基于STEAM教育理念构建乐高机器人项目式学习

    唐小华 方其桂

    摘? 要 依托乐高机器人设计、开展项目式学习，通过发现、探究、解决真实情境中的问题，能充分激发学生的内在学习动力，学生的创新精神和实践能力可以得到很好的培养，完美诠释steam教育理念[1]。

    关键词 乐高机器人;STEAM;项目式学习;创新能力

    中图分类号：G630? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2020）07-0062-03

    1 引言

    STEAM代表科学、技术、工程、艺术、数学。基于项目的学习，通过创设真实情境，将知识建构、技能培养与思维发展融入运用数字化工具解决问题，让学生建构自己的知识体系和解决问题的方案。许多研究表明，通过设置真实项目，融入STEAM教育理念，让学生自主探究学习，能有效激发学习兴趣、内生动力，培养创新能力。

    机器人教学活动体现学科融合性和实践操作性，被认为是开展STEAM教育的重要途径之一。乐高机器人通过引导学生造物、玩中学、解决任务，培养学生的想象力和创造力，让学生在学习中体验成就感、满足感。同时，乐高机器人充分整合了机械、物理、编程等多方面知识，满足学生多样求知欲，拓宽其知识领域。学生既可以独自体验，也可以和其他学生共同协作，在合作中讨论交流，培养团队协作能力。有鉴于此，笔者以乐高机器人为载体，通过项目式学习，将STEAM教学理念落实到教学中[2]。

    2 依托器材特点，合理规划项目

    根据学生年龄特征，中小学乐高机器人器材可以选择9686和EV3。其中9686科学技术套装侧重结构，培养学生动手搭建的能力;EV3侧重编程，培养学生编程思维能力。这两种器材可以涵盖小学到初中所有年龄段学生对机器人的探究和学习，并且有兼容器材，便于推广普及。

    根据年龄特点，统筹项目活动? 乐高机器人学习项目一般分为两类：一类是利用器材搭建，如搭一个天平、造一辆车等，在体验“造物”的过程中了解机械结构，探索运动规律，培养动手能力，为进一步学习打好基础;一类是编写程序对搭建进行控制，如使用EV3实现精确行驶、运输货物和参与竞赛，体验围绕具体项目设计、制作、控制机器人解决问题的全过程，培养运用多学科知识解决实际问题的能力。在项目活动的选择、设计时，要符合不同年龄段学生的特点。

    突出学科融合，创设活动情境? 如果机器人有趣好玩，就会吸引学生的注意力，调动他们进一步学习、探究的热情和动力。如何让项目变得有趣呢？一方面，机器人项目的选择、设计要能与学生已有的生活、学习经验建立联系、产生共鸣;另一方面，项目活动的设计要能突出多学科融合的特点，让学生在学习、探究、实验的过程中体会学有所用，从而走向学有所得。富有趣味的情境化項目任务，为多学科融合提供试验田;以学生为主体的基于问题解决、学以致用的活动设计理念，为学科融合注入生命力。

    要点分级设置，层次螺旋上升? 目前，中小学机器人基础课程的普及主要以兴趣小组、社团活动的形式开展。由于受器材和课时的制约，在设计项目活动时，任务不宜过大，内容和知识点不能过多，要突出小而精的特点。如齿轮的运用非常广泛，它几乎涵盖了整个机器人学习的始终，要科学合理地规划知识点：对于低年龄段的学生，在设计项目活动时只选择齿轮的啮合、加速、减速和斜齿轮为主要知识点来设计活动;对于高年龄段学生，则可以运用齿轮探究变速箱原理，在编程中选择合适的模块精确控制齿轮运行等。总之，在设计项目活动内容时，要将复杂、系统的知识根据学生的年龄特点、知识结构分段设计到不同的项目中，循序渐进、螺旋上升，让学生能体验成功的快乐。

    3 突出项目学习，科学设计活动

    STEAM课程设计没有固定的模式和原则。从课程目标来看，STEAM课程的重点在STEAM素养的培养上，即多学科知识的获取、研究方法的培养等;从课程内容和形式来看，STEAM课程需要通过项目方式，解决实践问题;从课程成果来看，STEAM课程表现为科学知识的获取或真实物品的生成。结合上述分析，STEAM课程在设计过程中要体现三个基本要素：跨学科的知识整合、面向真实情境的项目设计、基于创造制品和实验探究的问题解决。而这三点在课程设计的时候往往是缺少抓手的[3]。

    建立联系，做好准备? 建构主义理论认为，知识的获得源于人们依照自身经验对事物或现象的认识过程，知识总是生根、寄居在真实的情境中，因此，学习要在具体的情境中开展。

    1）学情分析。真实情境可以调动学生的学习动机，这是决定学习成功的关键因素和先决条件，是激发学生学习的原始动力及后续学习的持续动力。通过学情分析，要了解学生已有的认知水平与项目内容的融合度，负责将任务或挑战融入有趣且学生可以理解的情境中，给学生较好的带入感。

