基于STEM環境的中學VEX機器人教學實踐探索

孫燕

摘 要 在基礎教育領域，機器人教育在近幾年受到人們的廣泛關注，學生通過自己設計、搭建出屬于自己的機器人。由于其自身的跨學科性，成為中小學培養STEM（科學、技術、工程、數學）素養的一種有效途徑。對基于STEM環境的VEX機器人教學進行研究，以“給機器人底盤編寫”教學進行活動設計，從而為以后的VEX機器人教學提供思路。

關鍵詞 STEM教育；VEX機器人；機器人教育；中學；軟件編程；ROBOTC

中圖分類號：G633.67 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）06-0073-03

Exploration of VEX Robot Teaching Practice in Middle School based on STEM Environment//SUN Yan

Abstract In the field of education， the robot education has received a

lot of attention in recent years. Students design and build their own

robots. Because of its interdisciplinary nature， it is also an effective

way to cultivate STEM（science， technology， engineering， mathema-tics） accomplishment in primary and secondary schools. This study

conducted research on VEX robot teaching based on STEM environ-

ment， and designed the teaching of robot chassis， so as to provide ideas for future VEX robot teaching.

Key words STEM education； VEX robot； robot education； secon-dary schools； software programming； ROBOTC

1 VEX機器人教育研究現狀

VEX機器人教育通常以競賽的形式存在。VEX機器人大賽又稱VEX機器人世界錦標賽（VEX Robotics Competition），

是一項旨在通過推廣教育型機器人，拓展中學生和大學生對科學、技術、工程和數學領域興趣，提高并促進青少年的團隊合作精神、領導才能和解決問題的能力的世界級大賽[1]。每年大概4月份的VEX機器人世界錦標賽之后，官方就會發布下一年新的比賽規則，參賽者根據新的比賽規則來設計自己的機器人，來培養創新能力和綜合實踐能力。

STEM教育即科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）教育的簡寫。以STEM為理念，主要是因為STEM教育是個多學科交融的領域，這是符合機器人教育的。VEX機器人教學不是傳統的分科式教學，而是一種跨學科教學方式。這要求學生不僅僅要對知識能夠記憶、理解、應用，還要進行分析、評價、創造。VEX機器人的搭建和編程剛好是檢驗對知識掌握的情況。因此，STEM教育并不是將科學、技術、工程和數學四類學科簡單疊加，而是使它們彼此之間進行有效融合，組合成為一個有機的整體[2]。

隨著機器人技術的快速發展，機器人教育在當下已經成為一種趨勢。通過對國內VEX機器人教育現狀的調查發現，中學VEX機器人教學一般是以社團的形式存在的，該形式最大的好處就是能夠進行小組合作學習，一般小組內有四名成員并且各有分工，這樣的形式是符合VEX機器人跨學科、重實踐的特點的。由于VEX機器人大賽是美國公司支持的機器人項目，因此在國內能夠找到的資料非常少，相應的論文也很少，在CNKI中檢索，大多是關于VEX機器人比賽情況的論文，STEM教育與VEX機器人教育整合方面的相關文獻幾乎沒有。因此，本研究嘗試去探尋基于STEM環境的中學VEX機器人教學，并對其教學實例進行活動設計，從而為以后的VEX機器人教學提供思路。

2 VEX機器人教學活動設計與實施

基于任務驅動的教學模式將VEX機器人作為技術和情境創生工具與STEM教育相整合[3]。在這種模式下的教學，不是按照傳統教學中，教師按部就班對書本上的知識進行講授，而是以任務為中心，尋求解答為驅動力，從而來激發學生主動學習。本研究以“給機器人底盤編寫程序”為例，展開在STEM背景下的中學VEX機器人教學。

此案例教學采用基于任務驅動的教學模式，案例選用VEX機器人作為硬件載體，ROBOTC為軟件編程平臺。學生在此之前已經搭好底盤，并且熟悉ROBOTC操作界面。本案例實施是在西安高新一中初中校區VEX機器人社團，其人數在16人（四個組），并且這些學生之前都接觸過機器人，基礎較好，有一定的編程能力。社團內有已經搭建好場地，案例活動時長為120分鐘。

1）活動主題：給底盤編寫程序。

2）活動目標：表1是該案例的整合目標[4]。

3）教學過程。由于本節課是講編程的第一節課，還需要很多的知識做支撐，因此采用任務驅動的教學模式。教學過程中要完成的主要任務：編程實現用遙控器控制底盤的運動。先進行集體教學，然后進行分組活動，四人一組，互相協助，共同完成任務。本案例教學流程如下。

①情境導入（5分鐘）。提出問題：機器人底盤已經搭好了，如何實現讓機器人動起來呢？之后播放這個賽季“步步為營”的比賽視頻，讓學生帶著問題去看視頻，觀察機器人是如何運動的；并現場展示VEX機器人完成編程任務在場地中運動的場景，激發學生的學習動機。

②回顧知識（10分鐘）。回顧上周社團活動所介紹的主控器、遙控器，由學生回答各個端口是干什么用的。做到教師與學生互動，使得學生全程參與教學。

③編程知識講解（15分鐘）。

首先，教師用人類語言和計算機語言的類比，引出機器人所要使用的編程工具——ROBOTC；

其次，以提問的方式讓學生思考機器人底盤是如何進行運動的；

再次，詳細講解機器人底盤的運動原理，接著講解具體在使用ROBOTC軟件時的步驟：先要對端口進行設置；然后講解底盤運動所要用到的知識點；最后講解與主控器連接步驟、與遙控器如何進行對頻。

