摘要：为了提升学生的科学素养，文章首先对相关概念进行了界定，然后分析了机器人教育在初中学生科学素养培养中融入的作用，最后提出了机器人教育在初中学生科学素养培养中融入的策略，包括活动主题与学生生活实际相联系；任务分层，循序渐进提出拓展任务；灵活选用各种教学方法；等等。

　　关键词：科学素养；机器人教育；初中学生

　　国民的科学素养对国家经济发展具有重要作用，也是国家综合实力的一种表现。中国科学技术协会发布的第十一次中国公民科学素质抽样调查结果显示，2020年公民具备科学素质的比例达到10.56%，较2015年的6.20%提高了4.36个百分点，但我国公民科学素质在整体快速提升的同时，也面临发展不平衡的问题[1]。为全面提升我国公民的科学素质，国务院印发了《全民科学素质行动规划纲要(2021—2035年)》(以下简称《纲要》)，指出2025年的目标为我国公民具备科学素质的比例超过15%，各地区、各人群科学素质发展不均衡情况明显改善[2]。为实现目标，《纲要》规定在“十四五”时期实施五项提升行动，其中第一项就是青少年科学素质提升行动。初中阶段是学生成长的重要阶段，也是其科学素养培养和发展的关键时期。切实培养初中学生的科学素养不但是初中教育的一个重要任务，也是有效促进我国公民整体科学素养提高的重要内容。

　　一、相关概念界定

　　(一)机器人教育

　　对于机器人目前没有一个固定的定义。本文所说的机器人是指能够通过编程控制且具备完成一定任务能力的多功能操作装置。教育是培养人的活动，其基本构成要素包括教育者、学习者、教育内容、教育手段。而机器人教育从教育要素构成的角度来看，突出了教育内容——机器人。概括来说，机器人教育就是将机器人知识和技能作为学习的载体，通过让学生自己设计、搭建、编程控制机器人等活动学习机器人知识和技能，从而培养学生的实践能力、创新能力[3]。机器人教育从表面上看主要是学习机器人搭建和控制的知识与技能，但实际上是通过显性的引导，让学生了解和学习机器人知识，同时隐性地培养学生动手能力、实践能力和创新能力，进而促进学生的全面发展。随着我国基础教育信息化发展，机器人教育越来越被人们所重视。近年来，很多中小学都开展了各种形式的机器人教育。

　　(二)科学素养

　　素养是后天形成的，会随着人们的社会实践和学习不断提高。美国学者赫德在1958年最早提出科学素养概念，即表示个人具备的对科学的基本理解。科学素养概念经历了很长时期的发展，国内外学者对科学素养内涵及结构的探讨与争论一直持续到现在。《纲要》对科学素养表述如下：公民具备科学素质是指崇尚科学精神，树立科学思想，掌握基本科学方法，了解必要科技知识，并具有应用其分析判断事物和解决实际问题的能力。国际上将科学素养概括为三个部分，一是基本了解科学知识；二是基本了解科学的研究过程和方法；三是基本了解科学技术对社会和个人产生的影响。初中阶段的科学、物理、化学等课程都以提高全体学生科学素养为目标。比如，《义务教育物理课程标准(2011年版)》有如下表述：物理课程不仅要注重科学知识的传授和技能的训练，而且要注重对学生探究能力、科学态度、科学精神方面的培养[4]。综合以上关于科学素养的论述，本文把科学素养分为四个维度：科学知识、科学探究、科学态度、科学技术与社会。现在各国已经普遍认识到，培养学生的科学素养是公民科学素养培养中的首要任务。因此，初中生科学素养的培养渐成热潮，越来越多的专家和实践者开始探索培养初中生科学素养的路径。通过对文献的整理和调研分析，笔者发现了以下两种科学素养培养的路径：基于物理、化学等学科课程培养科学素养和基于课外科学活动培养科学素养。机器人教育作为一种科技教育活动，与科技素养之间存在天然的联系。机器人教育能够提高学生的创造能力、批判性思维能力、问题解决能力及沟通合作能力，同时这些能力也是从事科学探究活动的必备能力，所以说机器人教育和科学探究的本质是契合的。

　　二、机器人教育在初中学生科学素养培养中融入的作用

　　(一)促进科学知识的理解和掌握

　　科学知识是初中学生科学素养构成的第一要素和基本要素，包括对具体的概念、原理及规则的理解等，是人类在认识世界和改造世界过程中累积的经验的总结。科学知识是构成个人科学素养的基本组成成分，没有科学知识就根本不可能有科学能力。初中学生能学习科学知识的主要学科有物理、化学、生物、地理、信息技术等。而机器人教育涵盖信息技术、机械、工程、数学、物理等方面知识，是一门综合性很强的课程，有利于初中学生对科学知识的理解、掌握和应用。以初中物理为例，初中物理学科学习的主题有测量、运动、声音、光、力、能量、电，而完成机器人拼搭时，学生会对滑轮、杠杆、齿轮转动、弹性与弹力有更深入的理解。即利用编程控制机器人的运动会涉及多种多样的运动、力、能量转化知识，且机器人运动过程中的发声会涉及声音知识。由此可以看出，学生通过机器人教育可以更好地理解、掌握和应用初中物理学科的科学知识。另外，机器人本身就是一种科学技术的体现，机器人教育可以把现代科学与技术知识引入初中教育，促进学生对相关知识的理解[5]。

