“科”與“技”并重，“探究”與“創新”齊抓

【摘 要】《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》的頒布，對信息科技課程提出了新理念、新內容和新要求，為信息科技課程邁向新的發展階段指明了方向。本文分析虛擬機器人A-STEM課程的育人價值，并提出新課標理念下的虛擬機器人A-STEM教學策略（IRISO），倡導信息科技教師在機器人課程教學中注意“科”與“技”并重，將“探究”與“創新”齊抓，培養出懂“科學”、曉“技術”、敢“探究”、會“創新”的高素質人才隊伍。

【關鍵詞】教學策略；IRISO；虛擬機器人

【中圖分類號】G434? ?【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2023）09-051-03

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）的頒布，更新了課程理念，提出要遴選科學原理和實踐應用并重的課程內容，提高學生數字化合作與探究的能力，發揚創新精神[1]。面對新課標的新要求，傳統的機器人編程課程該如何變革？筆者結合課題研究實踐，梳理分析虛擬平臺下機器人A-STEM課程的育人價值，提出新課標理念下的虛擬機器人A-STEM教學策略。

虛擬平臺機器人A-STEM課程的育人價值

1.貫徹新課標的育人理念

習近平總書記指出：“我國科技發展的方向就是創新、創新、再創新”，而培養具有創新能力的人才是廣大教育工作者的重要使命。提高數字化合作與探究的能力，發揚創新精神是信息科技課程的目標之一[2]。虛擬平臺機器人A-STEM課程是以數字化虛擬平臺做支撐，以人文為引領，融合了科學、技術、工程和數學的跨學科課程，是培養人才創新能力的教育新方式。該課程既有科學原理，又有實踐探索，體現了“科”與“技”并重[3]，同時教學中倡導“探究”與“創新”齊抓，發展團隊合作與實踐探究的能力，逐步培養創新型人才。

2.培養更多的創新型人才

傳統的實物機器人因設備昂貴，往往只有參加競賽的個別學生才有機會學習，而虛擬平臺提供的數字化學習環境，讓所有學生都有機會參與機器人的學習和探究。虛擬機器人平臺采用虛擬現實技術及機器人仿真技術手段，對生活中的交通場景進行三維模擬，為A-STEM教育提供了可以反復進行工程設計、實驗觀測、互動交流和實踐探究的機會。通過此平臺，每個學生都有機會模仿科學家和工程師經歷發現問題、分析問題、解決問題的過程[4]，科學探究精神和創新能力得到培養。

新課標理念下的虛擬機器人A-STEM教學策略

新課標對信息科技課程的教學提出了新的要求，為此，虛擬機器人A-STEM課程的教學也要做出相應的變革。一套好的教學策略的關鍵是要用合適的環節將教學過程靈活串起來，讓學生樂于在其中探究和實踐，愿意在其中創新。筆者在借鑒國內外A-STEM課程的經典文獻、優秀案例及優秀教學模式的基礎上，設計出了虛擬平臺的機器人A-STEM教學策略（IRISO）。其具體分為問題引入、資源互動、實踐探究、成果分享和反思優化五個環節。

1.問題引入（Issues）：以問題為導向

這一階段是從學生學情出發，以學生已有的知識技能和經驗為起點[5]，設計一系列有一定難度的劣構問題吸引學生，引導學生發現現實問題，聚焦人文意義，引發探究愿望，并讓學生在探究中不斷嘗到成功的喜悅[6]。教師在課堂教學中要以問題為導向，靈活運用多種方法，結合每節課的主題引出要研究的問題，通過問題激發學生積極探究的興趣，培養學生的問題意識。學生的學習以解決問題為主線，以問題解決為直接目標。

教師在課堂上要引導學生逐漸形成分解大問題、生成小問題的能力，即能夠將復雜的大問題分解成有條理、有層次的小問題，通過解決小問題實現目標問題的解決。例如，某節課的目標問題是要求學生根據需求設計出一輛汽車結構模型。這個大問題就可以分解成多個小問題，如汽車的車頭、車身、車尾分別用哪些結構件，用哪種電機做動力系統，采用哪種摩擦系數的輪胎等。

2.資源互動（Resource）：以資源為支架

美味佳肴的烹飪需要好的食材，學生高效學習同樣需要優質的資源。在資源互動環節，教師要從學生的學習需求出發，結合每節課的目標問題提供各類豐富的資源包，如可以融入跨學科知識，形成核心知識點、操作類微課、實驗項目單等資源庫，為學生在認知負荷合適度范圍內建立起配套的學習支架。

有了資源為支架，學生每節課都是學習的主體，通過虛擬3D平臺場景化、游戲化的界面，他們具有強烈的學習動機和濃厚的學習興趣，能快速進行自主學習，獲取相關的新知識，同時將新知識和自己已有的知識、元認知知識等進行認知互聯，形成解決問題的鏈條，并根據自己的理解撰寫出問題的初步解決方案或繪制出設計草圖。然后，小組同伴一起討論交流，初步形成解決問題的思路辦法（圖1）。

例如，針對汽車結構的設計這節課，教師提供的資源包可以包括物理方面重心、摩擦力的知識，藝術方面汽車外觀設計知識，技術方面各結構件如何拼接的視頻等。學生掌握這部分新的知識點后，可以與生活中的知識進行互聯，如大型卡車、小轎車、SUV等不同車型因重心不同帶來的不同的乘坐體驗，由此更能加深他們對知識理解的深度，形成自己的觀點，再通過小組內的互動交流，集思廣益，從而得到初步的解決問題的辦法。

3.實踐探究（Inquiry）：在實踐中探究

實踐是檢驗真理的唯一標準。學生形成的初步方案是否可行？是否是目標問題的最優解決辦法？設想和實際情況存在哪些差異？設計的結構是否合理？設計的程序是否是高效的算法？這些問題都需要在虛擬平臺中逐個實踐探究、逐條檢驗、逐項“求真”。

