與STEM課程融合的高中聲控四足機(jī)器人教學(xué)案例

施容容

[摘 ? 要]廣州科學(xué)城中學(xué)通過高中聲控四足機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)，探索了STEM教育與高中數(shù)學(xué)融合的本土化教學(xué)模式。通過聲控四足機(jī)器人的拼裝和外觀設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)、創(chuàng)新能力、合作學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)意識(shí)和批判性思維。

[關(guān)鍵詞]STEM教育;高中數(shù)學(xué);機(jī)器人

1986年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì)發(fā)表了《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》報(bào)告，被認(rèn)為是今日美國(guó)STEM教育之緣起。隨后，各國(guó)制定了一系列STEM教育的發(fā)展策略和實(shí)施規(guī)劃，使得STEM 教育的研究與實(shí)踐持續(xù)火熱[1]。在我國(guó)，發(fā)展STEM教育已成為科教興國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)。2017年6月，我國(guó)舉辦了“第一屆中國(guó)STEM教育發(fā)展大會(huì)”，并發(fā)布了《中國(guó)STEM教育白皮書》，為我國(guó)STEM教育的發(fā)展指明了方向，推動(dòng)了STEM教育的探索之路。2018年，“STEM教育研究協(xié)同創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建”專題會(huì)議在中國(guó)教育科學(xué)研究院舉行，推進(jìn)了STEM教育的本土化。我國(guó)各地中小學(xué)也開始利用科學(xué)課或通用技術(shù)課開展STEM教育的實(shí)踐研究，STEM教育已經(jīng)進(jìn)入本土化實(shí)施階段。但將STEM教育整合進(jìn)我國(guó)高中數(shù)學(xué)教育中的案例極為少見，而可以支持高中數(shù)學(xué)與STEM教育理念融合的校本教材也暫未有開發(fā)[2]。在此，將以高中“聲控四足機(jī)器人”教學(xué)活動(dòng)為例，闡明與高中數(shù)學(xué)融合的STEM教學(xué)活動(dòng)的開展策略，為相關(guān)校本教材的開發(fā)提供參考。

一、教學(xué)設(shè)計(jì)思路與目標(biāo)

聲控四足機(jī)器人是一款模仿四足動(dòng)物行走的仿生機(jī)器人，它能感知一定響度的聲音（如語音、擊掌聲等）。在受到聲音刺激后，機(jī)器人會(huì)進(jìn)入運(yùn)動(dòng)模式，大約行走5秒后停止運(yùn)動(dòng);當(dāng)再次受到聲音刺激時(shí)，會(huì)再次進(jìn)入運(yùn)動(dòng)模式，周而復(fù)始[3]。聲控四足機(jī)器人教育套件有兩大特點(diǎn)。一是采用分立電子元器件，通過簡(jiǎn)單電路，可以使學(xué)生更清晰地了解電子元件的工作原理和各個(gè)時(shí)刻的工作狀態(tài)，理解機(jī)器人通過“傳感器—控制器—驅(qū)動(dòng)器”工作的核心原理，并掌握相關(guān)科技知識(shí)。二是提供了外觀創(chuàng)意設(shè)計(jì)的空間。學(xué)生可以根據(jù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、功能和作用，加入自己的構(gòu)想，從主題、形式、材料等各方面，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)，發(fā)展科技設(shè)計(jì)思維和動(dòng)手能力。

很多高中生已經(jīng)見過或接觸過機(jī)器人（如掃地機(jī)器人），但對(duì)其原理了解不足，親自搭建過機(jī)器人的學(xué)生更少。但高中學(xué)生已經(jīng)通過不同學(xué)科的學(xué)習(xí)獲得了充分的知識(shí)儲(chǔ)備，具備了一定科學(xué)素養(yǎng)，有能力完成簡(jiǎn)單機(jī)器人的組裝、電路搭建、外觀設(shè)計(jì)等操作。

“聲控四足機(jī)器人”教學(xué)活動(dòng)以機(jī)器人的拼裝和外觀設(shè)計(jì)為主要內(nèi)容，共需要兩個(gè)課時(shí)。教學(xué)設(shè)計(jì)的基本思路是：由教師導(dǎo)入并簡(jiǎn)單說明聲控四足機(jī)器人的核心原理和本質(zhì)特點(diǎn)，使學(xué)生了解自己將要面對(duì)的挑戰(zhàn)，隨后通過循環(huán)的設(shè)計(jì)與操作活動(dòng)完成任務(wù)。活動(dòng)的“循環(huán)”之處體現(xiàn)在，學(xué)生要反復(fù)對(duì)失敗的結(jié)果進(jìn)行分析、總結(jié)并改進(jìn)，直到成功。結(jié)合三維教學(xué)目標(biāo)，可將“聲控四足機(jī)器人”STEM教學(xué)活動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行分析與整合（見表1）。

