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初嘗STEM教育 ——機器人科學實踐活動的幾點嘗試

作者:池晶晶    瀏覽次數:1832     【關閉
初嘗STEM教育——機器人科學實踐活動的幾點嘗試
北京市石景山區實驗中學  池晶晶

摘要:
    STEM教育并不是科學、技術、工程和數學教育的簡單疊加,而是將這些學科有機地融合為一個整體。通過學習STEAM課程,我們能夠將所學到的各學科知識以及機械的學習過程轉變成一個探究事物之間相互的、不同聯系的過程,更加強調學生在雜亂無章的學習情境中的問題解決能力。中小學的機器人教育開展的很早,早期受到國外機器人教育的啟發,再加之對機器人教育的懵懂,有些學?;ù髢r錢建立機器人實驗室,但器材只夠幾個學生使用,老師的水平參差不齊,如何在機器人科學實踐活動中嘗試STEM教育呢?
關鍵詞: STEM教育;機器人;科學實踐

    隨著創客(Maker)日益受到社會關注,開展創客教育已成為教育界討論并實踐的熱點。我認為創客教育不能滑入到在中小學推廣創造發明的歧途,而應是推進跨學科知識融合的STEM教育,在幫助學生打好扎實的科學、技術、工程和數學知識的基礎之上,培養學生創新精神與實踐能力,促進創新型、創業型人才的成長。
    什么是STEM教育呢?STEM是科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)和數學(Mathematics)四門學科的簡稱,強調多學科的交叉融合。STEM教育并不是科學、技術、工程和數學教育的簡單疊加,而是將這些學科有機地融合為一個整體。通過學習STEAM課程,我們能夠將所學到的各學科知識以及機械的學習過程轉變成一個探究事物之間相互的、不同聯系的過程,更加強調學生在雜亂無章的學習情境中的問題解決能力。
    我們說的到STEM教育中,科學就是發現、解釋自然世界背后的規律;技術就是改造事物的經驗、技巧等方法;工程是應用科學、數學,用技術作為手段實現出高效、可靠且對人類有用的事物;數學是描述世界的精確語言和解決問題的工具。數學與技術在這里是隱性的,而工程和科學是顯性的。在基礎教育中,對學生而言,不是僅僅為了培養科學家和工程師,而是普世的教育價值、即人格的培養。對國家而言,我們要開展STEM教育是為了提高國家未來的核心競爭力。
    在目前的基礎教育中,校本課程、科學實踐活動是學生們接受STEM教育的最佳途徑。也是開展校園STEM教育的最佳場所和途徑。從2013年,我成立了基于網絡環境下的機器人工作室。在這幾年的教育活動中,我嘗試了進行STEM教育,并一直在不斷的摸索學習。領悟STEM教育的真諦,為學生的發展做出嘗試。
    中小學的機器人教育開展的很早,早期受到國外機器人教育的啟發,再加之對機器人教育的懵懂,有些學?;ù髢r錢建立機器人實驗室,但器材只夠幾個學生使用,老師的水平參差不齊,廠家的培訓又是走過場,后續服務跟不上,另外學校工作的重點是升學考試,時間長了東西也就擱置了。到現在,還有很多學校存放大量早期的機器人器材不用。到了后來,隨著機器人步入基礎教育的腳步加快,各個學校意識到科技教育的重要性,于是開始大力發展機器人教育。以前一直做的學?,F在如虎添翼,沒搞過的學校又找到培訓機構或者機器人廠家,買設備進行比賽,工程師幫助調試,教師幫助搭建。機器人比賽獲獎,科技教育大獲豐收。這些是我們想要的教育嗎?看看以前的所謂的機器人比賽,其實在比的是買的設備,比的是買的服務,比的是指導教師水平。哪一點比的是學生的基本素質了?學生比賽的過程就是按下啟動按鈕。這是我們要培養的學生科學素養嗎?顯然這樣的教育不是我們需要的,也是一種畸形的教育。針對以上的問題,我們必須嘗試一些改變。機器人教育不僅僅是為了參加比賽獲獎,而是培養學生的科學素養。
    一、知識是自己探索總結的 
    在我的機器人科學實踐活動中,學生是主人,學生是發現者,是數學家,是工程師,是教育者,是……。在這里,學生每人每天都會有收獲,我也會給他們進行分組,任命組長,組長對組員進行分工,有搭建機器人、編程、做記錄等等。他們在一起互相討論。在講一些原理或者基本知識的時候,我會讓學生自己探索。比如書上寫了光電傳感器和超聲波傳感器的探測范圍,我可以直接告訴他們。但是過后他們也許會忘了,也許記住了。但是為什么是范圍這么大?范圍是什么形狀的,他們也許就不知道了。而且這些才是他們應該問的問題,也是他們應該自己探索的問題。于是我不直接告訴他們,而是讓他們想辦法去測量,他們會想到很多辦法去測量。有些組把機器人超聲波傳感器固定好,自己當障礙物慢慢移動,然后看讀數。同時他們也發現一些測量問題不是很嚴謹,應該多次嘗試,他們想到一個相對比較嚴謹的方法,如測量場地固定有標尺,測量傳感器固定,障礙物固定等等,并在場地中自己畫出了超聲波傳感器的范圍。這時再讓他們看書,查資料。驗證一下他們的方法得出的結論和書上的一樣不一樣。他們學到的不僅僅是科學知識了,而學到很多解決問題的方法。
