huán)衛(wèi)工和志愿者清掃垃圾的場景；②無人駕駛智能掃地車助力冬奧，打掃衛(wèi)生的場景。筆者引導學生思考：在新冠疫情期間，為了減少人員聚集，同時減輕環(huán)衛(wèi)工人的負擔，降低環(huán)衛(wèi)工人在特殊環(huán)境下工作的風險，哪一種方式更好？經歷了真實情境的體驗，學生的創(chuàng)作欲望被激發(fā)，提出問題——“智能掃地車如何實現(xiàn)智能化”，并且有了“制作一個智能掃地車模型”的想法。學生從情境問題出發(fā)，以需求為目標，發(fā)掘了“項目任務”，為接下來的設計、動手實踐做好鋪墊。

2.解析項目，模型建構

在機器人主題項目中，學生能否構建完整的機器人模型，進一步實現(xiàn)創(chuàng)意物化和表達，取決于學生能否基于跨學科知識和思維來應用模型套件以及軟件，從而實現(xiàn)項目目標。機器人積木零件多樣的模型搭建是鍛煉學生創(chuàng)新思維的有效載體，以拼搭智能掃地車模型為例，在前期模型構建環(huán)節(jié)，不僅要求學生能夠準確描述項目問題，更要求學生能夠對復雜的項目進行解析。因此，筆者引導學生結合機器人模型的外在結構和內在功能，將機器人模型分解為幾個基礎模塊，從而幫助學生構建完整的機器人模型。外在結構：讓學生分析智能掃地車的模型結構，借助結構圖將智能掃地車的基本結構分為動力機構、清掃裝置和垃圾收集箱。內在功能：引導學生分析討論“掃地車有哪些基本功能和智能功能”，從而把智能掃地車的功能分為自動行駛、自動清掃和自動避障三個模塊。在此基礎上，引導學生認識電子元器件的功能原理，分析并正確地選擇電子元器件和相關積木零件。學生在解析項目、模型建構的環(huán)節(jié)中，需要學會從復雜的現(xiàn)象中抽取問題的主要因素來分析和討論，進一步滲透STEAM教育理念中的建模思想，這不僅培養(yǎng)了學生透過現(xiàn)象揭示本質的洞察能力，而且提升了學生分析問題的能力。

3.模型搭建，程序創(chuàng)編

在模型搭建環(huán)節(jié)，筆者首先鼓勵學生在模型搭建前用草圖或者圖表的方式呈現(xiàn)智能掃地車的基本樣式，同時以流程圖的形式說明機器人程序的運行邏輯。之后，筆者引導學生提出合理的實踐方案，發(fā)揮團隊協(xié)作的作用（學生在提出實踐方案的過程中需要小組討論“哪個結構使用哪些零件”“先搭什么后搭什么”等問題。在動手實踐的過程中，小組成員要做好各模塊的分工，在發(fā)現(xiàn)問題時，積極合作并尋求問題的解決方案）。程序創(chuàng)編是培養(yǎng)學生邏輯思維能力的主要環(huán)節(jié)。例如，智能掃地車的自動行駛模塊需要靠舵機的運行程序，學生會發(fā)現(xiàn)每個舵機都有順時針和逆時針兩條轉動方向指令，兩個舵機組合成不同的指令參數(shù)能夠讓“機器人”實現(xiàn)不同的動作。而在自動避障程序模塊中，智能掃地車要躲避障礙物，需要不斷地判斷前方是否有障礙物，學生在程序編寫中需要歸納條件判斷程序結構。在機器人主題項目教學中，STEAM教育理念能否有效落實，很大程度上取決于學生在主題任務中能否提升自己的工程動手能力。基于STEAM理念的機器人課程教學，改變了傳統(tǒng)課堂以教師為主的教學方式，注重培養(yǎng)學生的合作探究及動手實踐的能力，提升了學生的工程思維。

4.知識拓展，優(yōu)化項目

在優(yōu)化項目環(huán)節(jié)，筆者首先引導學生了解“什么是超聲波”“超聲波在其他領域的應用”。學生結合計算機上的聲音編輯軟件，將頻率設置為大于2000赫茲的數(shù)值，嘗試聽一聽“超聲波”。同時，筆者播放相關的視頻資料讓學生進一步了解現(xiàn)有的智能掃地車。從自卸式垃圾箱的設計到刷頭形態(tài)的設計，從環(huán)保理念到藝術美學，引導學生討論、發(fā)現(xiàn)，并進一步提出優(yōu)化“智能掃地車模型”的想法。學生在優(yōu)化項目的過程中，也會思考各種問題，如“機器人的構造是否結實”“運行時是否靈活”“外觀和功能還能如何改進”“程序能否更優(yōu)化、簡潔”等。在智能掃地車的外觀設計上，學生結合冬奧主題提出多種造型，如冰墩墩模型；在功能設計上，學生在提出“能夠躲避障礙物”基本功能的同時，還提出“識別紅綠燈”“冬奧會防疫消殺”的實用功能，并且提出用北京冬奧會標志來裝飾智能掃地車的想法等。學生在優(yōu)化模型的活動過程中，提升了項目設計的藝術素養(yǎng)。

5.展示交流，反思評價

學生將自己的項目完成過程、創(chuàng)意點通過口頭表述的方式進行交流展示，這既是對自己學習過程的梳理，也是對作品的反思。展示交流環(huán)節(jié)能夠鍛煉學生的語言表達能力，增強學生的成就感、自信心，同時通過分享交流，可以碰撞思維的火花。此外，筆者鼓勵學生將自己小組的作品分享到班級學習平臺（小組間進行點贊、留言和評價）。在課堂上，筆者引導學生以小組為單位進行展示，其他小組在傾聽的過程中，從創(chuàng)意、藝術、功能、技術等維度給予點評，并提出合理的建議。多平臺、多層次的交流分享，提高了學生的反思評價能力，也發(fā)揮了小組合作學習的作用。

● 結束語

綜上所述，筆者以“智能掃地車”主題項目為例展開基于STEAM教育理念的小學機器人教學設計與實踐，引領學生走進生活、走進社會，引導學生學會像科學家和工程師一樣去思考，引導學生在分析、建模、搭建、合作、優(yōu)化中潛移默化地提升STEAM素養(yǎng)。

基于STEAM教育理念的小學機器人教學實踐，打破了學科的限制，讓學生的學習從單學科走向跨學科，也打破了空間的限制，使學生的學習從課內延伸到課外。其在拓展學生思維廣度與深度的同時，為學生提供了沉浸式的學習體驗，有效提升了學生的綜合素養(yǎng)，提高了學生在信息化時代的競爭力。