基于STEAM的中小學(xué)能力風(fēng)暴機(jī)器人教學(xué)模式研究

1、基于STEAM的中小學(xué)能力風(fēng)暴機(jī)器人教學(xué)模式研究在教育全球化和信息化不斷發(fā)展的今天，來(lái)自美國(guó)的STEAM教育理念在我國(guó) 發(fā)展的如火如荼，來(lái)自教育部的文件也將其作為一種“跨學(xué)科學(xué)習(xí)的、具有創(chuàng)客 思維的"新模式而積極的鼓勵(lì)推廣。機(jī)器人教育，它是眾多學(xué)科領(lǐng)域的結(jié)合體， 由多種傳統(tǒng)學(xué)科組成，包括物理學(xué)、建筑學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等等，培養(yǎng)了學(xué) 生的組合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，是STEAM教育理念的有機(jī)產(chǎn)物。但是我國(guó)的機(jī)器 人教育目前來(lái)說(shuō)處于一個(gè)剛剛起步的狀態(tài)，大部分以競(jìng)賽為主，尚未走入常規(guī)課 堂，教學(xué)設(shè)計(jì)模式還不成熟。因此，在STEAM教育理念的大思潮下，研究并設(shè)計(jì)出一種符合學(xué)生特點(diǎn)的基于 ST

2、EAM的機(jī)器人的教學(xué)模式是十分有必要的。一、STEAM教育理念STEM的概念誕生于20世紀(jì)80年代，最初是由美國(guó)政府所提出的教育倡議、 目的是為推進(jìn)美國(guó)K12關(guān)于科學(xué)(Science )、技術(shù)(Technology )、工程 (Engineering)以及數(shù)學(xué)(Mathematics)的教育，加強(qiáng)學(xué)生在科學(xué)、技術(shù)、工程和 數(shù)學(xué)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)和發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)，從而提升其在全球的競(jìng)爭(zhēng)力。而 STEAM是近年來(lái)美國(guó)在STEM的概念上乂加入的一個(gè)關(guān)于藝術(shù)(ART)的教育，使之 變得更加完善。STEAM的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)的教育思想和學(xué)習(xí)方式，STEAM這個(gè)詞在我國(guó) 就好 比我們經(jīng)常聽到的一句話“學(xué)好

3、數(shù)理化，走遍全天下”，因?yàn)镾TEAM教育里最主 要學(xué)習(xí)的就是理工科的內(nèi)容，但是他們卻有著很大的不同，它并不是單一課程的 學(xué)習(xí)，而是將多門學(xué)科知識(shí)相融合，形成一個(gè)完整的知識(shí)體系，以真實(shí)的科學(xué)問(wèn) 題為向?qū)?，通過(guò)讓學(xué)生自己選擇并動(dòng)手完成自己感興趣的、與生活息息相關(guān)的問(wèn) 題，從而讓孩子們?cè)谕瓿傻倪^(guò)程中學(xué)到相關(guān)跨學(xué)科領(lǐng)域的問(wèn)題，培訓(xùn)學(xué)生的綜合 實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、科學(xué)創(chuàng)新能力及解決問(wèn)題的能力等等。二、能力風(fēng)暴機(jī)器人能力風(fēng)暴機(jī)器人于1996年創(chuàng)始于上海未來(lái)伙伴機(jī)器人有限公司，是全球笫 一個(gè)教育機(jī)器人品牌，它有自己獨(dú)立的運(yùn)行平臺(tái)，可以通過(guò)流程圖和JC代碼兩種 方式進(jìn)行編程，具有出色的交互式功能。教育機(jī)器

