基于STEAM的中小学能力风暴机器人教学模式研究

1、基于STEAM的中小学能力风暴机器人教学模式研究在教育全球化和信息化不断发展的今天，来自美国的STEAM教育理念在我国 发展的如火如荼，来自教育部的文件也将其作为一种“跨学科学习的、具有创客 思维的"新模式而积极的鼓励推广。机器人教育，它是众多学科领域的结合体， 由多种传统学科组成，包括物理学、建筑学、结构学、计算机科学等等，培养了学 生的组合实践能力和创新能力，是STEAM教育理念的有机产物。但是我国的机器 人教育目前来说处于一个刚刚起步的状态，大部分以竞赛为主，尚未走入常规课 堂，教学设计模式还不成熟。因此，在STEAM教育理念的大思潮下，研究并设计出一种符合学生特点的基于 ST

2、EAM的机器人的教学模式是十分有必要的。一、STEAM教育理念STEM的概念诞生于20世纪80年代，最初是由美国政府所提出的教育倡议、 目的是为推进美国K12关于科学(Science )、技术(Technology )、工程 (Engineering)以及数学(Mathematics)的教育，加强学生在科学、技术、工程和 数学领域的学习和发展，培养学生的综合素养，从而提升其在全球的竞争力。而 STEAM是近年来美国在STEM的概念上乂加入的一个关于艺术(ART)的教育，使之 变得更加完善。STEAM的出现打破了传统的教育思想和学习方式，STEAM这个词在我国 就好 比我们经常听到的一句话“学好

3、数理化，走遍全天下”，因为STEAM教育里最主 要学习的就是理工科的内容，但是他们却有着很大的不同，它并不是单一课程的 学习，而是将多门学科知识相融合，形成一个完整的知识体系，以真实的科学问 题为向导，通过让学生自己选择并动手完成自己感兴趣的、与生活息息相关的问 题，从而让孩子们在完成的过程中学到相关跨学科领域的问题，培训学生的综合 实践能力、团队协作能力、科学创新能力及解决问题的能力等等。二、能力风暴机器人能力风暴机器人于1996年创始于上海未来伙伴机器人有限公司，是全球笫 一个教育机器人品牌，它有自己独立的运行平台，可以通过流程图和JC代码两种 方式进行编程，具有出色的交互式功能。教育机器

4、人作为学生学习能力和实践创 新能力的平台，与一般的智能机器人相比具有以下四大优势：1 .趣味性。教育机器人对学生来说是十分新颖的尝试，孩子们有着强大的好 奇心，且学习的过程是孩子们自主设计研究的，充满挑战和趣味，能有效激发孩 子们的学习兴趣，使学生们乐在其中，享受其中。2 .学科综合性。教育机器人综合了数学、物理、建筑、机械、电子、能源、 人工智能、计算机软硬件等等学科领域知识，使孩子们学到的不仅仅是单一的学 科知识，而是更多学科领域的综合知识体系，扩展了学生的知识面。3 .科学技术性。教育机器人不仅融合了最顶级的科学技术，而且能自主吸收 众多科学技术领域的新发展，保证了技术的持续先进性。在未

5、来可预见的一白年 里，教育机器人仍将是最先进的技术教育平台。4 .自主体验性。教育机器人非常便于设计各种比赛项目，通过给孩子们设计 一定的完成目标，让他们自主的去动手创作体验。在实践的过程中锻炼学生的动 手能力、综合能力、创新能力、团体合作能力和解决问题的能力等等。三、基于STEAM的能力风暴机器人教学模式研究1. STEAM理念下的能力风暴机器人教学结构设计STEAM是科学、技术、工程、艺术和数学这五个英文首字母的缩写，是这五 个学科领域相互交织在一起的一种新的科学体系，而非单一的学科知识内容的学 习。在能力风暴机器人的教学中，结合STEAM五要素的理论内容，构建了如图一 所示的教学结构框架

6、，其中S （科学）代表着电子科技、物理学等基础科学领域 的学习应用；T （技术）代表着能力风暴机器人设计、编程等方面的相关技 术； E （工程）代表着软件工程学，体现了人与能力风暴机器人直接的互动；A （艺 术）体现着能力风暴机器人不同的设计搭建的艺术；M （数学）体现着基础数学 中逻辑判断等的应用。STEAM理念下的能力风暴机器人教学充分体现了多种学科 领域的综合应用，改变了传统的教学思想，开阔了学生的创新发散思维，锻炼了 生的动手实践能力。图1: .STEAM理念下能力风暴机器人教学结构框架2. STEAM理念下能力风暴机器人教学模式研究基于STEAM理念的机器人学习一定是来自于生活中实际

7、问题的解决，通过 让 学生自主思索探究来完成真正的STEAM教育。能力风暴教育机器人是一门手脑并 用的课程，在一个个问题任务的驱动下，让孩子们自主利用机器人的积木模块来 拼装搭建一个个任务模型以及所需的策略物，学生通过不断的思考、探索、实践、 挑战来完成一定的任务，让学生在解决一个个实践问题的过程中产生对科学的爱 好与向往。整个教育模式流程如图2所示，主要包括以下几个方面：教师：做好前期准备工作设计情景，布置薛总结学生讨果引导学生进行实践分析总结对学生成果进行点评学生：准备工作|<!= 学生分小组课题引入头脑风暴动手实践跟随情景，思考任务小组间核心问题讨论动手实践（搭建+编程）/I展示成

