基于乐高机器人的STEM教学设计与实施

2019-03-05华东师范大学教师教育学院200062姜浩哲

中小学实验与装备 2019年1期

华东师范大学教师教育学院(200062) 姜浩哲

香港大学教育学院(999077) 李洁

1 引言

STEM是Science(科学)、Technology(技术)、Engineering(工程)和Mathematics(数学)四门学科英文首字母的缩写，许多研究表明基于项目或问题开展融合的STEM教育能有效激发学生学习兴趣、内在动力，增强学生探究乐趣、创新能力。随着信息技术和人工智能的快速兴起，基于计算机编程和机器人的教学活动因学科交融性、实践操作性而被认为是开展STEM教育的重要途径之一。有鉴于此，我们以乐高机器人为载体，从ADDIE模型出发对STEM教学活动内容进行设计和实施。

2 教学设计

关于乐高EV3(LEGO Mindstorms EV3)进行STEM教学国外早有研究，如美国普林斯顿走读学校(Princeton Day School)就曾对1至12年级学生应用乐高EV3进行教学并评估了不同阶段学生STEM技能发展水平。这是一款可被拼砌、编程和遥控的智能机器人，能通过ROBOLAB等编程软件的模块化形式将程序直接导入其中。在培养学生计算思维，信息技术核心素养时，教师应注重任务驱动、强调自主学习。根据乐高EV3的三大主要功能，教师在教学中能相应地以主题活动的形式要求学生完成任务“三部曲”：设计组装或拼砌机器人、学习和使用简单的编程语言为机器人制定一系列动作、在机器人执行程序时适时遥控调整。在此过程中，学生能在任务驱动下或通过教师讲解、或通过合作探究获得STEM知识和素养，表1展示了STEM教学活动任务清单。值得一提的是，教学活动相关的STEM知识和素养内容可以根据学生学段进行适当选择和调整。例如，在“主题活动前奏：小小工程师”环节中，小学阶段教师在展示相应机械手臂图片时可能只是简单地向学生介绍杠杆原理，而初中阶段教师则可以要求学生进行定量计算。在“主题活动高潮：智慧规划师”环节中，小学阶段教师仅要求根据测量与统计的结果简单比较每完成1个区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ内的杯子载货任务得分与所耗时间的比值，高中阶段教师则可以介绍运筹学的相关知识，并要求学生考虑“一次性成功载货”的概率。从这个意义上说，主题活动任务的难度是可选择的，教学设计具有较好的灵活性和较广的适用性。

表1 STEM教学活动任务清单

在常规教学中，学生可能会认为STEM理论知识十分乏味，但是通过主题建构实现任务驱动，学生为了能在十分感兴趣的实践性环节中大显身手，学习情感和学习态度必然就“非同往日”，教学效果不言而喻。

3 教学实施

在系统化教学中ADDIE模型常被广泛应用，主要包括分析(Analysis)、设计(Design)、开发(Develop)、执行(Implement)和评估(Evaluate)5个环节。我们将ADDIE模型作为研究的理论基础，结合基于乐高机器人的教学设计，提出表2中的教学实施流程，并对上海市中远实验学校六年级两个班级共计89(男生47名，女生42名)名学生进行了教学实践。

表2 ADDIE模型教学实施流程

课前调查分析发现，17%学生在教学之前已经对机器人有所接触，11%的学生学习和了解过计算机编程。对于70%以上的学生，基于机器人的STEM内容是十分陌生的。但调查同时发现，当提及“STEM”“机器人”“编程”等词语时，38.2%的学生表示感兴趣，21.3%的学生明确表示不感兴趣。

课前的学生调查情况并不理想，为此对已有的教学设计做了适当调整。首先，考虑到大部分学生对相关内容毫无理论基础和实践经验，我们增加了教师人数，在每个班级的教学中均安排了5位教师，其中一位教师负责基本知识讲授，三位教师负责在学生操作过程中答疑，还有一位教师负责学生设计、比赛结果的评价，师生比控制在1∶9以内。其次，结合学生基础情况和兴趣水平，进一步降低了教学设计部分理论和实践环节的难度，以适应六年级学生的学情。第三，补充开发了“学生学习单”“抢杯子大赛地图”“设计师手册”等电子资源和纸质卡片，进一步增加趣味性、新颖性。

教学实施中，教师以启发式教学为主，注重引导学生探索、创新、总结，同时运用了较多元认知提示语，如“你认为还有什么可以改进的地方”、“你们两位同学的测量结果相差较大，你认为仅仅测量一次能代表准确结果吗”等。但是在教学实施也存在部分问题，例如在学生完成取货挑战任务的过程中，出现机器人行驶至载货区域放下手臂后不再运动的现象，而学生的编程其实并没有问题，这是因为学生将控制中型电机的模块设置时间过长，中型电机无法向上或向下运动而致使程序出现了卡顿。教师未在备课环节考虑到这一情况并在教学中提前做出引导，使得部分学生未能成功完成取货任务。

课后评估问卷显示，80%的学生表示对本堂课的学习内容感兴趣，其中47.2%的学生表示十分有兴趣，仅有3.4%的学生表示不感兴趣，这一结果与课前测试相比变化显著。究其原因，大部分学生认为基于乐高机器人的STEM课程新颖、有趣，且教学中的程序设计环节提升了自己的想象力、创造力。也有学生认为机器人能完全按照自己设计的路线行驶，很有成就感。同时，还有86.5%学生表示认同这种在教师引导下的学习探究和交流合作活动。

4 教学启示

4.1 规范教学实施，聚焦核心素养

ADDIE模型是近年来开展教学实施的重要范例，其注重学情分析、效果评估，有利于针对性地开展教学，促进教师专业发展。在ADDIE模型框架下分析、设计、开发、执行和评估的5个阶段中，我们特别聚焦学生的核心素养，尤其是以计算思维为代表的多学科核心素养。一方面，智能计算思维是数学核心素养的重要组成部分，我国《义务教育阶段数学课程标准(2011年版)》中就明确指出，数学与计算机技术的结合在许多方面直接为社会创造价值，推动着社会生产力的发展。另一方面，计算思维也是信息技术学科核心素养的重要组成部分。此外，5个阶段均注重在学生问题解决过程中培养学生协作能力、交流能力、创新能力、探究能力等核心素养。例如，教学设计中建构三大主题活动，教学实施中运用启发式教学法，教学评估中总结学生兴趣变化原因等。