4、人作為學(xué)生學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐創(chuàng) 新能力的平臺(tái)，與一般的智能機(jī)器人相比具有以下四大優(yōu)勢(shì)：1 .趣味性。教育機(jī)器人對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是十分新穎的嘗試，孩子們有著強(qiáng)大的好 奇心，且學(xué)習(xí)的過(guò)程是孩子們自主設(shè)計(jì)研究的，充滿挑戰(zhàn)和趣味，能有效激發(fā)孩 子們的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生們樂(lè)在其中，享受其中。2 .學(xué)科綜合性。教育機(jī)器人綜合了數(shù)學(xué)、物理、建筑、機(jī)械、電子、能源、 人工智能、計(jì)算機(jī)軟硬件等等學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)，使孩子們學(xué)到的不僅僅是單一的學(xué) 科知識(shí)，而是更多學(xué)科領(lǐng)域的綜合知識(shí)體系，擴(kuò)展了學(xué)生的知識(shí)面。3 .科學(xué)技術(shù)性。教育機(jī)器人不僅融合了最頂級(jí)的科學(xué)技術(shù)，而且能自主吸收 眾多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的新發(fā)展，保證了技術(shù)的持續(xù)先進(jìn)性。在未

5、來(lái)可預(yù)見的一白年 里，教育機(jī)器人仍將是最先進(jìn)的技術(shù)教育平臺(tái)。4 .自主體驗(yàn)性。教育機(jī)器人非常便于設(shè)計(jì)各種比賽項(xiàng)目，通過(guò)給孩子們?cè)O(shè)計(jì) 一定的完成目標(biāo)，讓他們自主的去動(dòng)手創(chuàng)作體驗(yàn)。在實(shí)踐的過(guò)程中鍛煉學(xué)生的動(dòng) 手能力、綜合能力、創(chuàng)新能力、團(tuán)體合作能力和解決問(wèn)題的能力等等。三、基于STEAM的能力風(fēng)暴機(jī)器人教學(xué)模式研究1. STEAM理念下的能力風(fēng)暴機(jī)器人教學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)STEAM是科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)這五個(gè)英文首字母的縮寫，是這五 個(gè)學(xué)科領(lǐng)域相互交織在一起的一種新的科學(xué)體系，而非單一的學(xué)科知識(shí)內(nèi)容的學(xué) 習(xí)。在能力風(fēng)暴機(jī)器人的教學(xué)中，結(jié)合STEAM五要素的理論內(nèi)容，構(gòu)建了如圖一 所示的教學(xué)結(jié)構(gòu)框架

6、，其中S （科學(xué)）代表著電子科技、物理學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域 的學(xué)習(xí)應(yīng)用；T （技術(shù)）代表著能力風(fēng)暴機(jī)器人設(shè)計(jì)、編程等方面的相關(guān)技 術(shù)； E （工程）代表著軟件工程學(xué)，體現(xiàn)了人與能力風(fēng)暴機(jī)器人直接的互動(dòng)；A （藝 術(shù)）體現(xiàn)著能力風(fēng)暴機(jī)器人不同的設(shè)計(jì)搭建的藝術(shù)；M （數(shù)學(xué)）體現(xiàn)著基礎(chǔ)數(shù)學(xué) 中邏輯判斷等的應(yīng)用。STEAM理念下的能力風(fēng)暴機(jī)器人教學(xué)充分體現(xiàn)了多種學(xué)科 領(lǐng)域的綜合應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的教學(xué)思想，開闊了學(xué)生的創(chuàng)新發(fā)散思維，鍛煉了 生的動(dòng)手實(shí)踐能力。圖1: .STEAM理念下能力風(fēng)暴機(jī)器人教學(xué)結(jié)構(gòu)框架2. STEAM理念下能力風(fēng)暴機(jī)器人教學(xué)模式研究基于STEAM理念的機(jī)器人學(xué)習(xí)一定是來(lái)自于生活中實(shí)際

