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基于STEAM理论的中学机器人课程教学研究设计

来源:互联网 编辑:wan玩的好手游小编 更新:2024-03-18 15:09:35 人气:

摘 要:在项目式学习理论的指导下,采用基于STEAM理论的教学模式设计机器人教学活动,能更有效地实施机器人教育,并有利于推进高科技人才的培养及综合发展。


关键词:STEAM理论;机器人教学;课堂教学设计;项目式学习


研究布景



2017年,由国务院发布的《新一代人工智能发展规划》,将中小学人工智能教育的重要性提升到一个新的高度。各级教育相关部门、学校和社会各界学者,也以不同的形式支持并开展有关机器人教育的活动。在机器人的实际教学过程中,教育工作者结合各种内容进行教学,使学生加强机器人技术的学习,促进多学科的知识学习。同时,通过学生自己的动手操作,培养其创新意识和能力。由此可见,机器人教育符合STEAM教育理念,是基于这一理念的教学实践和探索。


1.STEAM理论下的机器人教育


国内对机器人教育缺乏系统性研究,特别是在一线教学过程中,存在许多问题与疑惑。因此,在STEAM教育的视角下看机器人教育问题变得十分有意义。


2.核心特征


STEAM 教育具备的核心特征有:体验性、情境性、跨学科性、趣味性、技术增强性、艺术性、实证性、协作性、设计性等,都能体现在机器人教育中。机器人教育是素质教育的载体,涉及领域范围广,涉及科学、技术、工程、数学和艺术等。


基于项目的学习模式



基于项目的学习以学科的概念和原理为中心,其目的是生产成品并将产品推销给客户。它是一种新型的探究学习模型,可以利用各种资源在现实世界中进行实践活动,并及时有效地解决相互关联的一系列问题。基于项目的学习贯穿于机器人教育的整个过程。该项目由一个促使学生参加活动的实际问题驱动。学生利用多学科的交叉知识,通过交流讨论和科学探究,利用多种认知工具和信息资源,完成一个或一系列的作品。


基于STEAM理论的机器人课程教学设计



1.教学目标是培养学生的综合素质


机器人教育的总体目标是培养学生的综合STEAM素养,特别注重提高学生的创新能力,其中包含问题解决、批判性思考以及概念理解能力。以学习者特征分析为依据,结合当前机器人教育重基础轻应用、重模仿轻实验的现实情况,剖析“五维一项”的教学目标,具体如下。


(1)知识与技能

在真实的问题情境中,通过对主题的探索,了解和掌握相关的跨学科知识,设计和制作工作模型,提升科学技能与专业素养。在动手实践的过程中,运用生活中所积累的经验解决问题,将自己的设计思路和创造灵感充分融入学生的作品和成果中。


(2)过程与方法

可以使用科学、工程、数学等方法探索实验的主题并完成项目。在合作与交流中发现问题,得出相应的规律和结论,解决问题,学习严谨的思维过程,掌握科学的操作方法和实际操作的基本流程。


(3)情感态度与价值观

体会到将知识学以致用带来的价值,激发学生的想象力和创造力,通过小组研究培养学生的沟通和合作技能。在机器人的创作中,增加艺术感的融入,提升学生的艺术审美。培养学生勇于探索的精神,培养严谨的科学价值观和耐心细致的学习态度。


2.教学内容为“STEAM+R”


我国中小学智能机器人的教学内容在融入STEAM理念后,可以分为两类:一类是机器人学科的相关知识,也是机器人课程的主要内容,包含了机器人基础知识、机器人硬件、机器人编程、机器人的简单应用等4个方面。另一方面是STEAM的相关内容,包含了机器人的社会应用问题。这两部分的内容相互渗透与融合,没有明确的分界线。


