STEM教育视角下的VEX机器人教学实践研究

    苏秀萍 赵哲仁

    

    

    

    [摘? ?要]STEM教育与机器人教育具有内在的一致性。以高中VEX机器人教学为例，可将机器人教育与STEM教育融合，在STEM视角下设计VEX机器人课程内容，构建基于项目式学习的VEX机器人教学模式，促进学生学习与应用跨学科知识，学会合作与竞争，发展STEM素养。

    [关键词]STEM 教育;机器人教育;项目式学习

    1986年，美国国家科学委员会发布了《本科的科学、数学和工程教育》报告，提出了“科学、数学、工程和技术教育集成”的纲领性建议，被视为STEM教育的开端[1]。机器人教学活动融合了多学科知识与技能的学习，是培养学生STEM素养的有效途径。然而，如何设计课堂教学活动以激发学生的创新意识，培养学生的问题解决能力和创新能力，是机器人教学面临的重要问题。在此，将结合VEX机器人教学案例进行探讨。

    一、STEM教育与VEX机器人教育

    深度融合的基础

    1.STEM教育的跨学科整合特性

    STEM教育所强调的整合，非不同学科的简单组合，而是将各种零散的知识与机械过程变成一个探究世界互相联系的不同侧面的过程，指向基于真实问题进行分析、应用、迁移的高阶能力[2]。以芬兰的STEM教育为例，其实践特色是主张以学生为中心，综合跨学科的思维方式，以主动探索为基础，强调团队合作，注重培养学生在未来社会获得成功所需要的能力。这是一种开放式教学，从分科走向融合，从重结果到重过程，从关注个体到关注合作，从掌握知识到问题解决，从被动学习到主动参与[3]。研究表明，这种跨学科学习的方式更能让学生保持学习的热情。

    2.VEX机器人教育的特点

    VEX机器人教育通常都有竞赛背景。而VEX机器人大赛是为促进学生探究机器人、进行科技创新活动而打造的平台。竞赛的目的是让学生通过团队合作面对竞争的方式培养学生的STEM素养[4]。在VEX机器人大赛中，学生团队要自主设计、制作机器人并进行编程。要求参赛机器人既能实现自动程序控制，又能由遥控器控制，还能在特定的竞赛场地上按照一定的规则完成任务。在高水平的比赛交流中，学生可以更深刻地体验科技的力量，将创造性的想法付诸实践，快速提升实践能力，并在团队中发展组织与合作能力，收获尊重和友谊等。

    3.STEM教育与VEX机器人教育具有内在的一致性

    现今社会，科技发展日新月异，教育的现代化势在必行。教育理念的更新，教育应用的创新，学生的多元化培养等，都是时代的呼唤。学科教育不应只局限于构建独立的知识体系，而应更多提倡跨学科的融合。在学习方式上，应倡导在真实复杂的情境中，通过团队协作学习并解决问题;在教育方式上，应强调理论与实践相结合，引导学生将知识应用于实践;在资源形式上，应强调资源的开放，有效支持教师的教和学生的学。在这样的背景下，STEM教育与VEX机器人教育有必要深度融合。

    二、STEM教育视角下的

    VEX机器人教学实践过程

    1.构建基于项目式学习的VEX机器人教学模式

    项目式学习是STEM教育的主要学习方式，强调以学生为中心，在相对真实复杂的问题情境中，以小组合作的方式，为解决问题而学习多学科知识，重构或整合知识体系，最终完成問题的解决。这个过程可有效培养学生的合作能力、问题解决能力、自主学习能力等。笔者在机器人教学实践中，逐渐形成了基于项目式学习的教学模式（见图1）。

    2.在STEM视角下设计VEX机器人课程内容

    VEX机器人教育涉及科学、物理、工程、数学、计算机编程等多门学科，强调团队协作能力、动手拼装能力、计算思维能力、问题解决能力和创新精神的培养。在STEM视角下，可将VEX 机器人课程内容细化，并基于项目式学习开展教学实践（见表1）。

    3.基于项目式学习的VEX机器人教学活动设计

    以VEX-DER高中组机器人项目“攻城易帜”为例，由福建省厦门市海沧中学的高中VEX机器人实验室社团实施，共有学生16人，分成4个组。配有2名专任教师，其中一名是信息技术教师，另一名主要从事物理实验教学。在基于项目式学习的VEX机器人教学活动中，首先要了解当季赛事的主题和规则，师生一起解读并熟悉相关规则。接下来，教师会从基础知识入手，引导学生了解VEX硬件器材和相关工具的使用，学会VEX编程软件（即Robot C语言）。然后，从模仿往年机型的搭建开始，让学生熟悉操作并尝试改进创意设计。每个小组要在规定时间内完成主题机器人的设计，期间要经历组内讨论、交流、反复修改等过程，有专门的时间用于汇报和展示。最后，组织小组对抗赛，选出优胜组。各组将借此机会进一步发现本组机器人存在的问题，可继续对其进行改进或完善。此外，学校还可以借助区域联盟的力量，在校际之间进行模拟排位赛，互相交流与提升[5]。VEX机器人教学活动的内容与重难点见表2。

