STEAM視域下機器人的結構設計與教學建議

劉全銘 羅倩茹 廖澤松 劉寶瑞

摘 要：STEAM教育強調培養學生運用綜合知識解決問題的能力，讓學生在運用綜合知識解決問題的過程中習得多方面的新知識，從而形成良性循環。因此STEAM教育往往是伴隨著項目式學習展開的。而當下STEAM教育中適合學生的項目較為匱乏，學生往往學習的是單一的知識，解決的問題也比較簡單，難以充分體現STEAM教育的理念。國際青少年機器人世界杯救援項目是一個合適的開展STEAM教育的平臺。本文從STEAM的五個維度出發，對RCJ機器人的設計、搭建、編程與調試進行了說明，并提出了STEAM視域下RCJ救援項目機器人的教學建議，以期為更多一線STEAM教育教師、機器人教師提供新思路。

關鍵詞：STEAM教育;RCJ比賽;機器人設計;教學建議

中圖分類號：G434文獻標志碼：A文章編號：2096-0069（2021）02-0075-05

收稿日期：2020-11-02

基金項目：中國大學MOOC愛課程平臺-教師教育專題“如何做創客教育”（0401iCourse045）;坪山區教育科學規劃課題“項目式學習視域下九年一貫制學校機器人課程設計研究”（PSGH2020081）

作者簡介：劉全銘（1964— ），男，陜西西安人，高級教師，研究方向為通用技術課程設計與實施、知識產權、中學人工智能教育;羅倩茹（1995— ），女，陜西寶雞人，教師、碩士研究生，研究方向為機器人教育、創客教育，本文通信作者;廖澤松（1982— ），男，陜西寧陜人，一級教師，研究方向為人工智能;劉寶瑞（1993— ），男，陜西禮泉人，三級教師、碩士研究生，研究方向為創客教育。

一、研究背景

2003年，教育部首次將“人工智能初步”和“簡易機器人制作”模塊納入高中信息技術和通用技術課程中。2018年，在教育部新頒布的課程標準中，將“人工智能初步”和“開源項目設計”模塊納入高中信息技術課程的選擇性必修模塊中，“技術與工程”系列納入高中通用技術課程的選擇性必修課程中[1]。在國家政策的大力支持下，我國機器人教育進入了飛速發展時期，然而，機器人教育中強調學生的動手實踐卻容易忽視理論指導。STEAM教育強調學科知識的整合，注重學生綜合運用知識的能力。本研究從STEAM的視角對機器人教育重新進行了審視，以國際青少年機器人世界杯（RoboCup Junior，簡稱RCJ）救援項目機器人為例對機器人的結構進行了設計，并對一線教師提出了切實可行的建議。

（一）STEAM教育

眾所周知，STEAM教育源于STEM教育，在原有的科學（S）、技術（T）、工程（E）與數學（M）的基礎上增加了藝術（A）。我國STEAM教育相較于發達國家開展得較晚，但是近年有關STEAM教育的研究呈上升趨勢。與傳統教育相比，STEAM教育強調對學生綜合運用知識解決問題能力的培養，以及學生對綜合知識的學習[2]。

STEAM教育的開展往往依托于項目式學習，教師提出項目并對學生進行基礎的指導。學生則以合作學習的形式開展項目式學習，在實踐的過程中對新知識進行建構，并在不斷思考以及嘗試解決問題的過程中獲得綜合運用知識解決問題的能力。但是，目前STEAM教育在中小學開展過程中遇到的主要問題之一是缺少適合中小學生進行學習的平臺或項目。

（二）RCJ救援項目

RCJ是國際機器人世界杯比賽的重要組成部分。目標是通過組織機器人比賽，來推動世界范圍內的機器人研究和教育[3]。與其他機器人比賽相比，RCJ比賽有以下幾個特點：第一，不限制參賽機器人的器材，允許使用各種器材以及控制器，甚至是自己團隊設計的控制板。但是禁止學生直接使用廠家提供的現成的機器人，在比賽的過程中會有嚴格的答辯環節，一旦主辦方發現團隊成員并沒有完整地參與機器人的設計、搭建、編程以及調試環節，會取消團隊的參賽資格或者比賽成績。第二，RCJ更注重的是教育目的，而非競賽。主辦方鼓勵各賽隊之間相互交流，并鼓勵團隊自主設計電路或者傳感器。第三，RCJ每年的挑戰大體相同，這樣就給學生提供了一個相對穩定的實踐環境，以便他們隨著知識和能力的增長不斷地找出更好的解決方案。第四，RCJ的比賽項目雖然大體相同，但是更強調機器人的智能性，對機器人的設計、控制與程序編寫方面相較于其他機器人比賽難度更大。

