STEAM理念下机器人拓展性课程主题学习活动的设计与实施——以“机器人足球赛”为例

一、问题的提出近几年STEM 教育逐步普及,从STEM 到STEAM(加入艺术ARTS),再到STREAM(加入读/写能力Read⁃ing/Writing),笔者经过大量的文献分析和课堂观察,不难发现STEAM 教育并不是几门学科的简单叠加,它是一种教育理念,是一种教育新生态,这种理念抑或生态是包容的、开放的、融合的。

这种理念非常适合渗透在中小学机器人拓展性课程中,因为机器人本身融合了电子信息、计算机、工程、物理等多学科知识,具有综合性、实践性和创新性,同时拓展性课程又是基础性课程的延伸、补充和拓展,相对来说教师在课程内容、课堂形式、教学评价等方面拥有更多的自主选择权。

因此,在机器人拓展性课程的教学实践中,教师可以融合STEAM 理念根据学生特点大胆尝试探索,通过主题活动带动不同学科的融合,进而培养学生的综合素养和解决问题的能力。

二、机器人足球赛主题学习活动的设计理念机器人拓展性课程的授课对象是选修该课程的18名学生,其中男生17名,女生1名。

他们都是根据自己的爱好进行自主选课,截至目前已经连续选学3个学期(每学期15课时,每课时90分钟),累计选学45课时,具备了一定的知识技能,而且在日常生活中他们也比较喜欢球类运动,对球类竞赛很感兴趣,因此本课时以此为切入口,在STEAM 理念引领下开展“机器人足球赛”主题学习活动,旨在培养学生的问题解决能力和综合素养,活动设计框架如图1所示。

机器人足球赛不提供现成的机器人,需要学生动手搭建,搭建好后还要想办法让机器人动起来,并且还要处在自己的遥控中,最终实现灵活操控机器人,争取控球并进球,从而赢得比赛。

显然这一过程单单利用某一学科知识是不足以解决问题的,因此学生就要思考利用技术、科学、数学等知识解决这些问题,在综合运用多学科知识中不断提高解决问题的能力,逐渐实现跨学科知识的综合应用。

机器人足球赛本身具有对抗性、挑战性,在比赛中无论哪一方都想多进球战胜对方,比较符合学生的身心特点,与学生的生活实际有紧密联系。

因此能够很好地激发学习动机,从而调动学生的积极性,实现以赛促学,寓教于乐。

而在比赛争夺中学生必须综合运用多学科知识,通过设计、编程、调试等一系列手段解决遇到的实际问题,最终在搭建机器人和解决问题中获得成就感,在参与实践和竞赛体验中获得快乐感。

*基金项目:全国教育信息技术研究“十三五”规划重点课题“基于STEAM 的小学机器人拓展课程的设计与实施”(编号:173320006)。

STEAM 理念下机器人拓展性课程主题学习活动的设计与实施*———以“机器人足球赛”为例刘朋飞(杭州市文渊小学,浙江杭州310015)摘要：近几年,国内外STEAM 教育备受关注。

作者在STEAM 理念引领下,依托拓展性课程开展机器人主题学习活动,活动的设计突出跨学科、趣味性、体验性、情境性和协作性特点,课堂教学中通过“创设情境”“引入主题”“分析任务”“协作探究”“反思总结”等环节,引导学生发现问题、分析问题和解决问题,旨在培养学生的问题解决能力和综合素养,也为今后编写机器人拓展性课程教材提供了参考。

关键词：STEAM ;机器人;拓展性课程;主题学习活动中图分类号：G623.58文献标志码：A 文章编号：1673-8454(2019)02-0039-04图1机器人足球赛主题学习活动的设计框架在教师的引导下学生自主探究机器人的设计搭建,必要时教师进行新知讲授或技能示范。

学生在参与中动手动脑,设计、建构、实践、合作,运用技术、科学和数学等学科知识解决诸如搭建编程、调试实践、策略分析等问题,从而在解决问题的过程中体验并习得过程性知识,在合作探究和比赛过程中感受团队通力协作的重要性,在操控机器人中体验参与的成就感和快乐感。