講解完成，布置任務：用右搖桿控制底盤，可以實現底盤的轉彎；分別用5U、5D（5U、5D是遙控器通道5的兩個按鈕）來控制底盤的直線運動（當按5U時，機器人以50的速度向前運動；當按5D時，機器人以50的速度后退；兩個按鈕都不按時，機器人靜止不動）。

④小組活動（70分鐘）。根據教師布置的任務，學生給機器人底盤進行編程、下載并調試程序操作。該階段是以學生為中心，每組組長組織自己的成員進行社團活動，以組為單位展示具體的程序以及思路和實踐操作機器人，其他學生進行點評。教師針對每組出現的問題進行個性化答疑。

⑤總結（20分鐘）。教師針對學生出現的問題集中做一小結，請已經解決這些問題學生回答，之后點評具體操作并對這節課的知識點進行小結。常遇到的三個問題：無法下載編譯程序怎么辦？電機不正常工作怎么辦？當沒有推搖桿時，底盤會輕微移動，該怎么解決？

4）活動場地。圖1所示為開展VEX機器人活動需要用到的場地，此教學過程是在STEM背景下完成的，因此不需要傳統教室。一共16人，四人一組，共四組。在進行集體教學時，學生坐在投影正中心的桌子上，便于集中注意力聽講；在進行小組活動時，學生回到各個對應的小組進行活動。

5）活動評價。

①知識點測試。課堂一開始對于主控器、遙控器各個端口的作用進行知識點測試，屬于客觀的形成性評價，測試學生對于上節課硬件端口的掌握情況。如果有問題，就進行集中講授。

②匯報評價。通過小組合作學習，共同解決程序問題。小組完成“給機器人底盤編寫程序”之后，每個組派代表進行匯報，展示任務完成情況以及遇到的問題，其他學生進行他評。這樣的評價互動性強，每個學生都能夠進行個性化的學習，能夠培養批判性思維以及綜合實踐能力。

③總結性評價。教師針對匯報的情況做一小結，屬于總結性評價，包括匯報表述是否清晰、是否解決了關鍵問題。

6）總結。在教學實施過程中，發現課堂氣氛非常好，學生都在積極地回答問題，小組活動也有較大的主動性。由此可以看出，基于STEM背景的VEX機器人教學能夠很好地調動學生學習的積極性，對知識也能夠由理論往實踐去轉化，對培養學生的創新意識具有積極意義。

3 教學設計評析

“給機器人底盤編寫程序”這節課是立足于STEM背景的VEX機器人教學，能夠讓學生從科學、技術、工程、數學等方面將抽象的知識具體化。這節課的設計有下面一些特點。

通過師生互動，掌握VEX硬件知識 由于VEX知識對于初中學生有一定的難度，講過的硬件知識也需要回顧，這時候就需要用提問的方式讓學生集中注意力，回答主控器、遙控器的所有按鍵的用法。

理論與實踐結合，運用可視化的編程軟件，將知識具體化 口頭講解ROBOTC軟件編程是難以讓學生掌握編程的，這時候就需要理論與實踐相結合，讓學生自己能給機器人編程并且進行編譯下載，就能很好地將抽象知識具體化，使得學生不再畏懼編程。

小組活動，培養學生團隊意識 不管是VEX機器人的搭建還是編程，僅僅靠一個人的力量是遠遠不夠的，因此就需要培養學生的團隊意識，以小組為單位進行活動。組長將任務進行分工，使得一個小組的四個人都有事可做，這樣效率也會大大提高。

提供展示、交流、分享、反思的機會 通過以小組為單位展示具體的程序、思路和實踐操作機器人，進行相互學習，這也是較為重要的環節，能夠培養學生的自信心、溝通能力等。

4 結語

本文針對中小學機器人教學具有的實操性特點，結合目前的STEM教育[5]，設計基于STEM背景的VEX機器人教學，能夠讓學生從科學、技術、工程、數學不同的角度將學到的知識進行應用，使得學生有較高的學習興趣，能夠調動自主學習的積極性。采用集體教學與小組活動的形式，針對“給機器人底盤編寫程序”這個案例，能夠讓學生不只止步于理論層面，而是轉為理論與實踐相結合。通過機器人的搭建，程序的編寫也能激發學生的創新意識，培養綜合實踐能力以及團隊協作能力，對自己未來的規劃也更加明確。因此，提倡基于STEM背景的機器人教育，越來越多的教師應投身到基于STEM背景的VEX機器人教學的理論探索與實踐中，其課程體系將越來越完善。

參考文獻

[1]Caro I A. VEX Robotics： STEM Program and Robotics

Competition Expansion into Europe[J].Eurobot，2011.

[2]張劍平，王益.機器人教育：現狀、問題與推進策略[J].中國電化教育，2006（12）：65-68.

[3]牟琴，譚良，周雄峻.基于計算思維的任務驅動式教學模式的研究[J].現代教育技術，2011（6）：44-49.

[4]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學科整合模式[J].開放教育研究，2015（4）：13-22.

[5]劉斌，陳惠敏，王超，等.基于問題的學習模式（PBL）研究與應用：“以大學生VEX機器人工程挑戰賽”為例[J].昌吉學院學報，2012（4）：91-96.