8、果匚 总结收获图2: .STEAM理念下能力风暴机器人教学模式流程设计（1） 准备工作。准备工作的完成是整个教学的基础，在这个阶段教学需要准备好一切课上需 要做的实验器材、零件并帮助学生分好组别。通常情况下我们的机器人教学是两个 学生为一组，小组人数过多的话则不利于学生的实践学习以及教学活动的展开。（2） 课题引入爱因斯坦曾经说过，兴趣是人们最好的老师。在课题引入的这个阶段里，教师 要善于设计情景，在学生现有知识结构的前提上，选择贴近学生学习生活的例子， 充分抓住学生的好奇心理，激发学生学习的兴趣。学生需要紧随老师的节凑，带 着好奇的心理主动的思考老师提出的任务。（3） 头脑风暴头脑风暴最初是

9、由美国人奥斯提出的，指的是一群人（或小组）间围绕着一个 特定的问题，产生新智慧和新想法的意思。在这一步中，学生需要在小组间围 绕 着先前老师提出的核心问题进行深入的讨论，通过小组间的头脑风暴来产生出 解 决问题的方法途径，甚至是提出更加创意的新思路和新方法。而老师需要做的就 是讲解机器结构的原理和使用方法 在适当的情况下引领和总结学生的讨论结 果 积极的赞美学生，提高学生的自豪感，使他们对下一步的实践充满期待，提高学 生的学习效率。（4） 动手实践小组成员头脑风暴后，根据每组解决问题的思路开始进行动手实践操作了。中 小学生对理论知识接收的能力薄弱，但是通过亲身动手实践，让学生真正参与到 学习的

10、过程中来，就会有很大的收获。机器人的教学中，学生主要完成的就是 搭 建和编程这两项任务 首先根据自己的思路利用机器人零件搭建出所需的策略物， 也就是拼装一个完成任务的机器模型。搭建好之后，由于中小学生的编程水 平有 限，这里我们就利用流程图的方式完成编程工作。而老师需要的就是观察学生的 实践情况，对学生实践中出现的问题进行一定的解答，从而完成整个任务。（5） 成果展示学生动手完成任务作品后，就是向其他同学展示讲解自己的作品，说出自己是如何设计的，通过这个环节可以让学生吸收别组的精华之处，学习他们的优势和 思维，丰富自己的创造力。除此之外，老师也需要对每组的成果和收获进行一定 的总结。(6)点评

11、讨论在了解其他小组的成果作品后，需要各组之间进行相互的点评和讨论，给出自 己的意见和建议，教师也对每组的作品进行点评，学生通过吸取他人的意见使自 己的作品变得更加完善。3.教学实践案例能力风暴机器人课堂对于中小学生来说，由于他们的接受能力有限，因此在课 程选题上以简单明了的项目为主。这里我们以制作声光控楼道灯一课为例，介 绍能力风暴机器人的教学流程和实施。(1)准备工作。声光控楼道灯需要准备的就是声音传感器、光敏传感器、控制器、 机器拼装模块和笔记本电脑，并将学生两两分为一组。(2)课题引入。教师就生活中的楼道灯向学生提问，它是如何做到夜晚时有人经 过就亮而没人的时候就熄灭的呢？并给学生展示教

12、师自己做好的模拟声光控楼道 灯，吸引学生的兴趣。(3)头脑风暴。对老师提出的问题，同学们两两一组开始思考讨论，首先想象一 下他们想搭建出怎样的模型，接着分析出需要两个传感器，分别为声音传感器 光敏传感器。等学生讨论差不多的时候老师进行总结，讲解了声音传感器和光 传感器的使用方法以及如何利用VJC4.2程序对声音传感器、光敏传感器进行 置，然后讲解了条件语句的使用方法和灯光的控制方式。(4)动手实践。在设计出自己的解决方案以及明确了老师的讲解后，同学们就 始动手实践了，首先利用机器人模块对楼道灯进行一个简易的搭建，这时可以 到每组同学搭建的都是不一样的，充分发挥了他们的想象能力。搭建完成后利 能力风暴自带的VJC4. 2进行流程图的编程方式，编程的方式也是各不相同的， 图3便是编程方式的一种。学生通过自己动手来完成一个小任务会感觉到十分 骄傲，对后续的学习也充满了自信与期待。充分锻炼了孩子的动手能力、创作 力以及综合实践能力。m您cc户夕匕主程JFlr/gg图3:声光控楼道灯程序设计和敏设开看用如的能0 VJC.42 <<成4,，楼通+对+窗【】(5)成果展示与点评讨论。由小组同学分别展示并讲解.自己声光控楼道灯的作 品，展示后每个小组进行讨论，发表自己意见，说说这个作品的优缺点，最后由老师进行点评和总结。通过利用这种教学模式，使每个同学都兴趣盎然，积极主动的获取