初尝STEM教育 ——机器人科学实践活动的几点尝试

作者:池晶晶    浏览次数:291     【关闭
初尝STEM教育——机器人科学实践活动的几点尝试
新万博提现需要多久  池晶晶

摘要:
    STEM教育并不是科学、技术、工程和数学教育的简单叠加,而是将这些学科有机地融合为一个整体。通过学习STEAM课程,我们能够将所学到的各学科知识以及机械的学习过程转变成一个探究事物之间相互的、不同联系的过程,更加强调学生在杂乱无章的学习情境中的问题解决能力。中小学的机器人教育开展的很早,早期受到国外机器人教育的启发,再加之对机器人教育的懵懂,有些学校花大价钱建立机器人实验室,但器材只够几个学生使用,老师的水平参差不齐,如何在机器人科学实践活动中尝试STEM教育呢?
关键词: STEM教育;机器人;科学实践

    随着创客(Maker)日益受到社会关注,开展创客教育已成为教育界讨论并实践的热点。我认为创客教育不能滑入到在中小学推广创造发明的歧途,而应是推进跨学科知识融合的STEM教育,在帮助学生打好扎实的科学、技术、工程和数学知识的基础之上,培养学生创新精神与实践能力,促进创新型、创业型人才的成长。
    什么是STEM教育呢?STEM是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)四门学科的简称,强调多学科的交叉融合。STEM教育并不是科学、技术、工程和数学教育的简单叠加,而是将这些学科有机地融合为一个整体。通过学习STEAM课程,我们能够将所学到的各学科知识以及机械的学习过程转变成一个探究事物之间相互的、不同联系的过程,更加强调学生在杂乱无章的学习情境中的问题解决能力。
    我们说的到STEM教育中,科学就是发现、解释自然世界背后的规律;技术就是改造事物的经验、技巧等方法;工程是应用科学、数学,用技术作为手段实现出高效、可靠且对人类有用的事物;数学是描述世界的精确语言和解决问题的工具。数学与技术在这里是隐性的,而工程和科学是显性的。在基础教育中,对学生而言,不是仅仅为了培养科学家和工程师,而是普世的教育价值、即人格的培养。对国家而言,我们要开展STEM教育是为了提高国家未来的核心竞争力。
    在目前的基础教育中,校本课程、科学实践活动是学生们接受STEM教育的最佳途径。也是开展校园STEM教育的最佳场所和途径。从2013年,我成立了基于网络环境下的机器人工作室。在这几年的教育活动中,我尝试了进行STEM教育,并一直在不断的摸索学习。领悟STEM教育的真谛,为学生的发展做出尝试。
    中小学的机器人教育开展的很早,早期受到国外机器人教育的启发,再加之对机器人教育的懵懂,有些学校花大价钱建立机器人实验室,但器材只够几个学生使用,老师的水平参差不齐,厂家的培训又是走过场,后续服务跟不上,另外学校工作的重点是升学考试,时间长了东西也就搁置了。到现在,还有很多学校存放大量早期的机器人器材不用。到了后来,随着机器人步入基础教育的脚步加快,各个学校意识到科技教育的重要性,于是开始大力发展机器人教育。以前一直做的学校现在如虎添翼,没搞过的学校又找到培训机构或者机器人厂家,买设备进行比赛,工程师帮助调试,教师帮助搭建。机器人比赛获奖,科技教育大获丰收。这些是我们想要的教育吗?看看以前的所谓的机器人比赛,其实在比的是买的设备,比的是买的服务,比的是指导教师水平。哪一点比的是学生的基本素质了?学生比赛的过程就是按下启动按钮。这是我们要培养的学生科学素养吗?显然这样的教育不是我们需要的,也是一种畸形的教育。针对以上的问题,我们必须尝试一些改变。机器人教育不仅仅是为了参加比赛获奖,而是培养学生的科学素养。
    一、知识是自己探索总结的 
    在我的机器人科学实践活动中,学生是主人,学生是发现者,是数学家,是工程师,是教育者,是……。在这里,学生每人每天都会有收获,我也会给他们进行分组,任命组长,组长对组员进行分工,有搭建机器人、编程、做记录等等。他们在一起互相讨论。在讲一些原理或者基本知识的时候,我会让学生自己探索。比如书上写了光电传感器和超声波传感器的探测范围,我可以直接告诉他们。但是过后他们也许会忘了,也许记住了。但是为什么是范围这么大?范围是什么形状的,他们也许就不知道了。而且这些才是他们应该问的问题,也是他们应该自己探索的问题。于是我不直接告诉他们,而是让他们想办法去测量,他们会想到很多办法去测量。有些组把机器人超声波传感器固定好,自己当障碍物慢慢移动,然后看读数。同时他们也发现一些测量问题不是很严谨,应该多次尝试,他们想到一个相对比较严谨的方法,如测量场地固定有标尺,测量传感器固定,障碍物固定等等,并在场地中自己画出了超声波传感器的范围。这时再让他们看书,查资料。验证一下他们的方法得出的结论和书上的一样不一样。他们学到的不仅仅是科学知识了,而学到很多解决问题的方法。