　　(二)体验科学探究的基本过程，发展科学探究能力

　　科学探究是人们探索和了解世界、获取科学知识的主要方法，也是提出科学问题，形成一定猜想和假设，进行信息获取和处理，基于证据分析得出结论并做出解释，以及对整个过程和结果进行交流、评估、反思的能力[6]。科学探究是培养学生科学素养的关键，是学生养成科学素养的必要途径，其主要特点是以证据为基础。有学者认为，科学探究的基本程序应包括提出问题与形成假设、制订计划与设计实验、进行实验与收集数据、分析数据与得出结论、评价与反思五个环节。项目教学被很多初中教育者认为是非常适用于机器人教学的方法，其本质就是一种新型探究式学习模式，基于项目的机器人教学是指在教师的引导下，通过设置真实的问题情境，让学生通过小组合作形式，最终完成机器人作品的制作。在作品制作过程中，学生需要根据项目制订相应的计划，并根据计划开展探究活动。具体来说，学生会经历提出问题、形成假设、制订计划、搜集证据、处理信息、得出结论、表达交流、评价与反思等过程[7]。在尝试构建与编程控制机器人过程中，学生能体验科学探究的基本过程，同时掌握最基本的科学研究方法，学会运用科学方法解决问题，发展科学探究能力。以“自动识捡垃圾机器人”为例，在提出问题与形成假设阶段，教师可从真实生活中的现象引入探究问题：“某路面垃圾过多，应如何设计机器人帮助工人工作呢？”学生根据知识、经验及查阅资料形成假设——“识别垃圾—抓取垃圾—送入车斗—归位重新搜索”。在制定计划和设计实验阶段，学生可采用小组合作的方式制定具体的探究计划。在进行实验和收集数据阶段，学生需准备器材，进行机器人结构搭建，然后进行程序设计与调试。由于机器人的运动惯性、路面摩擦力及电源电压变化对机器人运动速度的影响，学生需要不断进行测试和调整，这个过程是一个不断循环往复的过程。在分析数据和得出结论阶段，学生应在教师提前创设好的教学情境中，展示自己设计的机器人的功能。在评价与反思阶段，教师要引导各个小组展示自己设计的机器人作品，并进行小组自评和互评。由此可以看出，制作机器人的过程实际上就是科学探究的过程。

　　(三)形成实事求是、追求创新的科学态度

　　科学态度是学生对科学现象、科学过程、科学事实、科学研究等持有的稳定心理倾向，主要包括好奇心、实事求是、追求创新、合作分享四个方面。要想提升初中学生的科学素养，首先要激发学生对科学研究的兴趣，使其体会到获取科学知识和探索科学问题的乐趣。对此，教师通过开展机器人教育，利用积木搭建和组装生活中常见的事物，能引发学生的好奇心，进而引导他们热爱科学，并从中学到科学知识[8]。每次机器人的搭建、设计和编程都不可能一次性获得成功，而是需要反复拆卸，利用代码不断进行调试和整改。另外，实践和理论也不总是同步的，同一个机器人和代码在不同的场地可能就会出现不同的运行效果，故设计能否成功必须经过检验，这有利于学生实事求是科学态度的培养[9]。机器人教育给学生开创了一个自由发挥的空间，这是因为机器人的搭建并不是固定的拼接过程，而是有着很大的灵活性，同时机器人结构和外观的变化对程序运行有很大的影响，这将促使学生追求创新，不断地完善、改变结构和外观，从而使之更加合理。机器人教育中的项目都具有一定的开放性，没有固定的解决方式，故学生设计和搭建机器人本身就是一种创新实践活动，这会促使学生形成追求创新的科学态度。另外，机器人教育一般都是以小组合作的形式开展，这可以让学生互相学习、取长补短，并体验团队合作的优势，形成乐于合作分享的态度，进而有效培养学生的沟通与协作能力。

　　(四)更为关注科技与社会的联系

　　在科学技术日益发展的今天，科技对社会的发展起到了极大的推动作用，但同时其也是一把“双刃剑”，在促进社会发展的同时，有时也会对人类造成危害，给社会带来负面影响。了解科学技术对社会、环境、个人产生的影响，是个人科学素养的必备维度。机器人活动的设计，大部分是用于解决日常生活或社会中的一些问题，如智能垃圾桶、饮水思源、应对气候变暖、工业时代等，这些项目主题需要学生应用机器人解决真实生活中的问题，进而会使学生更加关注科学、技术与社会之间的关系。学生通过参加机器人教育活动，能更好地体验到科技给社会带来的影响，增强社会责任感。

