STEM 教育理念下機器人課堂教學的開發與設計

錢建華

唐山市第四十九中學

20 世紀80 年代，美國提出STEM 教育并發展成為國家戰略。到21 世紀,弗吉尼亞理工大學將藝術加入進來，提出發展STEAM 教育理念。近年來，STEM、STEAM 及STEM+教育迅速傳播推廣。

一、STEM 教育理念及機器人發展現狀

STEM 是科學、技術、工程、數學四門學科的組合，STEM 課程重點是加強對學生這四個方面的教育。學生對機器人工智能產品有較高的興趣，但缺乏相關的教育。早在2013 年，我校購買了機器人，同年，在全國青少年機器人競賽中取得了優異成績。隨后購買設備將機器人教育納入常規課堂教學。

二、STEM 教育理念下機器人課堂教學設計

教學分析

《移動轉向模塊的應用》是我校基于STEM 教育理念下開發的校本課程《創客教育——機器人設計》第四課內容，本節課主要學習移動轉向模塊。STEM 課程聚焦學生創新能力，機器人課程是新型課程，學生新鮮感強，能積極的參與到活動中。

教學目標

1.知識與技能。

(1)認識移動轉向模塊，掌握移動轉向模塊的5 種功能；(2)學會使用流程控制中的等待模塊。

2.過程與方法。

通過編程模塊的認識，在任務驅動下掌握編程技巧，運用已知數學知識，在實踐中解決問題。

3.情感態度與價值觀。

(1)學會運用多種方法解決問題；(2)培養多學科知識跨領域的融合運用能力；(3)激發科技創新意識，培養科技創新能力。

教學過程

1.視頻引入，知識回顧。

(1)視頻中的機器人能夠打羽毛球是設計者賦予了它指令，如何將任務指令賦予給機器人呢？引出課題，激發學生學習的欲望。(2)學習硬件頁面中三種指令的區別。(3)認識編程模塊類型：綠色代表動作類模塊，橘色是流程控制類模塊，黃色是傳感器類模塊，紅色是數據操作類模塊，藍色是高級類模塊，淺藍色是自定義模塊。

（二）認識模塊，動手實踐

1.認識移動轉向模塊。

2.模塊功能介紹。

（1）移動轉向的功能選項，分為：開啟；關閉；開啟指定秒數；開啟指定度數；開啟指定圈數。（2）轉向。（3）大型電機運轉時的功率。（4）電機轉動圈數。（5）結束時制動。

學生動手實踐——編程并運行小車基座，體驗移動轉向模塊的五種功能。

（三）小組合作,完成任務

1.任務一直線行駛。

（1）任務要求：用移動轉向模塊，小組選擇設置秒數、度數、圈數使小車直線行駛。（2）提出問題：①如何讓小車的行駛速度變快或變慢？②功率設置為負數的時候是什么現象？

2.任務二懸崖勒馬。

（1）任務要求：小車距離懸崖只有1 米的距離，如何讓小車準確的停在一米的位置，請同學思考小車如何做到了懸崖勒馬呢？（2）已知條件及提示：通過測量車輪直徑5.6cm，轉動一圈（周長）是多少cm？車輪轉一圈為360°，1 米的距離需要轉動多少圈？（3）解決方案：已知車輪直徑5.6cm，轉動一圈利用數學 公 式C=πd=3.14×5.6=17.584cm， 行 駛1 米 的 距 離100÷17.584 ≈5.69(圈)。車輪轉一圈為360°，1 米的距離需要360×5.69=2048（度）。（4）將計算結果寫入程序。（5）下載程序進行實踐演示操作。

3.任務三定點停車。

（1）任務要求：結合教學場地圖，小車每走20cm 就停一次，直至走完一米的距離。（2）已知條件及提示：可借助任務二中求得的數值，使用流程模塊——等待模塊。（3）解決方案：①任務二中得知小車車輪周長17.584cm，行駛20cm 米的距離需轉動20÷17.584 ≈1.14（圈）；②任務二中得知1 米的距離行駛了5.69 圈，分析任務要求將1 米的距離分5 段行駛，每段車輪轉動5.69÷5 ≈1.14（圈）；③從設置度數的角度考慮：2048÷5 ≈410（度）。（4）將計算結果寫入程序。（5）循環結構：在程序的編寫上有能力的小組可以考慮使用循環結構編寫程序。（6）下載程序進行實踐演示操作。

（四）課堂小結、感知體悟

解決行駛中存在問題：通過實踐操作和師生討論，得出基座搭建的松緊度，行駛速度，功率大小，場地與輪胎的摩擦力都對小車行駛的準確性造成影響。通過調試使自己的小車行駛的更加完美。

整節課學生熟練掌握了編寫直線移動的程序，也學會運用原有知識解決問題，運用數學計算編寫機器人程序。

教學評價

本課體現了STEM 教育的跨學科性、體驗性和情境性的核心特征。內容安排適中，給學生營造了輕松易學的氛圍，讓學生感受到編程的快樂。任務設計上循序漸進，每位同學能在小組合作中找到問題的解決辦法。課堂氣氛融洽，課堂效果良好。

機器人教育重要的是在STEM 教育理念下提高學生綜合素質、靈活運用知識的能力，是培養學生創新精神和實踐能力的最佳模式和有效途徑。