救援項目是RCJ比賽的三個項目之一，機器人自動在充滿障礙物的地圖中搜索“傷員”（該項目中的“傷員”是指場地中溫度較高的熱源）后投放“救援包”。完成該項目主要涉及的知識點如下：第一，算法的設計，包括機器人構建地圖的算法、搜索地圖的算法，PID（Proportion Intergral Differential，比例積分微分）控制算法以及最優化算法等方面;第二，機器人結構的設計，包括搭建機器人結構的基礎知識、AutoCAD矢量圖繪制與3D建模軟件的使用、小型機床以及3D打印機的使用等;第三，控制方面的知識，包括控制器的選擇與設計、傳感器的選擇與設計等，這些知識涉及STEAM的方方面面[4]。學生在這個過程中能夠真實感受到對綜合知識的學習以及如何運用綜合知識解決問題的過程。

二、STEAM視域下RCJ救援機器人的設計

RCJ救援項目場地圖如圖1所示，該項目需要完成的任務如下：第一，機器人能夠在隨機的地圖中構建出地圖的全貌;第二，機器人需要有一定的越障能力來保證完整地走完全部地圖;第三，機器人需要能感受到地圖中“傷員”的位置并根據“傷員”的具體情況投遞適量的“救援包”;第四，機器人需要有圖像識別功能找出墻上的字母并給出相應的反饋。

RCJ救援項目的比賽與學生現實生活中的案例相類似，且與學生在學校所學知識聯系比較緊密。中小學生在完成項目的過程中，可以充分利用自己所學的知識。另外，由于沒有器材以及控制器的限制，學生有無限的創造空間，各個學齡段的學生都可以發揮自己的優勢。機器人相關知識較少的團隊可以使用樂高、中鳴等集成度相對較高的控制器作為設計的基礎，機器人知識相對完善的團隊可以自己設計自己需要的控制器。但是，該項目鼓勵團隊使用自主設計的控制器或者傳感器，使用較多自主設計的控制器和傳感器的機器人會獲得主辦方較高的評價。

RCJ救援項目機器人主要分為機器人結構設計與程序編寫兩部分。圖2是機器人結構設計的一種形式。筆者從STEAM教育的五個維度出發，對這兩部分的設計與實現進行較為深入的說明。

（一）科學方面

參加比賽的機器人需要構建出整個比賽的地圖，所以機器人首先需要在移動時實時構建出局部地圖，最后用局部地圖構建出完整的比賽地圖。場地上隨機擺放各種形狀的障礙物，所以應對機器人進行如下設計：第一，所搭建的機器人要有一定的避障能力。從科學的角度就需要考慮到結構設計過程中機器人的穩定性、輪距、軸距等。第二，比賽場地中有坡道，這就需要考慮到機器人的輪胎與坡道之間的摩擦力，需要對輪胎的材質、厚度、半徑以及感知坡度的方法進行考慮。第三，所搭建的機器人平臺需要有足夠的空間放置各種傳感器，需要考慮到傳感器的布局方式等。為了解決上述問題，應從科學的角度對機器人進行如下改進：第一，為了避障，減小機器人底盤輪胎間的輪距，盡可能不碰到障礙物，并且將機器人平臺設計為弧形，在四角安裝導向輪。第二，為了越障，增加輪胎軸距與輪胎的半徑。考慮到場地的摩擦力問題，對不同材料的輪胎與不同半徑的輪轂進行測試。第三，為了便于傳感器位置的調試，應為機器人平臺設計多個標準孔，這樣既能減輕機器人的重量，又便于調試傳感器的位置。

為機器人編程的過程就是賦予機器人“生命”的過程，編程的過程需要考慮機器人的結構設計，機器人結構的各個因素都會影響到程序的編寫。舉個簡單的例子：機器人兩側驅動電機的功率相同，機器人一定會走直線嗎？真正的答案是不一定。因為這與機器人本身的結構有很大的關系，如果機器人是高度對稱的，兩個電機的制作工藝也完全相同，在這種極為苛刻的條件下，機器人才能準確地走出一條直線。所以，機器人程序的編寫需要科學且充分地考慮各種因素。

