基于機器人的科學探究活動設計與應用研究

李玲　畢瓊遠　王昂昂

關鍵詞：機器人；科學探究活動；科學素養；教學活動設計

中圖分類號：G623.6 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）02-0115-03

1概述

在教育部頒布的《義務教育科學課程標準（2022 年版）》（以下簡稱《新課標》）中提出了激發學生學習動機，強化學生探究實踐，培養學生良好的核心素養，為今后學業、生活以及終身發展奠定良好的基礎[1]。科學探究能力則是核心素養中能力維度的要求。在義務教育階段，科學課程是一門體現科學本質的綜合性基礎課程，具有實踐性。《新課標》中明確指出倡導設計學生喜聞樂見的科學活動，激發學生學習科學的內在動機。已有研究表明，機器人對小學生學習作用效果最佳，且能夠提升學生學習動機。

2 文獻綜述

2.1 科學素養

《新課標》指出，義務教育科學課程目標內容其中之一是需要學習者掌握基本的科學研究方法，理解科學探究涉及提出問題、作出假設、制訂計劃、搜集證據、處理信息、得出結論、表達交流和反思評價等要素，具有初步的科學探究能力[1]。而科學探究能力體現在能夠理解科學探究的一般過程和方法；提出科學問題，并針對科學問題進行合理猜想與假設；制訂計劃并搜集證據，分析證據并得出結論；對結果進行解釋與評估；準確表達觀點，反思探究過程與結果[1]。

倡導以探究和實踐為主的多元化學習方法，使學習者積極參與、動手動腦、積極體驗，并經歷科學探究的過程，加強探究實踐。但是在實際教學過程中，由于課堂時間有限、實驗現象達不到理想效果以及學生實驗操作能力不足等原因，教師大多選擇播放視頻、PPT中文字和圖片講解或者教師進行演示等方式來進行教學，學生難以真正參與探究實踐過程，對科學知識的理解不夠透徹，學習興趣也逐漸降低，使得學生科學探究能力的有效提升較為困難。

2.2 機器人與學科教學

國內外不少專家對機器人教育有不同的見解，本文采納以彭紹東教授為代表的學者的觀點，認為機器人教育就是學習利用機器人優化教育效果及師生勞動方式的理論與實踐[3]。

龔禮林等學者通過對2010年～2019年期間發表的關于K-12領域機器人教育的實證研究統計分析，發現在機器人教育研究中大多選擇采用LEGO系列機器人[4]。樂高材料也就是搭建套件，包括控制器、傳感器、執行器和編程環境（即計算機和軟件，以及任務說明和指導手冊）。可編程積木是套件中最吸引人的組件，它為所有樂高搭建模型提供控制和動力。樂高教育WeDo2.0是一款適合低年齡階段學生對模型進行程序編寫的軟件，學生可以很容易、輕松地對搭建完成的樂高模型進行可視化程序編寫。

洪等[5]使用Bioloid機器人輔助小學生學習英語，研究發現對學生的學習動機、聽力和閱讀技能等方面都有積極影響；李等[6]的研究表明，使用樂高積木進行基于工程設計的科學學習使得四年級學生的科學成績和解決問題能力均有顯著提高；威廉姆斯等（Wil?liams，et al，2012）[6]的研究成果表明，基于LEGO Mind?storms 機器人的科學和數學活動設計可以讓學生的學習更加容易地進行，有效促進學生概念理解；我國鐘柏昌教授[7]根據國際案例研究歸納出機器人的交互性能夠使學生獲得參與式的學習體驗，提高學生的學習動機，有助于學生建立抽象知識與實際生活的聯系。另外，還有研究表明機器人對培養創新能力、問題解決能力、人際交往能力和學習成績等方面都有積極的顯著影響。

設計基于機器人的科學探究活動，啟發學生對學習科學的興趣，并利用學生親自動手體驗來培養自信，同時利用機器人模型和可視化編程對現實生活中的問題展開探究，并在對問題進行探索和解決的過程中學到新知識，提高計算思維，增強科學探究能力和問題解決能力。

3基于機器人的科學探究活動設計

本文以小學科學中探究拉力和摩擦力之間的關系為例，從教學目標、學習者特征教學過程和教學評價幾個方面簡要概括該探究活動的教學設計過程，最后對本次教學活動的實施成效進行分析。