7、問(wèn)題的解決，通過(guò) 讓 學(xué)生自主思索探究來(lái)完成真正的STEAM教育。能力風(fēng)暴教育機(jī)器人是一門手腦并 用的課程，在一個(gè)個(gè)問(wèn)題任務(wù)的驅(qū)動(dòng)下，讓孩子們自主利用機(jī)器人的積木模塊來(lái) 拼裝搭建一個(gè)個(gè)任務(wù)模型以及所需的策略物，學(xué)生通過(guò)不斷的思考、探索、實(shí)踐、 挑戰(zhàn)來(lái)完成一定的任務(wù)，讓學(xué)生在解決一個(gè)個(gè)實(shí)踐問(wèn)題的過(guò)程中產(chǎn)生對(duì)科學(xué)的愛(ài) 好與向往。整個(gè)教育模式流程如圖2所示，主要包括以下幾個(gè)方面：教師：做好前期準(zhǔn)備工作設(shè)計(jì)情景，布置薛總結(jié)學(xué)生討果引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐分析總結(jié)對(duì)學(xué)生成果進(jìn)行點(diǎn)評(píng)學(xué)生：準(zhǔn)備工作|<!= 學(xué)生分小組課題引入頭腦風(fēng)暴動(dòng)手實(shí)踐跟隨情景，思考任務(wù)小組間核心問(wèn)題討論動(dòng)手實(shí)踐（搭建+編程）/I展示成

8、果匚 總結(jié)收獲圖2: .STEAM理念下能力風(fēng)暴機(jī)器人教學(xué)模式流程設(shè)計(jì)（1） 準(zhǔn)備工作。準(zhǔn)備工作的完成是整個(gè)教學(xué)的基礎(chǔ)，在這個(gè)階段教學(xué)需要準(zhǔn)備好一切課上需 要做的實(shí)驗(yàn)器材、零件并幫助學(xué)生分好組別。通常情況下我們的機(jī)器人教學(xué)是兩個(gè) 學(xué)生為一組，小組人數(shù)過(guò)多的話則不利于學(xué)生的實(shí)踐學(xué)習(xí)以及教學(xué)活動(dòng)的展開。（2） 課題引入愛(ài)因斯坦曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，興趣是人們最好的老師。在課題引入的這個(gè)階段里，教師 要善于設(shè)計(jì)情景，在學(xué)生現(xiàn)有知識(shí)結(jié)構(gòu)的前提上，選擇貼近學(xué)生學(xué)習(xí)生活的例子， 充分抓住學(xué)生的好奇心理，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。學(xué)生需要緊隨老師的節(jié)湊，帶 著好奇的心理主動(dòng)的思考老師提出的任務(wù)。（3） 頭腦風(fēng)暴頭腦風(fēng)暴最初是

9、由美國(guó)人奧斯提出的，指的是一群人（或小組）間圍繞著一個(gè) 特定的問(wèn)題，產(chǎn)生新智慧和新想法的意思。在這一步中，學(xué)生需要在小組間圍 繞 著先前老師提出的核心問(wèn)題進(jìn)行深入的討論，通過(guò)小組間的頭腦風(fēng)暴來(lái)產(chǎn)生出 解 決問(wèn)題的方法途徑，甚至是提出更加創(chuàng)意的新思路和新方法。而老師需要做的就 是講解機(jī)器結(jié)構(gòu)的原理和使用方法 在適當(dāng)?shù)那闆r下引領(lǐng)和總結(jié)學(xué)生的討論結(jié) 果 積極的贊美學(xué)生，提高學(xué)生的自豪感，使他們對(duì)下一步的實(shí)踐充滿期待，提高學(xué) 生的學(xué)習(xí)效率。（4） 動(dòng)手實(shí)踐小組成員頭腦風(fēng)暴后，根據(jù)每組解決問(wèn)題的思路開始進(jìn)行動(dòng)手實(shí)踐操作了。中 小學(xué)生對(duì)理論知識(shí)接收的能力薄弱，但是通過(guò)親身動(dòng)手實(shí)踐，讓學(xué)生真正參與到 學(xué)習(xí)的

10、過(guò)程中來(lái)，就會(huì)有很大的收獲。機(jī)器人的教學(xué)中，學(xué)生主要完成的就是 搭 建和編程這兩項(xiàng)任務(wù) 首先根據(jù)自己的思路利用機(jī)器人零件搭建出所需的策略物， 也就是拼裝一個(gè)完成任務(wù)的機(jī)器模型。搭建好之后，由于中小學(xué)生的編程水 平有 限，這里我們就利用流程圖的方式完成編程工作。而老師需要的就是觀察學(xué)生的 實(shí)踐情況，對(duì)學(xué)生實(shí)踐中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行一定的解答，從而完成整個(gè)任務(wù)。（5） 成果展示學(xué)生動(dòng)手完成任務(wù)作品后，就是向其他同學(xué)展示講解自己的作品，說(shuō)出自己是如何設(shè)計(jì)的，通過(guò)這個(gè)環(huán)節(jié)可以讓學(xué)生吸收別組的精華之處，學(xué)習(xí)他們的優(yōu)勢(shì)和 思維，豐富自己的創(chuàng)造力。除此之外，老師也需要對(duì)每組的成果和收獲進(jìn)行一定 的總結(jié)。(6)點(diǎn)評(píng)

