基于STEAM教育理念的中學(xué)無人機課堂教學(xué)設(shè)計與實踐研究

陳雅燕

【摘? 要】 無人機作為智能領(lǐng)域的新技術(shù)，其設(shè)計、制造與應(yīng)用融合了多學(xué)科的知識。無人機教育能夠促進新課改理念的有效實施和創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，但現(xiàn)有研究對中小學(xué)階段的無人機教育關(guān)注度不夠。文章在分析了無人機教育內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，結(jié)合STEAM教育理念，從跨學(xué)科融合的視角，開展無人機課堂教學(xué)的實踐探索，制訂了無人機課程內(nèi)容體系和教學(xué)策略，通過“智慧農(nóng)場”案例分析了無人機教學(xué)的實踐過程與效果。

【關(guān)鍵詞】 無人機教學(xué)；STEAM；創(chuàng)新思維

一、研究背景

無人機是集空氣動力學(xué)、電子科學(xué)與技術(shù)、機械工程、通信、材料、工藝、力學(xué)、航空氣象和航空測量等多學(xué)科為一體的綜合性很強的科技產(chǎn)品，具備開展跨學(xué)科融合教學(xué)的優(yōu)勢，能夠有效支撐新課程改革教學(xué)理念的落實。無人機是一個操作性極強的產(chǎn)品，其在飛行過程中的方向操控、風(fēng)力判斷和地勢分析等內(nèi)容，有助于提高學(xué)生“手眼腦”的協(xié)同動手能力、問題解決能力及多維空間想象力。

本研究通過文獻檢索，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前無人機教育的研究多集中在高等教育、職業(yè)教育上，對中小學(xué)階段的研究較少。由此可見，教育研究者對中小學(xué)無人機教育的發(fā)展關(guān)注度不夠、實踐探索不足。無人機作為高校開展的一門專業(yè)課程，其教學(xué)內(nèi)容對于中小學(xué)生而言，過于復(fù)雜、難以吸收。因此，如何選擇、組織適合中小學(xué)生的無人機課程內(nèi)容，并設(shè)計課堂教學(xué)，是當(dāng)下中小學(xué)無人機教育應(yīng)該考慮的重要問題。

二、STEAM教育概述

STEM教育源于美國，是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門學(xué)科的簡稱，而后隨著學(xué)者的進一步研究，加入了藝術(shù)，成為STEAM教育。在本質(zhì)上，STEM和STEAM一脈相承，均強調(diào)多學(xué)科的交叉融合。STEM教育并不是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的簡單疊加，而是將四門學(xué)科組合成一個有機整體，以更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實踐能力。由此可見，無人機課程的綜合性與STEAM教育的跨學(xué)科性十分契合。STEAM教育與無人機教學(xué)的融合體現(xiàn)在兩個方面：一是在課程內(nèi)容上，關(guān)注學(xué)科融合和多元素的交織；二是在教學(xué)實施上，開展問題式的教學(xué)實踐，教師在“確定結(jié)果和模糊任務(wù)”中，引導(dǎo)學(xué)生嘗試使用多種解決方案，發(fā)展學(xué)生的思維和提升學(xué)生的問題分析能力。

總之，基于STEAM教育理念看待無人機課程的實施，就是要從學(xué)科融合的視角出發(fā)，設(shè)計綜合主題，開展問題式教學(xué)，在問題中逐步培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)知識的認知、對技術(shù)工具的操作、對工程結(jié)構(gòu)的認識以及對藝術(shù)設(shè)計的審美；在實踐過程中增強學(xué)生的問題解決能力、動手實踐能力和創(chuàng)新思維能力，以提高學(xué)生對未來的適應(yīng)力、生存力和創(chuàng)造力。

三、無人機課程的構(gòu)建

（一）課程形式及內(nèi)容

無人機課程的實施，主要采用了問題式教學(xué)方法，通過分主題的探索，引導(dǎo)學(xué)生在“確定結(jié)果和模糊任務(wù)”中探究路線，掌握理論知識、實踐操作，進而形成問題解決能力、動手實踐能力和創(chuàng)新思維能力。課程的基礎(chǔ)內(nèi)容包括理論知識和實踐操作兩個部分，在內(nèi)容組織上融合了STEAM理念，以主題的形式連接知識點。無人機課程內(nèi)容體系如表1所示。

（二）課程實施

1. 教學(xué)環(huán)境

無人機課程的實施依托深圳市南山實驗教育集團南海中學(xué)的人工智能實驗室，實驗室配備的大疆無人機支持自主編程，自身集成了TOF傳感器、氣壓高度識別傳感器，兼容了其他類型的傳感器，能夠滿足多樣化的功能設(shè)計需求，為課程開展提供了硬件保障。

無人機教學(xué)的開展，采用了問題式教學(xué)形式。問題式學(xué)習(xí)是以任何問題為驅(qū)動的學(xué)習(xí)環(huán)境，研究表明，問題式教學(xué)對提高問題的解決能力具有積極意義。本研究以Barrow提出的問題式教學(xué)活動模式，開展無人機教學(xué)活動，包括引入真實情境—提出問題—案例體驗—問題探究—展示交流五個環(huán)節(jié)，如圖1所示。

（1）真實情境關(guān)聯(lián)社會生活生產(chǎn)問題

生活情境圍繞社會生活生產(chǎn)的現(xiàn)象，包括無人機在農(nóng)業(yè)建設(shè)、工程建設(shè)、社會生產(chǎn)等方面的探索與實踐，引導(dǎo)學(xué)生從真實現(xiàn)象中產(chǎn)生創(chuàng)新設(shè)計的想法，并進行探究。

（2）問題提出，細化功能的實現(xiàn)

