STEM教育理念下 简易机器人制作项目学习实践

蒋继征

笔者所在学校结合STEM教育理念，教师和学生一起在教学过程中设计了无锡惠山古镇探究、校园文化研究、简易机器人制作、物联网应用、3D创意打印等一系列项目。所有的项目都是真实的，都是基于学校和学生的实际情况，都是可操作的；每个项目既是独立的又是联合的，都由项目确立、实施、结束和结果评估等阶段构成；项目实施活动所给予学生的并不是简单地将各学科组合起来，而是要把学习的过程转变成一个探究世界相互联系的过程。项目学习一般以开发最终作品或“人工制品”为出发点，在教师的指导下，学生按自己的设计思路，采用科学的方法完成作品设计。作品设计是项目学习贯穿的主线和驱动力，学生在完成作品的过程中进行检索、讨论、演算、设计、观察等学习活动，并解决一个或多个问题，从而获得知识和技能。作品制作是STEM学习的重点，但更为重要的是，学生在制作作品过程中获得跨学科的知识和技能，并获得创造性运用知识的社会性能力。基于项目的学习并非只强调学科知识的掌握，还侧重对教材内容以外知识的体验与经历，旨在丰富学生对事物的认识，注重生活经验知识的增长。整个学习过程应真实可信，是反映真实情境和现实生活的体验性活动，体现将学术性学科知识转化为生活经验知识价值取向。

笔者以八年级简易机器人项目为例，深入实践STEM教育理念并提出一些思考。这一制作项目包括焊接机器人线路板、学习编程、拼装小车、将线路板安装在小汽车上、进行简易机器人调试等实践过程。

焊接过程：实践与提高

片段一：在一个5厘米×5厘米的线路板上要焊接27个电子元器件，密度大。有的电子元器件管脚还很多，如安装一个单片机就要焊接28个管脚。因焊接的电子元器件数量多，管脚密度大，使得马蹄形头的电烙铁无从下手，因为稍不注意就会将管脚粘连在一起，出现短路现象。如何解决这一难题？有学生建议焊锡少点，实践操作下来并不能彻底解决这一问题。有一位学生建议将马蹄形头烙铁统一换成尖头烙铁，因为他自己实践后都能避免粘连短路问题。师生们采纳了这一建议，并付诸实践，的确取得了很好的效果。在后面的制作过程中又遇到了新问题，有的学生因元器件焊接错误后再将元器件取出重新焊接，就会把线路板上的孔堵住，或在焊接时稍不注意会有锡落在线路板上，把其他孔堵住。为了在有限的面积上放尽量多的元器件，线路板采用了双面板，因此堵住孔的锡很难去除，而且在去除的过程中也很容易损坏线路板。学生们又想了很多方法，如用除锡针、吸锡器，但实践下来效果不理想。继续思考、讨论、实践，有一位学生提出“用热烙铁将锡融化，然后直接将元器件管脚穿过孔，再进行焊接就可以了”。经过实践检验，发现这一办法最优，于是又一个问题解决了！

学习的实质是对过程的体验、思考和感悟，而不是体现在试卷上的学习结果。STEM教育重视学习过程，不仅主张通过自学或教师讲授习得抽象知识，更强调学生动手、动脑参与学习过程，在积极参与的学习过程中，使学生通过观察与实际操作来获得真实的学习体验，在学习体验中探究、反思与提高，实现理论知识与实践技能的有效衔接，促进知识的深层次建构。它通过为学生提供多种真实情境和先进工具，加强学生的学习体验。当学习镶嵌在运用该知识的情境之中时，有意义的学习就发生了，因为该项目的问题既是基于真实的生活情境，又蕴含着所要教的结构化知识。这样，学生在解决问题的过程中，不仅能获得知识，还能获得知识的社会性、情境性及迁移运用的能力。情境性问题的解决，可以让学生体验真实的生活，获得社会性成长。在参与和体验学习的过程中，学生不仅获得了结果性知识，更重要的是，提高了自身的学习能力，学会從多学科、多视角、多维度来分析和解决问题，收获了蕴含在真实问题情境中的过程性知识，在焊接的过程中，不断有好的方法来解决意外，学生实现了从“学会”到“会学”的质的突破。

交流评价：协作与建构

片段二：所有元器件都焊接好是不是就意味着机器人电路板焊接成功了呢？因为我们希望看到电路板焊接完后，电池装入电池盒，打开开关就能看到8个小灯依次发光闪烁，小蜂鸣器能鸣唱出生日快乐歌，这样才算成功。首次实践，发现成功率很低，有的只有几个灯亮，有的小喇叭不唱歌，有的甚至一点反应都没有，大面积的不成功给学生带来了挫败感，他们的学习情绪有点低落。如果学生的电路板制作不成功，将会直接影响到下面的程序编写。如果教师将所有问题电路板收上来逐一修好，那将需要较长的修理时间。怎么办？笔者又一次调动学生，让已经做成功的学生帮着没有做成功的学生一起检查和维修。帮着检查的学生，在指导中深化了对该工作原理的理解，实现了自己知识意义上的建构；初次失败的学生也在同伴的协作下，感受到了成功的喜悦。在检查和维修的过程中，培养了学生团结协作的能力以及自己解决实际问题的能力，在这样的操作下，学生基本都能做成功。