    2）活动准备。在设计机器人项目活动时，既要考虑教学内容、活动设计等教的因素，更要考虑学生学习准备、知识储备、学习方式等学的因素。首先要考虑现有教学设备能够支持怎样的学习活动，适合设计怎样的项目任务;项目确定后，围绕项目主题，可以分小组开展调查、访问、观察、实验等前置活动，弥补学生知识、经验与项目目标之间的差距，为项目的实施做好充分准备。

    问题导向，分析任务? STEAM教育注重解决问题的过程，这一过程中学生的思维过程与动手实践同样重要。此环节主要让学生明确所造物体的功能，并在此基础上尽可能多地提出有效的问题;再进行头脑风暴，削弱群体思维的影响，产生新观念或激发创新设想;针对提出的问题各抒己见，拿出解决问题的方法和策略，最后选出可行和易实施的方案。

    1）提出问题。一个任务如果从结构分析入手，会使学习过程变成简单的模仿“造物”，容易禁锢学生的思维和想象力。从作品的功能入手，通过引导学生发现作品的功能，认识、探究物体的本质特征，明确任务的具体要求。在此基础上，学生可以尽情想象，为作品赋予更多创造性的功能。明确项目任务的功能后，要学会提出问题。提出问题比解决问题更为重要，因为不能提出问题，就谈不上解决问题。因此，要让学生围绕项目任务尽可能提出问题。教师要充分鼓励学生，即使他们提出的问题很简单，也不能让其他学生嘲笑。学生提出的问题越多，说明思考也越多，也就越接近于问题的解决。

    2）提出方案。对于学生提出的问题，通过上网搜索、小组讨论等，大多数问题可得到解决。对于没有解决的问题，教师组织全体学生共同讨论、分析，根据不清楚的问题，发挥想象、各抒己见，提出解决问题的方法和策略，通过交流能从众多意见中得到启发。学生在功能分析、提出问题、头脑风暴基础上，通过比较、归纳，找出适合自己的、科学的项目实施方案。

    理清思路，规划项目? 在机器人项目式学习中，规划能力体现在学生依托活动任务，对解决问题的设计思路、结构规划、编程设计和方法流程选择上。只有设计合理的项目实施思路，明确构建物体的结构特点，理清任务完成中算法逻辑关系，合理地选择任务实施的方式和步骤，才能有效地完成项目任务。

    1）任务设计。对整个任务进行规划设计，是在任务分析的基础上逐步形成学生个体问题解决方案的活动过程。在这一环节，引导学生结合自身的认知特点、兴趣爱好、思维习惯，在众多方案、方法中选择、归纳出适合自己的问题解决策略。另外，这一环节还包括方法、步骤的选择。要规划好分组方法、学习流程、时间分配、人员分工、成果呈现等。只有之前有明确的任务设计，才能让学生人人有事可做，才能培养学生的团结合作精神。

    2）结构规划。结构规划的方式很多，可以根据任务的难易程度选择不同的方法。对于比较简单、学生熟悉的物体，可以引导学生绘制草图，使用标注的方式，强调结构的重点和特征;对于比较复杂的物体，教师可以使用图片或实物模型，引导学生观察，同时进行讲解，给学生适当的帮助和启发。对于内部机械结构相对复杂的物体，可以将模型分解成多个部分，对重点、难点部分重点分析讲解，逐个突破。

    3）算法设计。对于乐高EV3机器人，虽然依赖于器材的搭建，但更主要的是通过编写程序控制。而编程首先要进行算法设计，一般情况下，考虑到小学生的年龄特征，这个环节需要教师带领学生讨论分析。先让学生描述任务的特征，并用自然语言将功能描述清楚，然后用流程图呈现出来，将抽象的逻辑思维图形化、可视化、形象化。

    按照预设，实施项目

    1）STEAM。课程的落脚点往往是工程问题的解决和科学知识的探究，其成果是形成真实物品或实验方案。项目的实施强调通过动手活动，将头脑中的想法外显出来。可以去建构制品，也可以建构实验方案。有时学习者在最初搭建模型的时候并不一定对想法或方案非常明晰，但在不断地尝试、搭建、修改的过程中，头脑中的想法也逐渐完善。在这一环节，学生需要搭建出实物，但是搭建并不能随意而为，需要按照预设进行搭建，让学生养成按计划进行的好习惯。最后将完成的作品进行功能检测，体现项目式学习的严谨。

    2）器材准备。根据项目规划，引导学生选择合适的器材。器材选择建议按类别进行，如动力装置、结构。准备好的器材用适当的容器存放，不可以散乱放置，要让学生养成良好的习惯。

    3）构建作品。对于9686机器人搭建项目活动，引导学生能够根据作品规划、结构特点，按照一定顺序完成作品搭建。教师在此过程中进行科学知识的渗透、结构原理的介绍、创新能力的激发;对于EV3机器人，不仅有搭建环节，还要根据任务要求，选择传感器和程序模块，合理编写程序[4]。在此过程中，结合传感器渗透人工智能的实现原理、循序、循环、条件等计算思维培养，及机器人解决问题的策略、方法总结。在构建作品的过程中，对于相对复杂的任务，可以分阶段、分小组进行。

