基于STEAM的機器人創新設計課程教學模式研究

摘 "要 "針對現階段機器人專業存在的問題，以機器人創新設計課程教學過程為研究對象，從課程專業理論教學、課程實踐、效果評價等方面融入STEAM教育理念，提出基于STEAM的機器人創新設計課程教學模式，并將該教學模式應用于課程教學中。實踐表明，該教學模式能有效地培養學生的科學探究、工程實踐、創新創業能力，為機器人專業課程教學提供一定的參考。

關鍵詞 "STEAM教育理念；機器人創新設計；教學模式

中圖分類號：G658.3 " "文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）02-0079-04

Study on Teaching Mode of Innovation Design of Robot

Based on STEAM//HUANG Fu， LIU Dawei， LI Junjie， ZHANG

Fan， YANG Yong

Abstract "Aiming at the problems in robot major at the pre-

sent stage， this paper takes the teaching process of Robot Inno-

vative Design as the research object， integrates the STEAM education concept from the aspects of professional theory tea-

ching， course practice and effect evaluation， and puts forward the teaching method based on STEAM Robot Innovative De-

sign course teaching mode， and the teaching mode is applied

to the course teaching. Practice shows that the teaching mode

can effectively cultivate students’ ability of scientific explora-

tion， engineering practice， innovation and entrepreneurship， and provide a certain reference for robot professional course teaching.

Key words "STEAM education concept; robot innovative design; teaching mode

0 "引言

新一輪科技革命以及智能制造的蓬勃發展，迫切需要具備工程實踐、創新創業等綜合性能力的智能制造、機器人創新型人才[1]。因此，國家提出新工科與現代職業教育體系建設計劃，加快培養高素質技術技能人才。

機器人工程專業是新工科專業中非常重要的專業之一，人才培養質量影響著智能制造的發展。專業人才能力的培養大多依賴于專業開設的相關課程以及課程的教學方式方法[2]。機器人創新設計作為機器人工程專業的核心專業課程，在機器人工程專業的高素質人才培養中具有重要的支撐作用。該課程具有多學科交叉融合、創新性強、理論性以及實踐應用性并重、技術先進且更新速度快等特點。目前，機器人創新設計課程教學普遍采用“理論灌輸多，實踐少”的模式，導致學生學習興趣難以調動、積極性差，存在學生對在課堂中學習的專業知識不知用于何處、如何用等問題，不能有效培養學生的創新能力、實踐能力以及問題解決能力。因此，在機器人創新設計課程教學過程中融入STEAM教育理念，引導學生求知探索，讓學生在“做中學，學中做”，培養學生的工程實踐能力與創新意識。

1 "機器人創新設計課程STEAM教學的可

行性分析

應用型本科院校培養的是應用型技能人才。在新工科背景下，應用型技能人才除了要具備扎實的專業知識和實踐技能，還要具有較好的思想道德素質，較強的創新能力、合作交流能力以及審美能力等職業素養，以適應未來科技的快速發展。因此，如何培養創新應用型新工科人才是眾多高校不斷探索的問題[3]。

STEAM是指科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Arts）與數學（Mathe-matics）等多門學科跨越融合，以項目實踐、“做中學，學中做”為主的一種教育理念[4]。STEAM教育理念圍繞問題開展教學，從實際問題出發，引導學生探索、求知，通過創新設計、實證研究和合作學習等多種方式，培養學生的問題解決能力與創新思維，潛移默化地讓學生形成終身學習的理念。

機器人學科是一門融合機械設計、傳感技術、智能控制系統等眾多先進技術的交叉融合學科[5]，這些先進技術的基礎知識都可以歸類于科學、技術、工程、藝術和數學等學科。無論是機器人設計、制造還是集成應用，都離不開多學科的知識，因此，開展機器人教學需要融合多學科的理論與知識是必然的。

機器人創新設計課程目標是學生在系統地學習機器人知識后，熟練掌握機器人的功能、結構、硬件與軟件設計，具有智能機器人的機械系統、電氣系統、控制系統與軟件系統等方面的綜合設計能力，具有綜合運用所學機器人理論、技術以及方法等知識解決各類實際問題的能力。課程涵蓋機器人本體結構設計、機器人系統開發、機器人傳感技術、機器人視覺系統以及機器人應用案例等諸多專業知識與實踐內容。