3.1 教學目標

知識與技能：

（1）初步學習如何使用WeDo2.0編程軟件，把握各模塊的功能、了解編程的基本邏輯。

（2）探究拉力和摩擦力之間的關系，了解到拉力必須大于摩擦力才能發生運動。

過程與方法：

（1）學生在教師的引導下，進行小組合作學習，使用控制變量法來完成探究任務。

（2）能夠通過搭建模型來模擬摩擦力和拉力。

情感態度與價值觀：

（1）通過利用樂高機器人對生活中的摩擦力現象進行探究實驗，體會使用樂高進行科學探究的樂趣，敢于、樂于使用工具來學習探究科學知識。

（2）通過小組合作學習探究，能夠鍛煉與他人溝通交往能力，實現與同伴的有效合作。

3.2 學習者分析

小學四年級學生喜歡科學，經常動手做科學實驗，整體學習比較認真，雖然學生很喜歡動手操作具體形象的物體，但學生獨立獲得知識、科學探究能力和意識并不強。在思維方面，學生雖然可以脫離具體的事物進行抽象思考，但是很大部分思維仍然還是具體形象的，想象力有了較好發展，能夠進行創造性的想象。此外，學生通過之前的課程已經基本掌握樂高零件的搭建步驟和WeDo2.0軟件編程中各模塊的含義。在學生的生活實踐中，他們對摩擦這個概念已經比較熟悉了，對物體運動會受到摩擦力的現象也是熟悉的，不過，對“摩擦力是在哪些狀態下引起的？摩擦力的大小怎么知道？怎樣能降低摩擦力？”等問題都沒有進行過太多的思考，這也成為本課學習的起點。

3.3 教學過程

當前實際的教學實踐中缺乏對學生科學素養培養的重視，機器人作為現代化智能產品，應用于教學中能夠使學生學習更富有趣味性，且能夠有效支持學生進行科學探究性實驗和學習。因此，在本教學實踐采用的是張敬云基于發現學習理論、五步教學法、STEM整合教育理念和科學建模思想等理論基礎構建的科學探究型教學模式[8]。

（1）提出問題與形成假設

科學探究過程是圍繞探究問題開展和進行的，教師需要設計真實的且富有啟發性的問題情境，從學生已有的知識經驗出發，設計在學生認知“最近發展區”內的有價值的問題，激發學生進行探究實踐的欲望和內在動機。教師通過視頻呈現生活中拉得動椅子拉不動車等場景引入探究問題，為什么同樣的物品在不同的地面上有的能拉得動有的卻拉不動呢？引起學生對拉力和摩擦力的關系，隨之教師提出任務，用樂高零件搭建一個拉力小車，研究什么時候能拉得動，什么時候拉不動，學生根據已有認知和經驗及查閱相關資料形成假設。

（2）制定計劃和設計實驗

老師把學生每二人分成一小組，學生采用小組協作的形式制定詳細具體的探究方案，并設計實驗實施方案。教師在巡視過程中給予學生適當的指導和幫助。

（3）進行實驗和收集數據

在這個階段，學生兩人一組，首先合作搭建由馬達、主機和車斗的拉力小車，接著按照實驗方案利用編程進行探究對比不同大小的馬達功率以及在不同光滑程度的桌面上小車所能拉動的輪胎數量多少，并記錄實驗數據。

（4）分析數據和得出結論

學生可以通過所記錄的實驗數據，剖析實驗現象，并研究影響摩擦力大小的各種因素。教師引導學生分析實驗現象背后的原因，并總結規律。

（5）評價和反思

教師鼓勵學生分享搭建和編程中遇到的問題和收獲，指導學生對實驗結論作出合理性與可靠性的分析，與學生共同總結、交流所學知識，并依據評價表對實驗計劃與過程進行評價，找出實驗規劃與實驗過程中存在的問題，學生之間互相討論或者請教老師針對問題提出改進意見。

3.4 教學評價

對學生的學習成果評估要注重對正確價值觀、必備品質和關鍵能力的考核，著重關心學生在進行科學探究活動過程中的思維活動與表現，要重視學生個體差異，形成以核心素養為導向的評價體系。學生從機器人知識和技術以及五個教學環節等方面對本次探究實驗的表現進行自評與組內互評，并完成實驗報告。教師組織學生就機器人基礎知識和技能、科學知識和技能、科學觀念態度以及科學思維方法展開考查，同時對探究活動過程中表現優異并有進步的學生加以表彰，激發學生的積極性。