    二、技术是自己不断改进的
    技术已经深入到我们的学习生活中的几乎每个方面,它在教育中扮演着重要的角色,特别是在科学、技术、工程和数学的教育中。机器人科学实践活动我弄了几年了,我们也会参加一些比赛,当然我参加的比赛是学生的比赛,而不是指导教师的比赛。在这几年日常的学习和比赛中,学生们会自己不断的发现合适的技术,运用在学习和比赛中。其中有一次比赛由于红外传感器会受到一些环境光的干扰。为了比赛的严谨性,他们自己想对自己的机器人的红外传感器进行一个简单保护,开始他们用纸杯子为工具。但很快就发现了问题,这个问题提出后,他们又在想其他办法,运用其他技术解决,比如用木头块、硬纸盒等等,到最后他们想到一个更好的技术来完成这个问题——用3D打印机打出一个保护罩。尺寸大小用数学知识完全可以设计确定,而且通过这个技术使得做工非常简单。问题解决了,运用了新的技术,在不断的改进中完成,我想这段经历会给他们带来很多的启发,这就是STEM教育的真谛。
    三、项目是大家合作完成的
    STEM跨学科整合最核心、最重要的工作是项目或问题的设计,如果没有良好的结构化项目设计,会导致学习困难、效率不高、挫折感强、学习收获不大等系列问题。STEM项目设计强调将知识蕴含于情境化的真实问题中,强调调动学生主动积极地利用各学科的相关知识设计解决方案,跨越学科界限提高学生解决实际问题的能力。
    每学期的最后几节课我都会安排一个项目。这个项目有可能是比赛的项目,也有可能是突发奇想的。项目提出后,大家会按照分组的情况进行分工,有的上网查资料;有的画任务流程图、工程草图;有的进行搭建机器人;有的对项目进行编程。总之会各负其责,互相配合。然后把他们的完成过程都记录下来,有什么问题可以直接查看。大家一起做项目,有时候在这个项目的基础上他们还能提出新的项目。新的项目也需要他们自己来完成。在每个项目里他们不断的发现问题,解决问题,提出问题,解答问题。
    俗语说:兴趣是最好的老师。对于学生来说,只要是他乐意学习的东西他就能全身心的投入并且会取得较好的学习效果。对于机器人的学习来说,程序的设计不是原来的苦燥无味,而体现在它的实践与灵活性上,学生的任意设计与想法都可以体现在机器人的行为动作上,这样学生就可以以机器人为学习载体来轻松自如地掌握程序设计了。通过这种项目设计,能提高学生钻研的精神,能捕捉创新的灵感和实现奇特的想法,能让学生学会在自己的动手中提高解决实际问题的能力。
    总之,在现代社会对从业者的高压力下,学生不仅要掌握知识,更应该懂得如何运用知识。在STEM教育中,这种应用能力要求学生对STEM各个学科都有足够的认识,即将STEM进行整合的学习,因此将技术、工程与科学、数学进行整合必将成为STEM教育的主要趋势,这个过程不仅能够提高学生的应用能力,还可以提高学生的创新性思维能力和高阶思维能力。
    日前,国务院办公厅印发的《全民科学素质行动计划纲要实施方案》中明确提出:推进义务教育阶段的科技教育,增强中学数学、物理、化学、生物等学科教学的横向配合。推进高中阶段的科技教育,鼓励普通高中探索开展科学创新与技术实践的跨学科探究活动。不难看出,从国家层面的政策引导,到社会发展对科技创新型人才的需要,在中学开展STEM教育已成为必然。然而我们在实践中也发现很多问题:如何寻找科技素养普及与科技精英培养的平衡点;教师从传统的单一学科教学到跨学科整合的理念及专业水平有待提升;适合的STEM项目资源匮乏;学生在动手实践项目上的大量时间精力投入与传统学科学习间的冲突等。一切皆有可能,吾辈仍需努力。21世纪的竞争,归根到底还是人才的竞争,如何实现弯道超车,给世界一个更美好的未来,是许多STEM领域的从业人员、教育者应该思考的问题。
    对于STEM教学的探索,我们刚刚起步,教育需要理性的思考与踏实的实践。我也会沿着这条路继续探索和尝试。在科学实践活动中继续进行STEM教育,在STEM教育中不断学习改进。

参考文献:
    赵中建:《基于项目的STEM学习》,上海科技教育出版社,2016年1月第1版,P274