    VEX机器人比赛每年的主题都不一样。通过几个赛季的实践，师生形成了以项目式学习为主的教学实践流程（见图2），并积累了活动经验。

    一是活动准备，组建团队。每个队员根据自己对VEX机器人的了解，结合当年赛事的主题组建团队。通常一个小组有2至4人，要选出组长，进行组内分工（如操控手、编程手、拼装手等），合作完成机器人设计与搭建。为此，需要在活动前期做好团建工作，随着教学活动的持续，可以略去这一环节或改为优化团队建设等。

    二是基础授课，学习新知。在项目活动开始前，教师要组织一次案例分析会，师生一起回顾以往赛季，并分析当前赛季。借助网络资源、VEX官网内容、视频案例等，剖析主题赛事的要求、机型特点、机型功能、评分规则（相当于STEM任务中的评价量规）等。教师要鼓励学生自主获取并分析资源或信息。对于抽象的概念原理等，教师可以借助相关结构的案例，用更直观生动的方式帮助学生理解和掌握。在编程方面，可以集中进行基础培训，再对各组选出的编程手进一步培训，如优化冗长语句，将传感器的应用与编程结合等。这些必要的授课，是为了让学生更好地理解机器人运作的原理，并在此基础上探究与项目相关的其他知识。

    三是团队合作，完成设计。机器人的设计离不开团队成员的分工与合作，每个小组对项目主题的解读不尽相同。各组自主制定方案，根据特长或兴趣进行合理分工，组员们通力合作完成拼装、编程、协调等工作。每个成员都要撰写工程日志，记录自己分担的任务、发现的问题、遇到的困难、获得的启发和灵感等，这些日志将成为对小组进行评价的依据之一。

    四是成果汇报，交流反馈。机器人实验室有总体的时间计划，并安排了阶段性汇报，每个小组都要进行汇报交流，对于优秀的设计，还会组织专题汇报会进行分享。交流的形式包括研究性学习汇报、小组交流赛、工程日志分享等。

    五是参加比赛，反思提升。每一次参赛，都是宝贵的学习机会。通过参加各类比赛，学生可以借鉴别人的长处或学习其他机型的设计方法，结交盟友，分享心得;可以在比赛中发现问题，反思比赛中的得失，撰写赛后心得，继续优化自己的设计，在这样不断的总结与反思中获得不断的提升。教师要注意引导学生以学习的心态参加比赛，注重过程的体验，在比赛中经历成长。

    三、对VEX机器人教学实施的建议

    1.重视对个人与小组的综合评价

    教师和学生都要对个人在团队中的行为表现、任务完成情况等进行评价，还要对整个团队的表现、团队工程日志、团队凝聚力、设计的创新性等进行评价。由于参赛机会和参赛队伍有限，因此在开展活动之前就要强调实验室的规则和选拔标准，综合考量团队中每个成员的参与度、行为素养及STEM素养，这样才能持续激发团队的活力。

    2.引导学生正确对待比赛

    创建机器人实验室的目标是培养品学兼优的创新型、综合型人才，注重学生在过程中的体验和学习能力的提升。小组间会存在一定的竞争，在参加大赛前也需要对成员进行筛选，前期考评是一个比较公平的参考因素。因此，要引导学生正确对待比赛，让学生认识到良好的品行和积极向上的求知精神比在比赛中获胜更重要。要让学生既能接受挑战，也能接受失败，营造良好的实验室氛围，这是使该项活动能够持续健康发展的保障。

    3.引导学生深度学习

    传统人才培养模式中过度依赖“灌输”，强调识记，因此只停留在布鲁姆认知层次的浅层学习阶段，不利于培养学生的创新精神、实践能力和应用能力，并导致了学校教育与实际生活严重脱轨，学生缺乏持续的动力。为改变这种情况，在VEX机器人教学中要基于项目开展研究性学习，使学生能够进入深度学习，不断强化主动探究的意识，培养科学态度和科学精神，逐渐将跨学科知识融会贯通，从而提高STEM素养。

    4.鼓励个性化学习，激发学生潜能与创造力

    活动以自主设计与探究为主，充分尊重学生的创意和想法，满足学生个性化发展的需要。每个小组基于活动项目展开方案设计和进度安排。整个过程，从方案的讨论、问题的提出到信息的获取，再到机器人的设计等，全部由学生小组协作完成。期间，教师要发挥的作用是陪伴、建议、支持和鼓励。教师不宜过多干涉学生的活动，更不能把自己的观点强加给学生，要将自己定位成学生的合作伙伴。

    机器人课程具有较强的科学性和实践性，如果仅依靠传统教学法，很容易导致学生只有“三分钟热度”。实践证明，以项目式学习的方式开展机器人教学活动，让学生在体验与探究中掌握多渠道收集信息和处理信息的方法，可有效提升学生的团队协作能力、问题解决能力和计算思维能力，激发学生实践与创新的精神。

    参考文献

    [1]刘玲，戴金芮.STEM教育落地中国：问题与对策[J].今日教育，2017（10）：14-17.

    [2]谢星魁.教学的重点是培养学生学习和运用知识的能力[J].课程教育研究，2013（28）：192-193.

    [3]环球网.解读芬兰幼儿阶段STEM教育理念及实践特色[DB /OL]. https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1616640325543829613&wfr=spider&for=pc，2018-11-09.

    [4]Caro I A. VEX Robotics： STEM Program and Robotics Competition Expansion into Europe[J].Eurobot，2011（6）：11-12.

    [5]孫燕.基于STEM环境的中学VEX机器人教学实践探索[J].中国教育技术装备，2018（6）：73-75.

    （责任编辑? 郭向和）