原创《STEAM理念下的校本课程圆型教案设计以正方形赛道一课为例》
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【摘 要】作为STEAM课程体系中的重要组成部分,机器人教育在各中小学如火如荼地开展着.但是,现有的大部分机器人课程还存在重技术轻融合、有任务缺体系的现象.本文结合笔者开设的校本课程——mBot机器人模块课,以“正方形赛道”为例,在多学科融合、项目流程、合作学习、创新思维培养等方面以“圆”型教案模型的形式践行STEAM的教学理念.
【关键词】STEAM；机器人教育；课程设计；教学案例
【中图分类号】G434 【文献标识码】A
【论文编号】1671-7384（2018）04-0070-04
研究背景
STEAM是指以数学(M)为基础,从工程(E)和艺术(A)的角度解读科学(S)和技术(T),以跨学科的理念将不同类科目整合的教育.它有利于提高学生的创新能力.[ 1]机器人教育是STEAM课程体系中的重要组成部分.北京师范大学黄荣怀教授指出,机器人教育是多学科、跨领域的研究,能够大范围提升学生的信息技术能力和在数字时代的竞争能力.但是,目前我国的机器人教育还存在着缺乏对应学习内容、课程无法衔接、缺乏如何应用机器人的研究等困境.［2］
经过教学实践和探索,我们发现现有机器人课程在内容衔接和应用上的问题主要表现在重技术轻融合、有任务缺体系等方面.因此,我们以STEAM理念为依托,开始了机器人校本课程的实践.现在的机器人教育,有针对于竞赛的精英型教育,也有以课程方式开展的普及教育.[3]我们的校本课程实践,就是对机器人普及教育的探索.之所以选择mBot机器人,主要是因为它低、入门容易,而且在跨学科融合、发挥学生的创意创新上有很好的效果.
“正方形赛道”是mBot机器人校本教材第3课的内容.在学习完机器人编程的顺序结构后,学生发现我们编制的程序太过冗长,对于一些重复的指令,希望找到简化的办法.于是,我们以STEAM理念为依托,并以项目式学习为载体,以“圆”型教案模型开始了教学实践.
在“正方形赛道”一课中,我们描述了这样的一种场景：在一个内边长为60cm,外边长为85cm的正方形赛道上,mBot机器人从任意一个转角处出发,逆时针走一圈后到达起始位置,如何让机器人完成挑战？（图1）
学生目前还不具备学习传感器相关知识的条件,因此,只能用运动模块或电机模块来尝试统计机器人前进的距离以及左转的角度.由于地面摩擦、机器人两个电机电压的差异,机器人在实际行驶过程中会产生一些偏差.该任务是一个看似简单,实际上考验学生多方面能力的大挑战.
学科圆,实现多个学科的有机融合
STEAM理念注重多学科的融合.因此,我们在设计课程时,就应该遵守学科圆的特质,不能片面重视信息技术,而应该实现多学科的有机融合.本课的任务情境,实际上对学生在科学、技术、工程、艺术和数学等方面都有要求.因此,结合学科圆,我们可以实现多学科的教学目标.
科学（S）：学生在团队协作中形成合作、探究的科学精神,在测试实验数据时体验科学探索的反复性,在从发现问题到解决问题的过程中逐渐形成严谨的科学思维.
技术（T）：学生在调试机器人的过程中,掌握机器人与计算机编程软件之间的通讯技术；在设计程序指令的过程中熟悉顺序结构,并开始发现和体验循环结构；在测试机器人轮子转动的过程中掌握自动化控制的技术.
工程（E）：学生在设计并优化任务流程图、制定并实施项目计划表的过程中,体验工程实施的方法.艺术（A）：设计出有美感的机器人外观.
数学（M）：学生在调试让机器人直行一定距离和转90度的过程中,学会控制变量的数学思想；在一次次记录实验数据的过程中,体验统计与修改参数的方法；在优化程序的过程中,掌握化繁为简的思想.学科圆可以有机地将多个学科进行有机融合,从而形成全方位、立体的教学目标.
团队圆,实现知识构建的合作学习
我们以前尝试过任务驱动和翻转课堂的教学模式,但都发现不利于学生的合作学习：学生以四人为一个小组,共同使用一台机器人,在做任务的过程中就会出现一些人无所事事的情况.究其原因,还是没有给学生明确的角色分工.因此,我们设计出了团队圆,给每一名学生相应的角色定位.
我们的团队圆模型可以让学生产生更强的代入感.我们还设计了一个从“开发产品”到“宣传融资”的市场化运作情境.为了获得更多的“融资”（项目样品展示时获得的数）,每个小组的全体成员都在积极行动.
项目经理：积极推动项目的进程,不断激发组员产生新的想法,搜集整理优秀的创意,严格把控项目实施的质量,对组员进行合理的分工,为项目样品的开发提供坚实的后勤保障,并撰写项目报告.