　　三、机器人教育在初中学生科学素养培养中融入的策略

　　(一)活动主题与学生生活实际相联系

　　“兴趣是最好的老师。”因此，选取的机器人活动主题应从初中学生熟悉的日常生活出发，与生活中的实际应用相联系，这样可以激发学生的学习兴趣，有利于引起学生的共鸣和思考，引发学生动手制作的欲望，从而实现“兴趣—好奇心—探索”的转换，例如，“智能道闸机器人”活动主题就来源于生活中小区门口的道闸。与生活实际联系的主题活动，还可以促使学生形成运用信息技术解决生活中实际问题的意识。若学生在解决问题的过程中能享受到机器人作品带来的实用效果，会更好地激发其学习机器人知识的动机。建构主义强调学生的学习是一个积极主动的建构过程，所以教育者要为学生创设良好的学习氛围，设置能够引起学生兴趣或认知冲突的情境，激发学生的主动思维。因此对于活动主题的呈现，教师可以利用图片、视频、动画等多媒体技术创设融入活动主题的情境，这样可以更好地激发学生学习和探究的欲望。

　　(二)任务分层，循序渐进提出拓展任务

　　机器人课堂的学习任务可分为两个层面：基础任务和拓展任务。基础任务要求所有小组都完成，即完成基础任务是机器人教学必须达到的目标。拓展任务是在基础任务的基础上，提升了任务的难度和复杂性。教师分层设置任务，对课堂任务进行梯度化分解，能最大限度地保证每个小组、每位学生都可以得到能力上的锻炼。由于课堂中各小组完成基础任务的速度不同，故让基础任务完成得较快的小组完成拓展任务，可以让学生获得一定的成就感。例如，在“红外测障机器人”这一内容的学习中，基础任务就是让机器人完成前方测障，拓展任务1是让机器人跟着人走，拓展任务2是让机器人躲避障碍物。教学实践表明，虽然有的小组在给定的教学时间内只能完成基础任务，但是这些小组会利用课余时间完成拓展任务，由此提升了学生探究的积极性。

　　(三)灵活选用各种教学方法

　　项目教学法需要学生合作设计、构造、编写程序以操控机器人作品。很多初中教育者认为项目教学法适合机器人教育，但这并不是唯一的方法，机器人教育还会用到很多其他教学方法，如讲解法、讲练结合法[10]。讲解法适合在原理讲解部分应用，这是因为大部分学生认为这部分内容较为枯燥，因此教师在讲解时要注意与实际生活相联系，此外，教师还可以借助多媒体手段，把不容易理解的知识以视觉化的形式呈现出来。例如，学习齿轮传动、链条传动的原理时，教师可以将其分别与钟表、自行车等生活中的物体进行比较，也可以借助多媒体进行讲解。讲练结合主要是教师讲解演示制作步骤后，学生按照教师的讲解和演示完成相应的制作流程，这有利于学生掌握机器人各基础构件的使用方法，促进学生机器人搭建技能的形成。讲解法和讲练结合法更适合学生学习和掌握基础知识和基本技能，而项目教学法有利于提高学生动手能力、创新能力和科学素养，因此教师应在教学中灵活选择、合理使用这三种教学方法。在教学初期，教师可以多组织一些模仿活动，但在学生掌握基本知识后，教师要鼓励学生多尝试创新，利用发散思维不断探索，培养学生创新能力。无论教师选用哪种方法，都要发挥学生的主体性，让学生动脑和动手，主动参与学习过程。随着信息技术与教育融合的发展，教师还可以充分利用网络学习资源，如微课、翻转课堂等，把基础知识的学习放在课堂外，在课堂上给学生留足动手实践的时间。

　　(四)适时引导，给学生提供“脚手架”