3.5 教學效果

通過搭建機器人并對其進行程序編寫來探究拉力和摩擦力之間的關系，學生的收獲主要有如下幾個方面：（1）加深了對拉力和摩擦力等科學知識的理解，掌握了使用控制變量法進行探究來解決實際問題；（2）學生樂于動手操作進行探究，對科學探究興趣增加，嘗試運用不同思路和方法進行探究實踐，能夠實事求是，如實記錄和報告觀察與實驗獲得的信息，動手實踐能力及其研究分析與解決問題的能力大大增強；（3）學生體驗了利用機器人開展科學探究的活動過程，深切體驗到了機器人科技為人們的日常生活和學習提供了極大便利。

除此之外，通過巡視的過程中以及課后與學生的交流，發現利用機器人進行科學探究活動沒有降低學習者的認知負荷，反而加重了學習者的學習任務，主要負擔是部分學習者不能熟練使用WeDo2.0對機器人進行程序編寫。不過，學習者之間能夠互相幫助解決問題，而且教師在巡視過程中也給予學生適當的輔導和支持。雖然部分學習者在使用機器人和編程軟件方面有一定的困難，但是總體來說，基于機器人的科學探究活動使學習者的學習熱情空前高漲，對探究實踐的動機更加強烈，讓學習者積極體驗、經歷科學探究實踐的過程，促進師生和生生之間的互動，有效促進學生科學探究能力及科學素養的提升。

4基于機器人的科學探究活動的教學策略

4.1 創設真實的且富有啟發性的問題情境，調動學生科學探究的內在動機

問題是科學探究的核心，因此，教師在設計教學活動時，要創設真實的問題情境，與學生的實際生活密切聯系，還需從學生已有的知識經驗出發，設計在學生認知“最近發展區”內有價值的問題，也就是學生在經過獨立探索和學習交流后就可以發現的并能引起學生知識碰撞的新課題，以保護學生的科學自信心，調動學生開展科學探究活動的自覺積極性。

4.2 以學生為主體，教師為主導，關注學生的認知與能力發展

教師必須充分考慮學生的知識能力，根據確定的課程目標與內容，根據知識進階設計鼓勵學生獨立、探究、思考、合作的教學活動，引發學生認知沖突，調動學生的科學探究積極性，讓學生自主參與、經歷探究過程，增強他們的合作學習意識和能力，讓學生有效進行基于機器人的科學探究和實踐，并在過程中對學生進行必要的指導與支持。

4.3 學生動手體驗，進行探究與實踐，培養科學探究能力

和問題解決能力探究與實踐是科學學習的重要途徑，教師應做好對學生探究實踐活動中的指導，選擇能夠促進學生核心素養發展的探究與實踐項目，引導他們積極參加、動手動腦、積極感受，體驗科學探究的過程，提高科學思維能力、科學探究和實踐能力。

4.4 注重過程評價，強調評價主體多元和方法多樣

基于機器人的科學探究性教學更強調評價方法的多樣化，注重學習過程的考核，注重學習者在探究和實踐過程中的實際表達和思考行為；結果評估更注重對學生價值觀、必備品德和關鍵能力的考查，以推動學生核心素養的發展。所以，要充分調動學校、教師、學生等評價主體的主動性，把紙筆測試和表現性評價相結合，診斷學生的知識掌握水平，關注學生在學習活動中的表現，對學生作出全面整體評價，促進學生的核心素養發展。

5 總結

基于機器人的科學探究型教學模式以科學問題為導向，旨在學生能夠在利用機器人動手經歷科學探究的過程中習得跨學科知識、科學素養同時提高解決問題的能力。因此，該模式對培養學生跨學科知識和科學素養以及豐富機器人教育實踐應用方面具有很大價值。在小學課程中采用基于機器人的科學探究活動，能夠激發學生科學探究的內在動機，保護學生的好奇心，機器人以及傳感器具有非常強的自動獲取與收集數據的能力，為學生的科學探究提供技術支持，而且仍在不斷發展與改進，能夠有效支持科學探究活動的開展與深化。