    二、技術是自己不斷改進的
    技術已經深入到我們的學習生活中的幾乎每個方面,它在教育中扮演著重要的角色,特別是在科學、技術、工程和數學的教育中。機器人科學實踐活動我弄了幾年了,我們也會參加一些比賽,當然我參加的比賽是學生的比賽,而不是指導教師的比賽。在這幾年日常的學習和比賽中,學生們會自己不斷的發現合適的技術,運用在學習和比賽中。其中有一次比賽由于紅外傳感器會受到一些環境光的干擾。為了比賽的嚴謹性,他們自己想對自己的機器人的紅外傳感器進行一個簡單保護,開始他們用紙杯子為工具。但很快就發現了問題,這個問題提出后,他們又在想其他辦法,運用其他技術解決,比如用木頭塊、硬紙盒等等,到最后他們想到一個更好的技術來完成這個問題——用3D打印機打出一個保護罩。尺寸大小用數學知識完全可以設計確定,而且通過這個技術使得做工非常簡單。問題解決了,運用了新的技術,在不斷的改進中完成,我想這段經歷會給他們帶來很多的啟發,這就是STEM教育的真諦。
    三、項目是大家合作完成的
    STEM跨學科整合最核心、最重要的工作是項目或問題的設計,如果沒有良好的結構化項目設計,會導致學習困難、效率不高、挫折感強、學習收獲不大等系列問題。STEM項目設計強調將知識蘊含于情境化的真實問題中,強調調動學生主動積極地利用各學科的相關知識設計解決方案,跨越學科界限提高學生解決實際問題的能力。
    每學期的最后幾節課我都會安排一個項目。這個項目有可能是比賽的項目,也有可能是突發奇想的。項目提出后,大家會按照分組的情況進行分工,有的上網查資料;有的畫任務流程圖、工程草圖;有的進行搭建機器人;有的對項目進行編程??傊畷髫撈湄?,互相配合。然后把他們的完成過程都記錄下來,有什么問題可以直接查看。大家一起做項目,有時候在這個項目的基礎上他們還能提出新的項目。新的項目也需要他們自己來完成。在每個項目里他們不斷的發現問題,解決問題,提出問題,解答問題。
    俗語說:興趣是最好的老師。對于學生來說,只要是他樂意學習的東西他就能全身心的投入并且會取得較好的學習效果。對于機器人的學習來說,程序的設計不是原來的苦燥無味,而體現在它的實踐與靈活性上,學生的任意設計與想法都可以體現在機器人的行為動作上,這樣學生就可以以機器人為學習載體來輕松自如地掌握程序設計了。通過這種項目設計,能提高學生鉆研的精神,能捕捉創新的靈感和實現奇特的想法,能讓學生學會在自己的動手中提高解決實際問題的能力。
    總之,在現代社會對從業者的高壓力下,學生不僅要掌握知識,更應該懂得如何運用知識。在STEM教育中,這種應用能力要求學生對STEM各個學科都有足夠的認識,即將STEM進行整合的學習,因此將技術、工程與科學、數學進行整合必將成為STEM教育的主要趨勢,這個過程不僅能夠提高學生的應用能力,還可以提高學生的創新性思維能力和高階思維能力。
    日前,國務院辦公廳印發的《全民科學素質行動計劃綱要實施方案》中明確提出:推進義務教育階段的科技教育,增強中學數學、物理、化學、生物等學科教學的橫向配合。推進高中階段的科技教育,鼓勵普通高中探索開展科學創新與技術實踐的跨學科探究活動。不難看出,從國家層面的政策引導,到社會發展對科技創新型人才的需要,在中學開展STEM教育已成為必然。然而我們在實踐中也發現很多問題:如何尋找科技素養普及與科技精英培養的平衡點;教師從傳統的單一學科教學到跨學科整合的理念及專業水平有待提升;適合的STEM項目資源匱乏;學生在動手實踐項目上的大量時間精力投入與傳統學科學習間的沖突等。一切皆有可能,吾輩仍需努力。21世紀的競爭,歸根到底還是人才的競爭,如何實現彎道超車,給世界一個更美好的未來,是許多STEM領域的從業人員、教育者應該思考的問題。
    對于STEM教學的探索,我們剛剛起步,教育需要理性的思考與踏實的實踐。我也會沿著這條路繼續探索和嘗試。在科學實踐活動中繼續進行STEM教育,在STEM教育中不斷學習改進。

參考文獻:
    趙中建:《基于項目的STEM學習》,上??萍冀逃霭嫔?,2016年1月第1版,P274
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