（二）技術方面

為了從零開始制造機器人，需要掌握繪制矢量圖的軟件以及3D建模軟件，需要熟悉小型機床與3D打印機的操作。另外，需要掌握相關的機器人控制技術、傳感器的原理以及制作電機減速箱等機器人硬件方面的技術。最后，還需要掌握一些通用工具的使用，包括電烙鐵、電鉆、鋼鋸等。為了完成機器人的制作，學生需要學習這些技術，并且學習這些技術的回報也是非常豐厚的。制圖與建模的技術不僅可以用于機器人的制作，而且對于學生今后的生活與學習也有非常大的幫助。更重要的是，學習機器人相關技術能為學生從容地面對未來人工智能時代的到來打下堅實的基礎。

編程技術是人工智能時代學生必須掌握的技術，教育部已經出臺關于少兒編程學習的若干政策。RCJ救援項目需要學生有較高的編程能力。參加RCJ救援項目的學生需要掌握與機器人相關的編程技術，另外還需要學習一些算法知識，需要學生具有計算思維以及運用計算機解決實際問題的能力。

（三）工程方面

對于RCJ救援項目而言，工程知識體現在機器人結構的設計，包括板材的選擇、板型的設計、3D模型的設計、材料的加工、機器人整體結構的規劃、機器人完成投放“救援包”任務的管道或者手臂的設計、機器人圖像識別中模板的建立，以及機器人通信線路的設計。

在搭建機器人的過程中會出現各種工程方面的問題，包括螺絲滑絲、設計板材之間結構對不上、忘記為某些線槽打孔、電機位置未對齊、線材之間相互干擾、電池與控制板電壓不匹配等。學生在協作解決這些問題的過程中會嘗試使用工具，或者選擇重新設計、加工。這一過程能讓學生有效地在實踐中發現問題、解決問題、獲得新知，能夠培養學生綜合運用知識解決問題的能力。最后，這個過程需要學生合作交流來完成任務，對學生的溝通能力有促進作用。

在程序編寫方面，學生需要掌握與機器人控制相關的控制算法，從工程角度而言，學生需要掌握PID控制算法[5]。學生在制作機器人的過程中會由于一些不規范的操作導致出現誤差，PID控制算法可以通過傳感器實時檢測反饋，從而盡可能地減小誤差。

（四）藝術方面

RCJ救援項目在藝術方面對學生有較高的要求。機器人需要有對稱美、穩定美、設計美。 齒輪的契合、材料的切割、整體的緊湊，都需要精心的設計。設計、制作機器人不僅僅要考慮如何完成任務，還要考慮如何讓機器人更好、更快、更高效地完成任務。學生在完成項目的過程中可以親自見證一個機器人的誕生。通過自己的雙手創造出一個可以與外界交互的機器人，學生能夠真切地感受到機械的美與設計的美。

（五）數學方面

機器人的設計、搭建與調試的過程是與數學知識緊密聯系的。機器人各個器材之間的連接、完成任務動作的設計、場地的測算、傳感器的改進與調試、影響機器人動作的各個因素之間的關系，都涉及數學知識。學生需要充分地利用自己所學的數學知識來優化機器人的設計。

在程序編寫的過程中需要更多的數學知識，需要利用數學統計分析找出顯著影響機器人行進路線的干擾因素，并通過程序對其進行控制。另外，在前面工程方面提及的PID算法，也需要學生有相應的數列與斜率等相關方面的數學知識，才能科學高效地對PID的比例、積分與微分參數進行調節。

學生在這個過程中能體會到數學知識確實能夠幫助解決生活中出現的各種問題，一旦學生通過數學知識解決了機器人設計過程中出現的問題，會極大地激發學生對數學的興趣，有助于學生今后的數學學習。

三、STEAM視域下RCJ救援機器人的教學建議

RCJ救援項目不限制參加比賽的器材以及控制器等，這給予參賽團隊無限創意的可能，但是，學生在準備機器人比賽的過程中往往會出現許多問題。如：繁忙的學業導致學生沒有時間參加完整的備賽過程;隊員之間不在同一班級，平時協作交流少;學生有關機器人知識的基礎不一樣，導致合作時出現問題;等等。作為一線教師，如何科學地引導學生備賽，盡可能地解決上面出現的問題，讓學生在準備比賽以及參加比賽的過程中學習到更多的知識？筆者結合教學與指導過程中的觀察與反思提出如下建議。

（一）明確教師與學生的任務

指導學生參加機器人賽事的教師需要了解RCJ救援項目的構成模塊，熟悉RCJ救援項目往年考查的題目，熟悉RCJ救援項目經常出現的問題，了解RCJ救援項目各個步驟需要完成的時間節點，了解參與RCJ救援項目學生的相關知識基礎以及學生特點，了解參與RCJ救援項目學生的空余時間。