二、實(shí)施流程

“聲控四足機(jī)器人”教學(xué)活動(dòng)共經(jīng)歷了7個(gè)教學(xué)階段，在每一階段，以不同的問題串引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考和探究學(xué)習(xí)。

1.理解挑戰(zhàn)（5分鐘）

教師從宏觀上簡(jiǎn)要介紹人工智能的發(fā)展歷史，通過視頻介紹工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人的基本信息。此后，具體介紹聲控四足機(jī)器人的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、功能和作用等，并向?qū)W生提出制作聲控四足機(jī)器人的挑戰(zhàn)，使學(xué)生對(duì)將要完成的兩個(gè)具體任務(wù)產(chǎn)生期待并作好心理準(zhǔn)備。

2.任務(wù)一的執(zhí)行（20分鐘）

任務(wù)一是拼裝機(jī)器人。學(xué)生以小組為單位執(zhí)行拼裝任務(wù)，教師巡視指導(dǎo)但不參與實(shí)際操作。教師引導(dǎo)學(xué)生通過小組討論并形成統(tǒng)一意見，請(qǐng)學(xué)生在動(dòng)手拼裝時(shí)思考以下問題。

（1）小組成員如何分工合作？

（2）怎樣理解說明書上的原理圖與文字說明？

（3）在面包板上搭建電路時(shí)，如何利用材料？

（4）進(jìn)行拼裝時(shí)應(yīng)該注意哪些細(xì)節(jié)？

（5）如果不加裝聲控開關(guān)，機(jī)器人可否實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)？

（6）實(shí)現(xiàn)聲控需要進(jìn)行怎樣的調(diào)節(jié)？

3.分析任務(wù)一的結(jié)果（5分鐘）

率先完成任務(wù)的小組可以幫助后完成的小組，在全部小組完成后，請(qǐng)各組討論以下問題。

（1）在拼裝過程中，小組遇到的實(shí)際困難是什么？組員們是怎樣合作克服困難的？

（2）小組在實(shí)驗(yàn)中是否記錄了聲音的大小對(duì)機(jī)器人的影響？如何減少周圍環(huán)境對(duì)機(jī)器人的影響？

（3）小組所拼裝完成的機(jī)器人和設(shè)計(jì)圖中的機(jī)器人是否存在差異？這種差異是怎樣產(chǎn)生的？

（4）小組對(duì)機(jī)器人的傳感器、控制器、執(zhí)行器的工作原理怎樣理解？說明它們是如何協(xié)調(diào)工作的。

4.任務(wù)一的展示分享（10分鐘）

組織各小組派2名以上成員進(jìn)行匯報(bào)，依次展示并說明各組機(jī)器人的拼裝運(yùn)行效果。全體學(xué)生觀察各組機(jī)器人的步態(tài)和行走路線，互相學(xué)習(xí)，取長(zhǎng)補(bǔ)短。成功的小組要總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，填寫科技活動(dòng)日志;失敗的小組要尋找失敗原因，或提出解決方案進(jìn)行改進(jìn)。這一環(huán)節(jié)要使學(xué)生在相互借鑒中進(jìn)一步加深對(duì)知識(shí)的理解，并提高表達(dá)能力。

5.任務(wù)二的執(zhí)行（20分鐘）

任務(wù)二是設(shè)計(jì)并制作聲控四足機(jī)器人的外觀，并使機(jī)器人能夠“戴著”附加外觀順利走完一段直線路程。每個(gè)小組至少完成一個(gè)創(chuàng)意外觀設(shè)計(jì)，并在組長(zhǎng)帶領(lǐng)下進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，通過分析任務(wù)、討論交流，形成解決問題的方案。在這一階段，教師要引導(dǎo)學(xué)生思考以下問題。

（1）設(shè)計(jì)重點(diǎn)要放在臉部、身體還是腿部？小組成員如何分工？

（2）小組的創(chuàng)意來源是什么？除了突出特征法、對(duì)比襯托法、合理夸張法、諧趣模仿法、神奇迷幻法，還有其他創(chuàng)意方法嗎？

（3）創(chuàng)意外觀設(shè)計(jì)要采用什么材料？彩筆、彩色卡紙、彩色黏土、彩色無紡布等材料各自有何優(yōu)點(diǎn)或缺點(diǎn)？小組在制作過程中是否考慮了材料的特性（如硬度、變形等）？

（4）如何利用數(shù)學(xué)知識(shí)處理機(jī)器人表面的不規(guī)則形狀？如何使平面設(shè)計(jì)圖形實(shí)現(xiàn)立體化？