問題的提出圍繞功能的實現(xiàn)進行，教師帶領(lǐng)學(xué)生分析要解決的具體問題，并逐層細化。

（3）案例體驗，具化模糊知識

在案例體驗環(huán)節(jié)，教師讓學(xué)生從抽象的想象回到現(xiàn)實的觀察中，對此教師需要明晰功能，細化方案，并通過提供KWL反思性支架，從know—want—learned的路徑出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生明確完成相關(guān)實踐需要掌握的知識。

（4）問題探究產(chǎn)生實踐成果

問題探究環(huán)節(jié)以小組的形式開展，教師提供知識與實踐幫助手冊，學(xué)生根據(jù)設(shè)計的方案逐步實現(xiàn)測試，教師給予針對性的指導(dǎo)。

（5）展示交流，共享知識經(jīng)驗

展示交流環(huán)節(jié)以小組形式開展，引導(dǎo)學(xué)生從整體功能設(shè)計到具體編程的實現(xiàn)等方面介紹作品，形成想法分享與交流的良好氛圍，促進團隊的合作。

2. 評價標(biāo)準

無人機課程實踐的評價從整體設(shè)計、功能實現(xiàn)和想法創(chuàng)新三個層面進行，即評價學(xué)生的作品在解決社會生活生產(chǎn)問題方面的創(chuàng)新設(shè)計，評估功能的實現(xiàn)程度以及技術(shù)的應(yīng)用，評價學(xué)生在團隊合作中的表現(xiàn)。

四、無人機課堂的教學(xué)實踐

本文選取了無人機課程規(guī)劃中的“智慧農(nóng)業(yè)”主題開展教學(xué)實踐，根據(jù)設(shè)計的教學(xué)策略，組織“智慧農(nóng)業(yè)”主題活動，從學(xué)生的角度出發(fā)，評價無人機課堂的實踐效果，并優(yōu)化教學(xué)策略。

（一）教學(xué)主題

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展有諸多技術(shù)參與的可能，該主題能夠引導(dǎo)學(xué)生更好地將無人機技術(shù)與社會生活生產(chǎn)相聯(lián)系，在案例體驗和實踐中掌握無人機的相關(guān)知識，感受無人機的意義和價值。

（二）教學(xué)過程

真實情境：“農(nóng)場主小劉有一片農(nóng)田，農(nóng)田里種植了許多農(nóng)作物，有土豆、西瓜和其他各種蔬菜。小劉每天都要對農(nóng)田進行澆水，還要定期施肥、除蟲，每次都要忙大半天。現(xiàn)在小劉想再多買幾畝地，再種植一些番茄，但是每天澆水、施肥，已經(jīng)讓他沒有時間和精力再擴大種植規(guī)模，現(xiàn)在的他非常苦惱，你有沒有辦法利用無人機技術(shù)幫幫農(nóng)場主呢？”

在課堂上，教師通過上述情境，引導(dǎo)學(xué)生思考無人機技術(shù)在農(nóng)場管理中應(yīng)用的可能性，讓學(xué)生以小組的形式開展討論。教師通過分析課堂數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生能大膽設(shè)想，思考如何利用無人機進行澆水、施肥，提出無人機技術(shù)在智慧農(nóng)場播種、監(jiān)測中的各種應(yīng)用可能，如表2所示。

學(xué)生通過無人機技術(shù)在農(nóng)場中的應(yīng)用設(shè)想，提出了解決農(nóng)場主問題的方案，就是讓無人機進行定時的澆水和施肥。基于此，教師提出探究問題：

1. 如何控制無人機的定時起飛；2. 如何控制無人機按照固定路線進行澆水、施肥；3. 如何控制無人機回到起點降落。

在引出探究問題的基礎(chǔ)上，教師演示案例，引導(dǎo)學(xué)生觀察、分析功能實現(xiàn)的具體過程，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)手冊上完成KWL分析表，列出要解決的問題以及需要掌握的知識，如表3所示。

通過KWL分析表，學(xué)生明確了問題和需要掌握的知識，教師在此基礎(chǔ)上提供資料，引導(dǎo)學(xué)生掌握無人機定時起飛、挑戰(zhàn)卡識別以及航線規(guī)劃的知識，各小組按需學(xué)習(xí)，并開展問題探究。結(jié)果表明，學(xué)生設(shè)計的程序，實現(xiàn)了無人機的定時起飛和巡航施肥。

（三）評價與反思

通過分析“智慧農(nóng)場”課堂可知，各小組能夠在規(guī)定時間內(nèi)探究并實現(xiàn)無人機在智慧農(nóng)場的定時巡航澆水、施肥，表明了教學(xué)策略的合理性。真實情境的導(dǎo)入，激發(fā)了學(xué)生的好奇心；功能設(shè)想活動，滿足了學(xué)生的想象力；KWL分析表，引導(dǎo)學(xué)生明確、了解決問題的知識空缺；學(xué)習(xí)資料的提供和教師的指導(dǎo)，讓學(xué)生有余力去探究問題。根據(jù)最終的作品評價可知，各組學(xué)生均達成了學(xué)習(xí)目標(biāo)，并有了進一步的拓展想法和實踐愿望。

參考文獻：

［1］ 錢穎一. 以人為本 回歸教育本源［J］. 中華家教，2019（06）：46-47.

［2］ 李婧，王志麗，楊森. 小型無人機制作與飛行訓(xùn)練課程教學(xué)設(shè)計思考［J］. 中國現(xiàn)代教育裝備，2020（15）：61-62+65.

［3］ 相曉嘉，周晗，牛軼峰，等. 無人機任務(wù)規(guī)劃課程設(shè)計與實踐［J］. 計算機教育，2021（11）：54-57.