　　在初中机器人课堂中，虽然主要教学形式是学生自己动脑去想、动手去做，但这并不意味着教师可以放手不管。若没有教师的指导，学生难免会在好奇心的驱使下进行一些盲目、自发、低效的探究活动。学生在探究活动中的假设、制作、评价等一系列行为，需要教师在必要时刻给予指导。具体来说，在机器人项目教学正式开始时，教师可使用引导、启发的方式帮助学生发现问题和对问题进行拆分。在机器人搭建环节，虽然教师需要给学生足够的创作空间，但有时也需要给学生提供相应的学习支架，如适当地通过图片、视频为学生提供直观的教学内容，启发学生分析机器人搭建中主要的结构和要实现的程序功能。在机器人展示环节，教师要引导学生对机器人的结构、外观和性能有清晰明确的认识。学生在探究过程中，常常会遇到障碍，有些障碍学生凭借自己的能力可以逾越，而有些问题则需要教师的帮助。通过适当的引导，学生能够产生醍醐灌顶、豁然开朗的感觉，从而少走弯路，而且能基于教师的引导，从中掌握一定的思考路径、思维方式。例如，在“爬坡小车”活动中，学生制作的小车在斜坡上车轮打滑，怎么也上不去，于是学生从减轻车重、改变摩擦力等方面进行调整，但都达不到理想效果，部分学生有些气馁。这时教师可以提示学生观察轮子的转动，使其发现前排的轮子转动，后排的轮子没有转动，从而想到把车改成四轮驱动，这样的指导和帮助可以给学生完成项目提供“脚手架”。

　　(五)构建合理的学习评价体系

　　学习评价在初中整个机器人教学过程中起调节反馈的作用，是教学活动中不可缺少的组成部分。学习评价的目的在于调动学生学习的积极性和创造性，促进学生的发展，因此要关注学生在原有水平上的提高。有效的评价必须依赖科学而明确的教学目标和学习评价方法。从教学目标来看，教学评价的内容要包括两个方面：一是作为机器人课程，需要考查学生对机器人基础知识、基本技能的掌握情况，同时考查机器人作品的完成情况；二是作为科学素养培养课程，需要考查学生在探究活动过程中的具体表现，从提出问题与形成假设、制定计划和设计实验、进行实验和收集数据、分析数据和得出结论、评价与反思五个维度对学生的学习情况进行评价[11]。从评价主体来说，既要有教师评价，同时也要引导学生进行自我评价、自我分析和自我调整，以及引导学生进行组间互评和组内互评。从评价的作用来看，要坚持形成性评价与总结性评价的有效结合。其中，形成性评价可对学生在机器人学习过程中的表现、取得的成果及反映出的情感、态度、策略等方面进行评价，能最大限度地发挥评价的诊断与激励功能，评价手段主要有座谈、教师观察、学生自我评价表、组员互评表等，侧重科学探究五个维度的评价；总结性评价是机器人课程结束后对学生学习结果的评价，评价手段有作品展示汇报、现场作品制作、小组互评表等，侧重于机器人知识和技能、创新能力、实践能力的评价。无论是形成性评价还是总结性评价，都应建立在尊重学生、重在鼓励的基础上，同时要关注学生的差异性，做到因材施教[12]。

　　四、结语

　　科学素养是国民整体素质的重要组成部分，国民科学素养水平的高低直接关系到一个国家的科技实力。习近平总书记说过，没有全民科学素质普遍提高，就难以建立起宏大的高素质创新大军，难以实现科技成果快速转化[13]。当前每个国家都十分重视全民科学素养提升，而初中阶段的学习对一个人科学素养的形成具有重要作用。机器人作为一种新兴的科学技术，在教育中的应用越来越普遍，因此基于机器人教育开展科学教育，将科学知识的学习与现实生活联系起来，能为学生提供良好的探究平台和探究环境，可以让学生对科学技术学习产生兴趣，在培养学生的科学素养方面起到一定作用，但目前这种教育仍处于起步阶段，需要一线教师和研究者积极开展进一步的探索。

　　[1]第十一次中国公民科学素质抽样调查结果公民具备科学素质的比例达到10.56%[EB/OL].(2021-01-27)

　　[2]国务院关于印发全民科学素质行动规划纲要(2021—2035年)的通知[EB/OL].(2021-06-25)[2022-06-20]

　　[3]孙瑣.小学机器人教育中培养创新能力的教学策略研究[D].济南:山东师范大学,2020.

　　[4]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准(2011年版)[M].北京:北京师范大学出版社,2012:16-17.

　　[5]王益,张剑平.在机器人教育中提升学生的科学素养[J].中国教育信息化,2007(18):34-36.

　　[6]刘恩山.义务教育小学科学课程标准解读[M].北京:高等教育出版社,2018:34.

　　[7]刘波,林厚从,陆钟兴.依托机器人课程培养中学生科学素养[J].机器人技术与应用,2014(5):13-15.

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　　[9]周长波.信息技术与虚拟机器人竞赛的融合:提升学生信息与科学素养的有效途径[J].科技风,2018(34):72.

　　[10]钟柏昌,张碌.我国中小学机器人教育的现状调查与分析[J].中国电化教育,2015(7):101-107.

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　　[12]李玫.基于智能机器人平台的科学课程教学模式构建及实证研究[D].西安:陕西师范大学,2018.

　　[13]习近平.为建设世界科技强国而奋斗:在全国科技创新大会、两院院士大会、中国科协第九次全国代表大会上的讲话[EB/OL].(2016-05-30)