（5）創(chuàng)意外觀的設(shè)計(jì)和制作應(yīng)該注意哪些細(xì)節(jié)？

6.分析任務(wù)二的結(jié)果（10分鐘）

幫助有困難的小組發(fā)現(xiàn)問題并查找原因，鼓勵(lì)他們參考成功小組的經(jīng)驗(yàn)，通過反復(fù)設(shè)計(jì)、搭建、實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)，直到成功完成任務(wù)，達(dá)到共同進(jìn)步的目的。各小組要討論以下問題。

（1）小組內(nèi)的分工是否合理、合作是否順暢，如何克服合作中的分歧和困難？是否每個(gè)成員都積極參與并完成了自己負(fù)責(zé)的部分？

（2）如何固定比較柔軟的或沒有固定形態(tài)的材料？

（3）如何讓自己的設(shè)計(jì)迅速吸引觀眾的注意力？達(dá)到良好設(shè)計(jì)效果的關(guān)鍵是什么？

7.任務(wù)二展示分享（10分鐘）

請(qǐng)各小組派代表進(jìn)行外觀展示和操作演示，進(jìn)行必要的說明并分享經(jīng)驗(yàn)，開展小組互評(píng)，填寫科技活動(dòng)日志，使學(xué)生進(jìn)一步鞏固課程中涉及的相關(guān)知識(shí)。

三、實(shí)施效果與反思

這一教學(xué)案例將STEM教育理念與高中科學(xué)、物理、數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行了融合，旨在鼓勵(lì)學(xué)生在教師的布置和引導(dǎo)下，以小組合作的方式進(jìn)行探索并完成任務(wù)，并在這一過程中學(xué)習(xí)和運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)。在本案例中，學(xué)生親自動(dòng)手完成了機(jī)器人的拼裝與外觀設(shè)計(jì)，基本掌握了搭建聲控四足機(jī)器人簡(jiǎn)易模型的方法和外觀的設(shè)計(jì)方法。

在教學(xué)過程的7個(gè)主要環(huán)節(jié)中，包含了大量循環(huán)往復(fù)地試錯(cuò)與調(diào)試的過程，學(xué)生在失敗中積累有益的經(jīng)驗(yàn)，直到成功。在這樣環(huán)環(huán)相扣的過程中不斷動(dòng)態(tài)生成的問題，激起了學(xué)生的好奇心和求知欲，點(diǎn)燃了學(xué)生創(chuàng)造思維的火花。不同小組的設(shè)計(jì)各有特色，有的粗獷簡(jiǎn)約，有的色彩繽紛，有的活靈活現(xiàn)，充分體現(xiàn)了設(shè)計(jì)的多樣性與創(chuàng)造性。學(xué)生在探索、總結(jié)和展示的過程中獲得了豐富的體驗(yàn)，也通過努力加深了對(duì)知識(shí)的印象，同時(shí)提高了動(dòng)手能力。

采用問題串啟發(fā)學(xué)生思考，以及適時(shí)提出相關(guān)問題讓學(xué)生討論，使學(xué)生注意力更加集中并化被動(dòng)為主動(dòng)，并引導(dǎo)其通過積極合作與不斷反思建構(gòu)自己的知識(shí)體系，體驗(yàn)科學(xué)研究中屢敗屢戰(zhàn)、鍥而不舍的鉆研精神和成功所帶來的快樂。

實(shí)踐證明，以聲控四足機(jī)器人為載體，將STEM教育理念與高中多學(xué)科知識(shí)進(jìn)行融合的教學(xué)活動(dòng)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)意設(shè)計(jì)思想和探索新事物的興趣。但是，在高中階段的任何改革和嘗試都是機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的，需要經(jīng)歷循序漸進(jìn)的過程。因此，建議學(xué)校兼顧學(xué)生不同層次和階段的發(fā)展目標(biāo)，在高一學(xué)段精選師資力量，以高中研究性學(xué)習(xí)為突破口，在社團(tuán)活動(dòng)、科學(xué)競(jìng)賽、科技節(jié)活動(dòng)中進(jìn)行推廣，并先在小范圍內(nèi)開展試點(diǎn)教學(xué)。

參考文獻(xiàn)

[1][美]826全美.基于課程標(biāo)準(zhǔn)的STEM教學(xué)設(shè)計(jì)：有趣有料有效的STEM跨學(xué)科培養(yǎng)教學(xué)方案[M].林悅，譯.北京：中國(guó)青年出版社，2018.

[2]田雪，陳曦，郭偉.基于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)目標(biāo)的STEM 教育本土化研究[J].基礎(chǔ)教育參考，2019（12）：40-42.

[3]韓俊，傅澤祿，許玉球.聲控四足機(jī)器人的STEAM教育實(shí)踐——以創(chuàng)意機(jī)器人大賽區(qū)級(jí)賽為例[J].廣東科技，2018（9）：61-64.

（責(zé)任編輯 ?郭向和）