11、討論在了解其他小組的成果作品后，需要各組之間進(jìn)行相互的點(diǎn)評(píng)和討論，給出自 己的意見和建議，教師也對(duì)每組的作品進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，學(xué)生通過(guò)吸取他人的意見使自 己的作品變得更加完善。3.教學(xué)實(shí)踐案例能力風(fēng)暴機(jī)器人課堂對(duì)于中小學(xué)生來(lái)說(shuō)，由于他們的接受能力有限，因此在課 程選題上以簡(jiǎn)單明了的項(xiàng)目為主。這里我們以制作聲光控樓道燈一課為例，介 紹能力風(fēng)暴機(jī)器人的教學(xué)流程和實(shí)施。(1)準(zhǔn)備工作。聲光控樓道燈需要準(zhǔn)備的就是聲音傳感器、光敏傳感器、控制器、 機(jī)器拼裝模塊和筆記本電腦，并將學(xué)生兩兩分為一組。(2)課題引入。教師就生活中的樓道燈向?qū)W生提問(wèn)，它是如何做到夜晚時(shí)有人經(jīng) 過(guò)就亮而沒(méi)人的時(shí)候就熄滅的呢？并給學(xué)生展示教

12、師自己做好的模擬聲光控樓道 燈，吸引學(xué)生的興趣。(3)頭腦風(fēng)暴。對(duì)老師提出的問(wèn)題，同學(xué)們兩兩一組開始思考討論，首先想象一 下他們想搭建出怎樣的模型，接著分析出需要兩個(gè)傳感器，分別為聲音傳感器 光敏傳感器。等學(xué)生討論差不多的時(shí)候老師進(jìn)行總結(jié)，講解了聲音傳感器和光 傳感器的使用方法以及如何利用VJC4.2程序?qū)β曇魝鞲衅?、光敏傳感器進(jìn)行 置，然后講解了條件語(yǔ)句的使用方法和燈光的控制方式。(4)動(dòng)手實(shí)踐。在設(shè)計(jì)出自己的解決方案以及明確了老師的講解后，同學(xué)們就 始動(dòng)手實(shí)踐了，首先利用機(jī)器人模塊對(duì)樓道燈進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)易的搭建，這時(shí)可以 到每組同學(xué)搭建的都是不一樣的，充分發(fā)揮了他們的想象能力。搭建完成后利 能力風(fēng)暴自帶的VJC4. 2進(jìn)行流程圖的編程方式，編程的方式也是各不相同的， 圖3便是編程方式的一種。學(xué)生通過(guò)自己動(dòng)手來(lái)完成一個(gè)小任務(wù)會(huì)感覺(jué)到十分 驕傲，對(duì)后續(xù)的學(xué)習(xí)也充滿了自信與期待。充分鍛煉了孩子的動(dòng)手能力、創(chuàng)作 力以及綜合實(shí)踐能力。m您cc戶夕匕主程JFlr/gg圖3:聲光控樓道燈程序設(shè)計(jì)和敏設(shè)開看用如的能0 VJC.42 <<成4,，樓通+對(duì)+窗【】(5)成果展示與點(diǎn)評(píng)討論。由小組同學(xué)分別展示并講解.自己聲光控樓道燈的作 品，展示后每個(gè)小組進(jìn)行討論，發(fā)表自己意見，說(shuō)說(shuō)這個(gè)作品的優(yōu)缺點(diǎn)，最后由老師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和總結(jié)。通過(guò)利用這種教學(xué)模式，使每個(gè)同學(xué)都興趣盎然，積極主動(dòng)的獲取