结合机器人足球赛,把蓝牙技术、编程思想、搭建方法、遥控技巧等知识技能转化为有趣的、具有挑战性的问题,比如怎样遥控机器人,怎样帮助机器人灵活地控球等等。

面对这些问题,学生需要把所学的知识进行情境化的应用。

此外,足球赛是动态的,所处的情境也是变化的,这就需要学生不断联系已有知识经验,分析、判断、应对突如其来的问题,从而在不同的情境中学习知识、迁移知识、应用知识,最终灵活地解决问题。

机器人足球赛很容易使学生联系到生活实际,知道足球赛中团队协作的重要性,队员之间只有默契协作,才有赢得比赛的可能。

学生进行机器人足球赛,需要做很多前期准备工作,比如海报设计、规则制定、机器人搭建调试等等,而这些任务要想一个人完成很难,学生需要学会合作,相互之间要进行交流与讨论,在头脑风暴中相互帮助、学习、启发、改进,从而实现群体性知识建构与重构,最终协作完成任务。

三、机器人足球赛主题学习活动的实施机器人足球赛主题活动流程见图1,具体如下:播放“世界杯足球赛”视频片段,让学生感受比赛氛围,激发兴趣,引导学生思考回答两个问题:假设你是本次比赛的主办方,那么要想组织这场比赛你需要做哪些准备工作?假设你是参赛的队员,那么要想赢得比赛,你需要怎么做呢?引入本次课的活动主题“机器人足球赛”,学生分析思考:组织并参与机器人足球赛需要做哪些准备工作?随后明确“设计海报”“制定比赛规则”“布置场地”“撰写解说稿”“搭建机器人”“程序设计”“遥控机器人”等任务,具体见表1。

面向全体学生(工作人员和参赛选手),分析哪些任务学生联系已有知识可以自主探究完成,哪些任务需要新知铺垫,为学生搭“脚手架”,引导学生尝试操作,并及时反馈评价,确保全体学生习得新知新技能,这样才能顺利地进行接下来的机器人足球赛。

比如机器人的搭建,教师只需引导学生改装“移动基座”,加装踢球的“脚”等等;比如蓝牙遥控,学生从来没有接触过,因此需要教师讲解示范使用蓝牙遥控的方法,为学生协作完成后续的程序编写、遥控机器人提供帮助。

海报,要求海报主题鲜明、美观大方。

海报的设计在黑板上完成,让黑板不再专属教师,给学生“占领”讲台的机会,使学生拥有充分的自主设计权,设计时可以网上查阅资料用以借鉴参考,但建议学生在设计时要集思广益,充分征求大家的意见。

(2)制定比赛规则。

机器人足球赛比赛规则由主裁判全权负责,要求比赛规则合理、表述简明扼要。

两名主裁判根据实际情况协商制定,可以参考球类比赛规则,也可以现场上网查阅资料,但要求主裁判用白板笔把规则写在白板上,向所有队员公示,在征询和采纳合理的意见和建议后,修改完善并最终确定。

(3)撰写解说词。

解说员负责机器人足球赛的现场解说,要求思路清晰,解说词简练精辟,语言表达清楚,话筒等道具自制。

解说员可以查阅相关资料,观看相关比赛视频,模仿央视知名解说员解说,来熟悉解说的基本技巧,并事先做预设,拟好解说词草稿,再根据现场的赛况临场发挥(见图3)。

(4)搭建机器人。

队员自由搭配两两一组,协作搭建用于比赛的机器人,可以参考熟悉的“移动基座”结构,对其改装使之能够“踢球”,也可以重新设计,自主探究创新机器人结构。

但要求机器人结构牢固,大小符合规定,高度不限,长不超过25cm,宽不超过20cm,使用材料不限。

图2机器人足球赛主题学习活动的实施流程表1“机器人足球赛”任务分工角色扮演工作人员(6名)参赛选手(12名)策划人(2名)裁判员(2名)解说员(2名)队员(共两队,每队各6名)任务职责设计海报、布置场地、协助裁判制定比赛规则、现场比赛判罚撰写解说词、现场解说比赛搭建机器人、设计程序程序、调试机器人、参加比赛STEM 专栏图3学生拿着“话筒”在解说球赛(5)设计程序。