STEM教育的本质是基于真实问题的探究性学习，要解决真实问题，强调学生在复杂情境中发展解决问题的能力。问题往往瞬息万变，复杂多样，难度较大，所以学生只有通过与教师以及同学进行交流讨论、协同探索，才能将问题顺利解决，才能有效完成对知识意义的建构。爱玩、喜欢和同伴合作学习是孩子们的天性，教育的使命就是让教学回归真实生活，在做中学，在玩耍中体验，解放学生的天性。教师让做成功与没有做成功的学生搭配在一起，以小组为单位进行学习，彼此之间分工合作，互相之间进行思维上的碰撞，共同商讨，解决问题。小组学习最后的评价环节也是以小组成员的共同表现为参考，而不是根据个人的表现进行独立评价。如此一来，学生参与到趣味的教学活动中，在快乐中学习，能够体验到问题解决的成就感和愉悦感。

学科跨界：融合与创新

片段三：在本项目的学习过程中，学生还需要学习编程，编程用的是ArduBlock教育版软件。如何实现LED小灯的亮和灭？笔者首先介绍了原理：要让LED小灯亮，只需将小灯正极管脚接到电源的正极，另一个脚接到电源的负极，这样就完成了电路的连通，之后电流从高电位流向低电位，LED小灯就亮了。而通过编程，让接LED小灯正极管脚的那个端口作为高低电位来使用就可以实现小灯的亮和灭。学生通过练习很快就掌握了，但是学生并没有满足于此，他们在此基础上发挥自己的想象力进行了创新，有的做出了霓虹灯效果，有的做出了跑马灯效果，有的做出了交通信号灯效果……

通过对光感的编程可以实现让小车循迹行驶。这里的循迹是指小车在白色地板上循随机弯曲的黑线行走，我们采取的方法是红外探测法。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光。当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机通过光感传输过来的数值，利用数学中的比较，来确定小车与黑线的位置关系并制订下一步的行走方案。这样不断地比较判断，始终让小车保持沿着黑线走。学生通过完成这项任务可以体验到纠错的思想。

在编程的过程中，学生主要运用自然科学知识、数学知识和信息技术知识相结合，使用学科知识整合取向分析各学科最基本的学科知识结构，找到不同学科知识点之间的连接点与整合点，将分散的课程知识按跨学科的问题逻辑结构化。将各学科内容改造成以问题为核心的课程组织，通过序列化的问题有机串接起各学科知识，使课程要素形成有机联系和有机结构。知识整合取向模式一般采用基于问题的学习模式（problem-based learning），强调把学习设计在复杂、有意义的问题情境中，通过学生合作解决嵌入真实情境中的问题或与真实世界相关的问题，促进学生对所学知识的理解与建构，从而习得隐含于问题背后的科学知识，形成解决问题的技能和自主学习的能力。它可以使学生通过体验知识获得的过程，促进元认知能力的发展，通过应用知识解决问题达成对知识的灵活掌握，并能对知识进行社会性、情境性的迁移运用。解决问题的目的是让学生掌握蕴含于问题之中或支持问题解决的知识，问题是多学科知识融合的交叉点与整合点，是触发学生学习与探究的触发器，是创新学习的载体。

实践思考：反思与建议

笔者所在学校设计并开设了一些基于STEM教育理念的课程，但在实施过程中教师有几个问题需要把握：①在项目实施过程中容易出现伪探究、伪问题解决的状况，从而导致学生挫折感强，无法形成系统的知识结构以及教师主导地位缺失等问题。②在学生问题解决过程中，教师应发挥协调、指导、检查、监督、计时和评价等作用。能力较强的学生可以摆脱传统的结构化课堂教学对个人学习与设计活动的约束，能更好地发挥个人能力；而一些能力弱的学生会对学习过程中的自由度不适应，需要教师更多的指导；同时由于项目任务非结构化，所以很难实现对学生技能最终结果的全面评估。③不管采用哪种取向的整合模式，将知识情境化与社会化都是其优势，但各学科原有知识体系结构的劣构化是它们面对的共性问题，容易造成学生学习知识结构的不均衡，可能某些知识掌握得较好，有些知识却没有触及。这种基础知识的结构性偏差对中小学生来说是个很大的问题。

STEM教育跨学科整合最核心、最重要的工作是项目或问题的设计。教师应以“项目或问题”为核心立足点，设计项目完成或问题解决过程中的学习资源与工具、学习活动过程、学习支架、学习评价等关键环节，同时关注项目完成后，学生获得知识的系统化与结构化迁移，并有相应的强化练习与总结提升。有效的STEM教育项目设计，必须以有效的学习活动为中介，促进知识的内化，只有这样才能真正提高学生学习效率，促进学生学习的发生。为了在教学活动过程中更好地达到教学目标，教师需要在教学过程中不断进行形成性评价，总结与强化练习，项目结束后需要适时进行教学总结，促进学习者将零散的知識系统化。项目方案试用与改进项目实施过程中，教师一方面要严格按照设计的方案进行实施，确保教学方案的执行，另一方面要根据现实教学条件和形成性评价的结果不断修订设计方案，保证灵活性，使学生具有较强的信息意识与创新意识。