參加機器人比賽的學生需要端正參加比賽的心態，了解自己的分工以及隊友的分工，努力學習完成自己任務所需要的知識，并與隊友多交流，相互學習，爭取做到一專多能，定期與教師多交流，了解項目整體進度以及賽事的最新動態。

（二）將備賽與參賽過程中學生需要掌握的知識點設計成微課

在備賽之余，教師需要備課、講課，學生需要學習、練習，所以留給教師教授學生機器人知識的時間非常少，學生也缺少自學的時間。教師可以借助現代教育技術手段，利用暑假、寒假等空閑時段將參賽隊員需要掌握的知識點錄制成視頻，學生在備賽前期可以結合自己的時間進行學習，這樣能有效地節約教師的時間，學生也能合理安排自己的時間，利用空余時間來學習這些知識。

（三）設計項目實施進度表并考慮突發問題

雖然學生均有自己的分工，但機器人項目是一個團體項目，所以在備賽的過程中，往往需要學生合作完成部分任務，但是有時有人會因為一些突發事件不能參加，這時候項目往往就難以進行下去，因此教師需要設計項目實施進度表，充分了解每位學生的時間、分工以及學生間的配合情況，并且提前想好預備方案，確保在個別學生不能參與活動時項目的進度也不會被延誤。

（四）注意學生分工以及對學生的指導，使學生能相互配合、彼此合作

這里有一個適度的原則。學生全面發展當然是最好的，但是在備賽的過程中如果有個別人太自我往往會有不好的影響，從而影響整個團隊的狀態。教師應盡量保證學生可以一專多能，做到團隊成員盡量彼此合作。

（五）提前考慮并著手準備后勤工作

備賽的過程中會有許多后勤保障等細節工作要處理。比如，確定大賽的規則是否更新、比賽時入住酒店的選擇、機票的預定等等，這些均是不容忽視的問題。這些問題看似瑣碎，但是忽視這些問題往往會導致嚴重的后果，所以教師以及團隊成員需要關注這些問題。

四、結束語

在開展RCJ救援項目機器人設計、搭建、編程、調試過程中，學生在科學、技術、工程、美術和數學等方面的潛能會被激發出來，會產生濃厚的學習興趣，進而提高綜合知識與能力水平。STEAM教育為RCJ救援項目機器人的設計與實現奠定了基礎、指明了方向，RCJ救援項目機器人為 STEAM教育提供了操作平臺。

參考文獻

[1]羅倩茹，秦健，劉寶瑞，等.基于設計型學習（DBL）的機器人競賽教學模式構建研究：以2018年FLL工程挑戰賽“飲水思源”為例[J].中國教育信息化，2018（17）：41-44.

[2]劉寶瑞，秦健.基于STEAM教育的VEX機器人的設計與教育應用[J].中國教育信息化，2019（2）：30-34.

[3]李嘉秀.基于arduino平臺的足球機器人在RCJ中的應用[J].物聯網技術，2015，5（3）：97-100.

[4]劉瑋松，劉海東，焦曉武，等.中學機器人教育與STEAM教育融合探索[J].中國教育技術裝備，2017（20）：11-13.

[5]李尹.PID 控制算法及其在風速控制中的應用[D].武漢：華中科技大學，2007.

（責任編輯 孫震華）

The Robots Architectural Design and Teaching Suggestion from the Perspective of STEAM

—A Case Study of the Robot of RCJ Rescue Project

LIU Quanming1，LUO Qianru2，LIAO Zesong1，LIU Baorui3

（1.The High School Affiliated to Xian Jiaotong University，Xian，Shaanxi，China 710048;

2.Pingshan Foreign Language Wenyuan （Zhukeng） School，Shenzhen，Guangdong，China 518118;

3.The High School Affiliated to Shaanxi Normal University，Xian，Shaanxi，China 710048）

Abstract： STEAM education emphasizes cultivating students abilities of solving problems by applying comprehensive knowledge and lets students acquire multi-dimensional new knowledge in the process of applying comprehensive knowledge to solve problems，hence forms virtuous cycle.So，STEAM education is always carried out accompanying by project learning.However，the current STEAM education which suit students is comparatively deficient.What the students have learnt is single knowledge，the problem solved is relatively simple，which cannot fully reflect the idea of STEAM education.International Youth Robot World Cup Rescue Project is a suitable platform to carry out STEAM education.This paper starts from five dimensions of STEAM，explains the design， building，programming and shakedown test of RCJ robot，and puts forward the teaching suggestions of RCJ rescue project robot from the perspective of STEAM，hoping to provide new thoughts for more frontier STEAM educational teachers and robot teachers.

Key words：? STEAM education;RCJ competition;robot design;teaching suggestion