在實踐探究環節，每個小組都是自己方案的檢察官，都需要在虛擬平臺上檢驗論證自己方案的可行性、信度和效度。他們需要逐步學會觀測和分析反饋的數據信息，并據此修改方案，然后繼續開啟新一輪的實踐探究活動。即從測試、觀察、分析、修改，到再測試、再觀察、再分析、再修改，學生經過反復多次地實踐探究，不斷完善問題解決的方案，不斷朝著問題最優解的方向前進，直到完美解決問題。

例如，為了研究讓無人駕駛汽車實現在賽道中間自動行駛的問題，學生就經歷了從繪制草圖、設計結構、設計程序到測試效果、觀察數據、分析數據，再到修改結構、修改程序，再到再次測試……如此反復不斷地優化方案，先后形成了眾多研究版本。每一次問題的解決，既讓學生嘗到了成功的喜悅，同時又可能出現新的問題，進而進入新問題的求解過程。這個環節能不斷深化學生對問題的理解，不斷改進自己的方案，在實踐中探究、在探究中創新。

4.成果分享（Sharing）：在分享中成長

成果分享環節是必不可少的，往往也是最精彩的環節。這個環節是一場思維碰撞的盛宴，就像暖春里的花園，百花齊放、百鳥爭鳴，每個學生都能在分享和傾聽中收獲成長。經過前一階段的實踐探究，每個小組都形成了一系列多版本的問題解決方案。如何將本組研究成果準確地展示給其他小組？別的小組又是如何解決這個問題的？講臺是各小組展示分享研究成果的舞臺，既能鍛煉每個學生的口才演講能力、多維互動能力，又能鍛煉他們敢于批判和質疑的精神。

如同樣是為解決路上障礙物的問題，有多個小組都想到了將障礙物推開的方法，但每個組的做法卻又不同，有的小組將車頭設計成叉車形狀（推過去），有的小組將車頭設計成三角箭頭形狀（擠過去），還有的小組在車頭兩側裝滑輪（滑過去）。我們甚至驚喜地發現有的小組居然想到了給汽車車頭裝上傳感器，這樣無人駕駛汽車就能像擁有眼睛一樣隨時觀測前方的路況，一旦發現障礙物則轉個彎繞開（繞過去），如圖2所示。

不同的設計思路、不同的解決方法，組成了一場“思維”交響樂，讓學生大開眼界、大飽耳福。每一種方法都是各組的創意結晶，都經過了實踐檢驗，每一個有創意的想法，都值得被鼓勵，學生的“創新”思維逐漸騰飛。

5.反思優化（Optimizing）：在反思中升華

他山之石，可以攻玉。通過上一環節的成果分享，每個學生都經歷了一場思維大碰撞，都能從別的小組中學習新的知識、新的理念、新的方法。如學生搭建的汽車結構基本上都是不一樣的，使用的傳感器也不盡相同，安裝的角度更是五花八門，而實際運行中的效果更是千差萬別[7]。正是這么多不一樣的想法，不一樣的方案，為學生打開了“創新”的大門，“創新”的靈感就像雨后春筍那樣爭先恐后地在他們的腦中冒出。學生開始自我反思：自己的方案和同學的相比，分別有哪些優缺點？有哪些優秀的做法是可以引入到自己方案中的？哪些好的經驗是值得自己借鑒的？我還可以做得更好嗎？圍繞這些問題，他們迸發出要進一步改進方案的沖動，再通過平臺的仿真測試，在實踐中不斷調整，不斷重組優化，最終尋求更優的解決問題的方案。精益求精的工匠精神和鍥而不舍的探究精神就這樣在潛移默化中逐漸形成。反思優化環節，既是方案的升華，也是思維的升華，更是人才培養的全面升華。

結? 語

筆者所在學校開設的無人駕駛機器人A-STEM課程從社團課小班教學到常規課的大班化教學，發展到全區多個學校聯合推廣教學，深受學生的喜愛。實踐證明，該課程IRISO的教學策略是行之有效的。信息科技新課標的頒布既是機遇，也是挑戰。廣大信息科技教師在教學中要注意“科”與“技”并重，將“探究”與“創新”齊抓，為培養出更多懂“科學”、曉“技術”、敢“探究”、會“創新”的高素質人才貢獻自己的力量。

注：本文系廣東省教育研究院第二批STEM教育專項研究重點課題“無人駕駛機器人A-STEM 課程教學策略研究”（立項號：GDJY-2020-S-a007）階段性成果和廣東省黃強名教師工作室教研成果

參考文獻

[5] 盧秋紅. 信息科技課程標準相關熱點問題解析——專訪教育部義務教育階段信息科技課程標準研制組組長熊璋教授[J].中小學信息技術教育，2022（6）： 24-26.

中華人民共和國教育部. 義務教育信息科技課程標準（2022年版）[S]. 北京：北京師范大學出版社，2022.

熊璋.“科”“技”并重：義務教育信息科技課程標準解讀——訪義教信息科技課標組組長熊璋教授[J]. 中國信息技術教育，2022（9）： 4-7.

葉小輝. 基于A-STEM的無人駕駛課程研究[J]. 中國信息技術教育，2019（7）： 17-19.

吳向東，王繼華. 面向高質量STEM教育的鳶尾花教學模式[J]. 中小學數字化教學，2017（1）： 49-52.

葉小輝，方金翠，楊帆. 虛擬機器人課程在中小學的實踐[J]. 教育信息技術，2020（3）： 62-65.

作者單位：廣東深圳市龍崗區同心實驗學校

編? ?輯：馮艷艷