外观设计师：设计项目样品的结构,绘制产品草图,并拼装美化产品.
程序工程师：努力构思如何通过编程的手段实现项目样品应该具备的功能,并编制出最合理的程序.销售经理：积极探寻产品的优点,理解并吃透产品的原理,进行融资宣传和推销产品.
在这种角色分工的推动下,学生的团队协作能力得到了激发.他们积极探讨,发挥着各自的创意.遇到难题时,也知道通过查找资料的方式解决.在经过探索、尝试和不断改进之后,各小组都制作出了各自的项目方案.整个过程中,学生不再是知识的被动接收者,而是知识的探索者,甚至在大家协作的过程中,还闪现出了很多智慧的火花.
团队圆有利于角色分工,使学生产生情境的代入感,从而明确每个人的任务,让项目得以更高效、完美地解决.
项目圆,实现工程设计的项目优化
有了明确的目标和角色分工,就可以组织学生实施项目了.我们认为,采用项目圆的形式,可以很好地组织实施项目式学习.
产生问题：在介绍完本节课的任务情境后,学生就开始讨论了.我们分别要干什么？如何给mBot机器人设计路线？每一条路线分别有哪些优缺点？最优方案是什么？如何对路线进行简化？如何实现我们的方案？怎样对项目进行测试？如何保证机器人的稳定性？如何进行融资宣传……
联机学习：面对众多的问题,学生根据各自的角色分工,开始了联机学习.这里的联机学习,不单单指在网上联机,还包括生生之间、师生之间、人机之间的交流互动.通过联机学习,学生对任务情境进行了简化,如图2.
形成方案：在解决了知识、管理、运作、宣传等方面的问题后,各小组逐步形成了各自的方案.有设想通过走圆形轨道完成挑战的,有设想完成四次直走和直角转弯的,有设想通过遥控完成挑战的,有设想利用传感器完成挑战的,还有设想给机器人现场赋值的……
学生的方案各具特色,甚至有很多方案超出了我的预设.在开放的氛围里,学生的创造力其实是相当惊人的！
探索实践：这是项目实施最重要的环节.学生需要根据各自的方案不断调试与改进.在这个过程中,我也看到有推翻之前方案,重新采用全新方案的.可喜的是,每个小组的项目经理积极地组织外观设计师完善测试记录,协调程序工程师改进程序,督促销售经理对项目进行包装.
评价反馈：在这个环节中,我们看到了令人震撼而又感动的一件件作品.学生们把mBot机器人改造成了各种形状,他们的方案也各有优劣.同时,销售经理的精彩展示,也让我们看到了各小组产品的最大亮点.我们通过,选出了最具投资价值的三件作品：传感器机器人、执行循环任务机器人以及遥控机器人.同学们的相互评价,也让大家看到各自产品的问题,这对于后续研究有很大的帮助.学生们也可以根据新的问题进入新一轮项目圆的实践中.
项目圆是一种流程式的项目协作模型.学生在项目圆的一轮又一轮实践中,可以实现知识的跃迁.创新圆,实现天马行空的创新思维
杰夫·戴尔在《创新者的基因》一书中,将创新需要具备的技能划为5类,即联想、观察、实验、发问、建立人脉.[4]结合我们的STEAM课程,我们认为创新思维的培养也需要5种技能,即想象、观察、发现、质疑和实验,我们称之为创新圆.
经过精心的教学设计,学生通过本课的实践完全能够达到我们在科学、技术、工程、数学方面设定的目标.同时,我们在让学生简化流程、探索机器人左转90度的方法、交流得与失以及反思程序局限的时候,都为学生创新思维的培养预留了空间.
我们在课堂上,特别提醒了学生在产生问题的过程中要善于想象,在形成方案的过程中要善于观察和发现,在探索实践的过程中要大胆质疑、反复实验.
学生除了自发想到重复执行、多种左转弯的方案、控制变量的思想,还提出了机器人在直行时其实并不直的现象.我们让学生思考原因并找出解决方案后,欣喜地发现学生提出的想法真的是天马行空：有想用连杆将两个轮子同步的,有提出类似差速器概念的,有想利用仪器“导航”的,也有提出类似手机陀螺仪功能的,还有利用光的直线传播原理提出打光引导走直线的……
虽然以学生现在具备的知识暂时还无法实现他们伟大的创想,但我们认为,一个善于思考并具有创新意识的人,一定会给人类带来意想不到的惊喜.而作为教育者的我们,就应该尽量为学生的创新插上腾飞的翅膀.
创新圆提供了学生课堂创新的5种方式.如果我们在每节课的设计中都把创新圆引入进来,那么经过长时间的培养,学生一定能具备较强的创新思维.
STEAM是一种先进的教育理念,“圆”型教案模型则是具体的操作方案.我们应该以STEAM理念为依托,再结合“圆”型教案模型,势必能呈现出更全面、更成体系、更有利于创新人才培养的优秀课程.
校本课程论文参考资料：
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