机器人足球赛是实时的、动态的,球的位置是不断变化的,事先无法预设机器人的行走路线,现有条件下可行的办法是遥控机器人,因此机器人程序设计的重点和难点是蓝牙遥控,教师通过讲解示范,引导学生启动蓝牙,配置参数,连接配对,编写发送端和接收端程序,从而实现手动遥控机器人的前进后退和移动转向,学生根据比赛实际需要加以巩固和应用,见图4。

(6)调试机器人。

将编写完成的程序下载至EV3控制器中进行试运行,检验程序是否正确,能否达到灵活遥控机器人的效果,这个过程经常会出现很多问题,鼓励学生做一个“爱迪生式”的发明家,发现问题,分析问题,讨论协商解决问题,循环往复地实践探究,实在解决不了的问题再向教师寻求帮助。

各队机器人调试成功后,解说员、裁判员、参赛选手准备就绪,一场由学生自导自演的机器人足球赛拉开序幕。

在比赛过程中学生会发现,很多突发问题会出现,而这些问题他们事先难以预料,比如,机器人剐蹭零件脱落、机器人突然不听指挥、比赛规则漏洞、判罚争议等等。

一旦出现这些状况,对于参赛队员来说,需要快速查找问题,应用所学知识技能加以分析处理,不断修改程序、完善机器人结构,同时,还要提高配合默契度、调整战术,直至经得起实战检验;对于裁判员来说,现场的状况远远比预想的要复杂,突如其来的问题促使他们反思,规则需要补充和修订,更要合理,直至被大家认可,判罚也要公正公平,争取无争议,努力把申诉次数降到最低;对于解说员来说,实时动态的比赛存在很多不确定性,需要根据现场状况随机应变,语言的组织、解说的思路都需要不断调整更新。

四、总结与反思”开展学习活动,注重培养学生综合实践能力,因此,在“机器人足球赛”主题学习活动中,倡导教师是引领者,学生才是实践者。

教师要给学生提供更多的动口、动手、动脑的机会,让学生充分“动”起来,只有“动”起来,学生才能发现问题、分析问题,从而真正地解决问题。

当学生在探索实践的路上走偏、走错,或者停止不前、举步维艰的时候,教师要及时介入,把学生“拉”回来,引领学生朝着正确的方向探索前进。

比如,通过程序编写实现遥控机器人这一内容,对于学生来说是新知,是难点也是重点,学生想要自己探索出来难度非常大,这时教师就应该适当介入,通过讲解示范,使学生掌握蓝牙配置的方法、程序编写的基本思路,而对于各个模块的属性、参数值设置等问题,则应鼓励学生在实践中“试误”。

”,STEAM 教育也非常注重团队的协作,强调团队之间的相互启发、相互作用。

因此,根据“机器人足球赛”主题学习活动的内容,将学生分成若干个小组,每个小组人数不宜过多,一般2至3人,学生之间开展小组协作,组内组间相互交流,相互学习,遇到问题同伴之间相互讨论,协商解决,碰到“冲突”难以解决的,教师再给予适当帮助。

比如,在机器人搭建的时候,教师不提供完整的搭建方案,学生依据规格、功能等标准自主设计搭建,同伴之间需要思考、协商,通过讨论把想法表达出来,把理由说清楚,努力找出“最佳”方案进行搭建。

在讨论过程中,有时会因为某一问题而僵持不下,意见迟迟不能达成一致,彼此都希望说服对方按照自己的想法做,他们不得不更深入地思考、分析、表达,争取让对方“妥协”,如果还没有“妥协”,教师应介入,提出意见供学生参考,帮助学生抉择,从而提高学生之间的协作效率。