具体到某一个机器人课堂(R),需要教学生灵活运用机械、电子、传感器等装置,根据课堂主题项目搭建简易机器人模型,通过图形编程,学生将分为几个合作小组,完成指定的活动任务,进行竞赛,使学生在活跃的课堂氛围中了解科学原理,掌握基本结构,利用网络等资源,完成机器人程序的编写,实现具体的功能,解决实际问题。


3.教学策略必须以学生为主体


基于STEAM理论的机器人教育强调将学生置于实际情境中进行科学探究,培养学生的发散思维和逻辑思维。科学探究型教学的基本导向是科学问题,而机器人可以为科学探究提供技术支持,是科学问题研究数据的来源,是科学探究的工具。


4.教学评价的多元化


强调使用更开放和个性化的评估形式,将每个学习者视为一个自主的人。周围环境的变化同时也影响着学生的学习行为,因此在评估的时候不能只根据直观的学习结果,轻易做出判断和定论。在STEAM教育的评估概念中,一定要对学习者的真实学习活动进行描述,并且随时记录下教学活动中的突发情况,以便做出更为准确和全面的评估。要综合考虑学生个人的价值观,以及复杂的环境对个人评估的影响。


教育课程简介



1.机器人硬件简介


本研究使用教学机器人—LEGO Mindstorms EV3,LEGO Mindstorms是可编程主机、电动机、传感器和LEGO Technic零件(齿轮、轴、梁、螺栓)的集合。早在1986年,丹麦乐高公司和美国麻省理工学院(MIT)合作,开展了一项名为“可编程式积木(Programmable Brick)”的研究活动,从此,LEGO Mindstorms EV3应运而生。


2.机器人软件简介


LEGO Mindstorms EV3软件是一款专业的乐高 EV3编程软件,该软件的操作界面为可视化模块,功能十分强大,可以对各种机器人动作进行设计编写。该软件包含的EV3机器人编程工具覆盖面广,内置的程序模块内容丰富,功能强大。总共包含五类编程模块:动作模块、数据流模块、传感器模块、数据运算模块和高级模块。通过使用乐高智能积木和数字软件,处于中学阶段的学生可以探索科学、编程和工程。该课程有助于培养审辩式思维技能,提高创造力,以及探索现实生活中的 STEAM 主题。


3.机器人课程内容


LEGO Mindstorms EV3机器人致力于机器人课程的研发,为教师带去丰富的教学支持。乐高机器人解决了大部分人不懂电子电路、数字逻辑、机械力学等专业知识也能学习机器人制作的难题,简单易上手,特别适合中小学生接触学习。采用乐高机器人教育方案,学生用户可以直接跳过大量繁杂的专业知识,只要自己有清晰的逻辑脉络,就不愁搭建不出自己的机器人。


教学活动设计案例



机器人课程教学并不是单纯讲授编程方法,而是将STEAM教育中的相关科目进行有机整合,与实际生活相联系,引导学生自主地开展跨学科探究活动。本课程依照学习内容及难度分为基础I、基础II、进阶三个部分,每部分各18次课,每次课1小时30分钟(2课时),共36课时。教学的基本内容侧重于机器人的相关知识和基来源根基理,在这一基础上,允许学生通过模拟某些现实生活场景体验机器人在现实生活中的重要作用。整体课程从现实出发,引导学生通过设计机器人并完成相关的竞赛任务解决问题。


结语



本研究中所提及的丹麦乐高机器人,既是针对中小学生开发的学习型教育机器人代表,也是机器人行业与产品中的领头羊。针对这一产品所开发的校本课程,对于国内的中小学智能机器人教育的持续发展具有重大意义。该课程的教学内容涉猎广泛,综合了多学科知识,趣味性高,实践性强。同时,课程结合了最新、最前沿的科学成果,将STEAM教育中提倡的素质教育也涵盖其中,值得大范围应用与推广。


作者简介:丁方仪,硕士;蔡孟秋,博士,教授;陈曙光,硕士,教授。湖南大学,410000。


原文刊发于《中国现代教育装备》杂志2019年第16期,本文有删减。


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