情境模拟下的科学教育融合策略和实践研究

随着教育理念的不断进步，情境模拟作为一种有效的教学策略，逐渐在科学教育领域崭露头角。该策略通过创设贴近学生生活实际或科学现象本身的情境，使学生在模拟的环境中主动探索、合作学习，从而深化对科学概念的理解，进而生发出探究未知世界的兴趣。乐高教育套件，作为一种集趣味性、创造性和教育性于一体的教学工具，其模块化、可拼接的特点，为科学教育提供了丰富的教学资源与无限的想象空间。将乐高教育套件融入情境模拟教学中，不仅能够丰富教学手段，还能促进学生动手操作能力和创新思维的发展。

一、实践研究

（一）实验对象与分组

1.选择实验学校与班级。本研究选择了广州、珠海、东莞三个地区的三所实验学校。这些学校在科学教育方面具有一定的改革意识和实践基础，便于实施和评估情境模拟下的乐高教育套件融合策略。

2.进行随机或分层抽样。在实验学校随机选取四或五年级的班级作为实验对象，确保样本的多样性和代表性。每个班级的学生人数控制在30人左右，以便更好地进行小组协作和个性化指导。

（二）教学实施过程

1.教学准备阶段。教师根据教学目标和所选班级学生的实际情况，选择合适的乐高教育套件，以及相关辅助材料和工具，布置适宜的教学环境，包括足够的操作空间和展示区域。同时，教师接受乐高教育套件相关技术培训，确保能够熟练指导学生使用。

2.情境导入阶段。以“超级清理器”项目为例，教师通过讲述埃利斯小岛的环境问题（如垃圾污染情况），播放相关视频资料，展示岛上常见垃圾种类及特征，引发学生对环境问题的关注，激发学生参与项目的兴趣。在此过程中，引导学生积极思考，提出关于垃圾清理的初步想法，并与教师和同学进行互动交流，如讨论日常生活中遇到的类似环境问题及可能的解决办法。

3.知识讲解与任务布置阶段。教师讲解项目涉及的物理、数学等学科知识要点，如质量、密度概念，机械手抓取原理（涉及静摩擦力、压力等知识），以及基本搭建和编程技能要求。同时，布置具体任务：设计并搭建能够清理岛上不同垃圾的超级清理机器人，包括搭建两种不同设计的机械手，并编程实现其抓取功能，要求学生在过程中运用所学知识解决实际问题，培养学生的跨学科思维和实践能力。

4.小组合作探究阶段。将学生分成若干小组，每组4～6人。小组成员分工合作，共同完成搭建和编程任务。在搭建手动控制器、测试机械手及编程探索动作与反应过程中，学生不断尝试不同的搭建方法和编程逻辑，遇到问题时共同讨论解决方案。期间，教师在各小组间巡视，及时提供技术支持和指导，解答学生疑问，鼓励学生创新思维，引导学生深入思考科学原理在实践中的应用。

5.实验测试与结果分析阶段。学生对搭建好的超级清理机器人进行测试，估算不同物体的体积、质量，用两种机械手分别抓取不同物品（如橙子、A4纸团、空瓶、积木等），详细记录抓取情况，包括是否成功抓取、抓取过程中的问题等。小组内讨论分析实验结果，依据物理观念（如静摩擦力与物体质量、尺寸、表面光滑程度的关系）和科学探究方法，总结两种机械手分别适合抓取的物体类型及原因。各小组之间分享交流实验结论，教师引导学生进一步思考如何改进机械手设计，提升学生对科学概念的理解和应用能力。

6.拓展创新阶段。教师提出新的挑战：如在埃利斯小岛四周海洋发现漂浮垃圾，如何改造清理机器人来清理这些漂浮垃圾？学生根据之前的实验结论和对新场景的分析，重新设计机械手或改进整个机器人系统，发挥创新思维，提出各种创意。例如，有学生提出增加浮力装置使机器人能在水面工作，有学生设计专门针对漂浮垃圾形状和特性的新型机械手结构。小组内整合创意，制定改进方案并实施，培养学生在新情境下运用知识解决问题和创新设计的能力。

7.评估总结阶段。教师对学生完成任务情况进行评价，包括机械手搭建、编程运行、实验表格填写、学科知识运用、新场景创意提出、小组合作交流及成员互评等方面。同时，学生进行自我评估，选择代表小组水平的彩色积木（蓝色、黄色、紫色分别对应不同能力水平），并进行同伴互评，提供建设性反馈。最后，师生共同回顾整个项目过程，总结经验教训，引导学生反思在项目中所学的知识和技能，鼓励学生将所学应用到未来的学习和生活中，提升实际操作能力和创新思维。

二、研究结果与分析

（一）学生参与度分析

1.量化数据：通过参与度观察记录，发现学生在课堂上的平均参与度达到了90%以上，特别是在搭建和编程环节，学生的积极性极高。

2.课堂活跃程度：课堂氛围活跃，学生互动频繁，教师能够及时回应学生的问题和需求。

（二）知识掌握情况

1.前后测成绩对比：通过对比教学前后的知识测试成绩，发现学生的平均分提高了近20分，表明学生在机械手工作原理、编程指令等基础知识方面有了显著提升。

2.学习成效：学生在跨学科知识的综合运用方面也表现出色，能够运用物理、数学等学科的知识来解决实际问题。

（三）思维创新与问题解决能力

1.作品创新性评价：学生的机械手作品表现出较高的创新性，不仅在结构上有所不同，还在功能上进行了拓展和优化。

2.问题解决过程分析：学生在搭建和测试过程中遇到了不少问题，如机械手的稳定性、抓取效果等，但他们都能够通过小组讨论和教师指导找到解决方案，这体现了他们较强的问题解决能力。

（四）团队协作能力

1.小组作业表现：学生在小组协作中表现出良好的沟通能力和协作精神，能够共同完成任务并分享成果。

2.同伴评价：通过同伴评价，发现学生在团队协作中能够相互支持、相互学习，共同提高。这不仅有助于提升学生的团队协作能力，还促进了他们的相互理解和信任。

三、结论与展望

（一）研究总结

本研究通过实践验证了情境模拟下乐高教育套件在科学教育中的融合策略的有效性。该融合策略不仅显著提升了学生的科学素养，还增强了他们的问题解决能力和团队协作能力。具体表现为学生在科学知识理解、实践操作、创新思维和团队协作等方面均取得了显著进步。

（二）研究局限与未来研究方向

尽管本研究取得了一定的成果，但仍存在一些局限性和不足。例如，样本数量有限，可能无法全面反映所有学生的情况；情境模拟的设计和实施需要耗费大量时间和精力，难以在多所学校广泛推广。未来研究可以进一步扩大样本数量，提高研究的普遍性和代表性；探索更加高效、便捷的情境模拟设计和实施方法，以推动该融合策略在更多学校的广泛应用。

（三）对教育工作者与政策制定者的建议

1.加强技术培训：为教师提供定期的技术培训和支持，确保他们能够熟练使用乐高教育套件及相关软件。

2.推广跨学科整合：鼓励教育工作者在教学中广泛应用跨学科整合策略，培养学生综合运用知识解决问题的能力。

3.增加资源投入：政府和相关部门应加大对科学教育的投入力度，提供更多的资源和支持，推动情境模拟与乐高教育套件的广泛应用和发展。

注：本文系广东省教育研究院第二批STEM教育专项研究重点课题“基于STEM的机器人校本课程开发研究”（立项编号：GDJY-2020-S-a009）研究成果。