STEM教育視野下的智能機器人競賽活動實施

許松彥

在基礎教育領域，智能機器人競賽活動以其讓學生在動手操作的過程中培養邏輯思維能力、合作精神和創新能力的特點，成為培養創新型人才的良好載體。2014年，在杭州青少年活動中心舉辦的以“五水共治”為主題的機器人競賽活動，對于提高學生的科學素養、工程素養、數學素養、技術素養具有一定的理論價值和應用推廣價值。本文通過分析STEM教育理念，結合杭州的實際情況來闡述STEM教育視野下的智能機器人競賽活動實施。

● 時代背景

1.STEM教育的內涵

STEM教育源自20世紀80年代的美國，其內涵旨在將科學、技術、工程、數學這四個領域看作彼此聯系的整體，試圖提高未來國家的國際競爭力。在STEM教育中，科學素養是重點，是為學生將來進一步從事科學研究打下基礎;技術素養和工程素養則是在實際的社會分工中普遍體現的，它以明顯的應用特點為科學研究提供工具和思路;數學素養是STEM教育的基礎，技術深入、工程論證、科學推理和建模都需要數學作為基礎。

2.智能機器人競賽的意義及現狀

智能機器人技術是涉及機械、電子、計算機、人工智能等多種技術的實踐性學科。智能機器人教學的總體目標是在了解機器人內部構造、功能及應用狀況等知識的前提下，動手搭建機器人，設計機器人行動策略，編寫機器人程序。由于其自身的知識綜合性和技術應用領域的廣泛性，為培養學生的綜合能力，如邏輯思維能力、分析和解決問題的能力、動手能力、合作能力和創造能力提供了良好的平臺。隨著信息化的發展以及人們科技意識的加強，機器人教學逐漸趨于幼齡化，很多經濟發達地區從小學低年級開設智能機器人（校本）課程、興趣班，社會上的幼兒機器人培訓班、機器人高手俱樂部層出不窮。學校及市場培訓機構的教學質量關系到該領域能否健康、良性地發展，也關系到面向21世紀人才的培養。

3.杭州青少年機器人競賽任務設置說明

制作一個自主移動的機器人，機器人從基地出發，在模擬的場地上完成任務。

①場地（如下圖）。賽臺的內部尺寸長為235cm、寬115cm，四周裝有邊框，高為5cm。場地內有機器人待命區以及相關任務的模型。待命區為長寬均為32cm的正方形向上延伸的虛擬空間。選手在比賽時可以在場地上自行粘貼不多于4條長20cm、寬1.8cm的黑膠帶。

②機器人大小。機器人尺寸長寬不超過32cm，高度不限。一個控制器，電機、傳感器等其他部件不限。

③任務。自主設計并制作一個可以程序控制的機器人，在模擬的場地上完成治污水、防洪水、排澇水、保供水、抓節水等任務。治污水：機器人需要在工廠區域完成凈化廢水的任務，將兩塊紅色方形模型從檢測區中取出并放置到凈化裝置上。防洪水：機器人需要完成加固堤壩的任務，將工程車運送至大壩施工區，并且將加固物投放至大壩內部。排澇水：機器人需要完成清理河道淤泥的任務，將河道內的三處淤泥（堤壩加固物）移出河道。保供水：機器人需要完成搶修供水管的任務，將城市供水網內兩處斷裂管道修理完畢。抓節水：機器人需要完成安裝雨水收集器的任務，將三個基地中的雨水收集器放置到城市的指定地點。

● STEM教育視野下的智能機器人競賽項目設置

智能機器人競賽能夠實現STEM教育四要素的有機整合。如在完成任務時，教師通常會要求學生先思考可以有幾種策略完成任務、哪種策略最佳。在編程時，教師要求學生畫程序流程圖，通過反復測試、分析現象、發現問題、提出修改方案并及時調整，使機器人表現出最佳狀態。在任務中，體現了科學素養、技術素養、工程素養及數學素養（如表1）。

● 智能機器人競賽項目實施成果

在杭州青少年活動中心舉辦的“2014年杭州市青少年機器人競賽”上，來自全市中小學校的118支隊伍的學生，帶著他們自行設計、制作、編程的智能機器人，圍繞本屆大賽的競賽命題“五水共治”，讓機器人以各自不同的方式完成治污水、防洪水、排澇水、保供水、抓節水五個環節的指定任務。這項賽事不僅考驗參賽選手掌握機械、電子、編程等相關知識和動手能力，還通過比賽讓孩子們更加深入了解“五水共治”的意義和價值，并在解決比賽任務的同時為“五水共治”獻計獻策。從完成任務的程度的人數分布來看（如表2），符合STEM教育的理念，為不同程度的、不同年齡的學生提供了競賽的環境。

● STEM教育視野下的智能機器人競賽理念深化

科學源于生活，科技又能造福生活。當學校與日常生活已無法滿足孩子對科學日益增加的好奇心時，智能機器人競賽中所用的機器人小車，則需要學生從每一處細節的設計、鋸割、搭建，以及計算機編程各方面都完美配合，其中更涉及各種科學原理貫穿始終——將廣泛覆蓋于未來的智能機器人科學技術、計算機高級編程與各種傳感器的準確運用;機械、物理與數學等學科領域的最前沿理論技術。

1.立足STEM素養的培養，著眼學生的終身發展

機器人課程在培養學生的STEM素養方面有其獨特的優勢，作為一門基礎課程，要面向全體學生，從基礎教育的特點出發，為學生適應現代社會、走向學習化和學生的終身發展奠定堅實基礎。

2.倡導積極主動、勇于探索的學習方式

機器人競賽活動要為學生營造動手動腦、進行設計活動的環境，提供必要的設備和工具，倡導學生積極主動、勇于探索的學習精神，組織學生進行探究式學習，讓學生充分動手實踐，積極合作，主動探究。

3.注重拓展學生的知識面，提高學生的綜合設計能力

由于機器人競賽涉及光機電一體化、感測通訊、自動控制、人工智能、多媒體等方面問題，既有硬件設計也有軟件設計，應注意學生知識廣度的學習，讓學生了解和掌握大量知識，充分拓展學生的知識面。同時要提倡設計過程的規范化，提高學生的綜合設計能力。這是課程的基本目標之一。

4.注重學生創造潛能的開發，加強學生實踐能力的培養

在競賽活動中，要鼓勵學生想象、懷疑和批判，營造民主、活躍、進取的學習氛圍;充分利用課程內容，培養學生的學習興趣，激發學生的創造欲望;通過設計、制作、試驗等活動，培養學生的科學探究能力和敢于創新、善于創造的精神和勇氣，使學生的創造潛能得到良好地引導和有效地開發，進一步發展學生的實踐能力。

5.立足科學、技術、社會視野，加強人文素養的教育

當代社會，技術與科學、社會的關系越來越密切。機器人課程要通過具體的技術實踐使學生理解技術與科學、藝術的聯系和區別，以及兩者對社會發展、人類生活所具有的同等意義上的重要作用，從而深化學生的認識，開拓學生的視野。同時，要注意將技術所蘊含的豐富人文因素，自然地融入教學活動中，提升學生的人文素養。