    4）功能检测。让学生设计各种实验，检验所制作的机器人是否实现之前预设的功能。这种实验要有一定的实验器材和步骤，将实验数据记录下来，最终有一个简单的实验报告。这个环节可以培养学生严谨的工作作风。

    使用制作好的作品，围绕本单元项目探究的主题，结合子项目探究方向开展科学探究活动。通过实验、测试、记录、观察、比较、计算等一系列活动，帮助学生归纳、总结，得出科学结论。

    4 提前预设问题，提供学习支持

    项目式学习的情境是预设的，过程是生成的，解决问题的最终方案是开放的、多样的。项目式学习发生在交互性和真实性的学习活动中，而回到最初的预设问题和情境中，对于每一个问题都需要深入研究，因为每一个问题都是学生学习的展开和突破点。

    相关知识? 项目学习并不排斥知识，项目通常是学习载体，掌握一定的知识与技能是学习的重要目的，但项目学习把知识包容在应用之中，知识不是显性呈现，而且比较零散。因此，有必要对项目涉及的知识进行系统归纳，一方面有助于学生深入学习相关知识，另一方面可帮助他们构建完整的知识体系。

    相关资源? 在项目式学习中，学习的主体是学生，不是教师，教师不用不停讲解与演示。但学生毕竟是在学习全新的知识与技能，乐高机器人学习对象以小学生为主，他们的学习能力较弱，储备的技能有限，在自主探究过程中肯定会遇到各种各样的问题。因此，教师有必要针对学生可能会遇到的主要问题制作相应的微课，供学生在遇到问题时自主学习。更为重要的是，自主学习不是自由学习，这种学习是按教师预设的学习方案展开的。因此，教师要提供给学生学习方案，通常称为导学案。在项目完成后，教师要组织学生对作品进行评价，因此要准备评价量规和评价表。为了让学生方便使用这些资源，最好能借助一定的教学平台，将这些资源有组织地存放到教学平台上。

    5 关注学习反馈，巩固学习成果

    项目式学习不是注重搭建好实物作品，而是形成解决问题的方案。这就需要有完整的流程，所以作品结束后一定要有反馈。师生之间进行相互展示交流与评价，每个想法都会孕育出不同的作品，学生通过评价交流，取长补短，将知识内化，巩固学习成果。

    成果展示? 学生搭建好乐高机器人，并完成程序的编制后，最大的愿望是能向其他学生、教师展示。因此，教师可以让每组选派一个代表，向全班同学展示其机器人的运行，同时介绍其机器人的构思、搭建方法、主要亮点和待改进之处。

    评价交流? 学生展示作品后，教师组织其他学生对其进行点评，这种点评通常以鼓励为主，但也不能一味表扬，还要能发现存在的问题，给出改进意见。只有这样，才能充分体现评价交流的价值。在这个环节完成后，再组织学生按照其他学生、教师提出的改进意见重新完善自己的机器人，从而得到最大的成就感。

    6 项目拓展延伸，重新认识生活

    基于项目的学习，问题来源于真实的生活。通过前面几个阶段，学生利用计算思维形成解决问题的方案，最后一步必然是回到生活中，对项目进行拓展与延伸，举一反三。问题来源于生活，又回到生活中，让学生重新认识生活，对身边的事物有不一樣的认识。

    项目拓展? 同样功能的机器人可以用多种方式搭建，可以编写不同的程序，让学生重新拓展自己的项目，以此来培养发散性思维。因为搭建机器人不是目的，而是通过让学生搭建机器人培养能力，提升素养。

    项目延伸? 机器人之所以受到学生的喜欢，很大程度上是它接近于生活实际。因此，用搭建机器人过程中学习到的知识、技能和思维方法再去搭建其他作品，无疑能够让学习的效果最优化。

    7 结语

    乐高机器人项目式学习是以学生为主体的学习方法，一般多以完成单一项目为学习活动，以项目开展为明线，以搭建、编程知识为暗线，双线交叉合一，让学生在玩中学、学中玩，润物无声。在这种教学模式下，学生不仅可以学习搭建、编程知识，还能提高综合运用所学知识解决问题的能力，潜移默化中发展信息核心素养，是一种深得学生喜爱且行之有效的学习方法，非常适合用于开展乐高机器人教学。

    参考文献

    [1]中华人民共和国教育部.普通高中信息技术课程标准（2017版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

    [2]王荣良.机器人教育对学生工程意识培养的意义与作用[J].新课程研究：基础教育，2009（1）：99-100.

    [3]叶兆宁，周建中，杨元魁.围绕“大概念”设计STEM课程[J].人民教育，2018（7）：59-63.

    [4]Education LEGO.乐高教育[EB/OL].https：//education.lego.com/zh-cn.