因此，STEAM教育理念與機器人創新設計課程目標存在密切的關聯性，機器人創新設計課程教學中可以融入STEAM教育理念，引導學生在問題探索、問題分析、問題解決中完成知識的遷移和知識體系的構建，形成“在實踐中提升技能—在實踐中進一步掌握理論—專業理論指導工程實踐”的循環促進學習方式，提升學生的職業素養、創新能力及綜合實踐能力，培養復雜交叉學科融合創新型人才。

2 "基于STEAM的機器人創新設計課程教

學模式設計

機器人創新設計課程教學以培養學生機器人創新設計能力、解決實際問題為目標，將STEAM教育理念與機器人項目設計實施過程相結合。學生需要參與機器人項目活動的每個過程，在項目問題聚焦、項目問題分析、項目方案設計、機器人系統搭建、實驗驗證、小組成果展示等各個環節，通過多方合作，將所學的各類知識歸納、理解、融合、延伸，以解決項目實施過程中遇到的各種問題，完成預期目標。課程教學模式如圖1所示。

2.1 "結合STEAM教育理念的機器人創新設計課程理論教學

機器人創新設計課程對學生的機械設計、程序編程、集成應用等知識有一定的要求，教師需要結合STEAM教育理念開展機器人分類、本體結構、控制系統開發等教學。比如在機器人分類、結構形式以及應用場合等教學中，將科學（Science）融入其中，從通用機器人到特種機器人、傳統機器人到仿生機器人、水下機器人到飛行機器人等，引導學生思考自然、生物、環境等客觀規律，探索自然規律，培養學生看待問題、思考問題、分析問題的思維模式；結合技術（Technology）、工程（Engineering）開展機器人機械傳動結構設計與制造等教學，協助學生使用數控機床、3D打印等工具或設備將想法、設計變為現實，讓學生聚焦問題解決的手段、方法，引導學生解決問題需要經過不斷地實踐；結合藝術（Arts）開展機器人結構、外形設計教學，培養學生的創造力、想象力以及藝術鑒賞能力。

2.2 "結合STEAM教育理念的機器人創新設計課程實踐教學

由于智能機器人創新設計具有一定的開放性和自主性，在學生經過一段時間的理論學習后，結合學生意愿和特長進行分組分工，使團隊搭配合理。小組團隊針對自己的興趣或者現實生活問題自主探索、尋找機器人創新設計的主題。教師引導學生聚焦問題以及難點痛點，解析具體研究的問題，運用合作探究、頭腦風暴等方式展開小組討論，確認其科學性以及可行性。引導學生收集信息、查找資料、討論制定解決方案與策略、分析方案的可行性與創新性。協助學生進行項目實施，設計機器人結構，指導學生搭建機器人實驗平臺，開展相關實驗驗證，對自己的設計制造方案進行優化，以實現特定功能，完成相應的任務。在實踐環節，教師主要起到答疑解惑的引導作用。學生在設計、搭建、實驗過程中驗證項目方案的可行性以及成本，提高學生的動手實踐能力，培養學生解決問題的能力。

2.3 "結合STEAM教育理念的機器人創新設計課程評

價體系構建

本課程結合數學（Mathematics）采用數據化、量化考核形式，將過程性與總結性評價考核貫穿教學過程，對學生學習過程中的表現、情感、態度、語言表達等方面作出評價。以能力素養與職業素養為核心，融合創新意識，把評價分為專業理論基礎知識評價、工程實踐技能評價以及職業素養評價三個方面。每個方面占據一定的分數權重，針對專業知識的掌握程度、專業知識要點、關鍵技術、問題分析等進行理論基礎知識評價；針對項目參與程度、創新意識、實踐技能、設計成果等進行工程實踐技能評價；針對項目過程中的思想道德素質、科學探究精神、合作交流能力、藝術鑒賞能力等進行職業素養評價。同時，采用組員自評、小組互評、教師評價等多種形式相結合，形成對學生全方位、多層次、多維度的考核評價。最后，教師對每個小組進行總結，對小組方案實施過程中出現的技術難點進行分析講解，鞏固學生在項目實踐當中遇到的新知識和新技能。

2.4 "結合STEAM教育理念的機器人創新設計課程教學設計

STEAM教育的特征是多學科融合、做中學，提倡學生做學習的主體，教師在教學活動中起主導作用，幫助啟發學生的創造力以及創新思維。STEAM教育以項目學習、問題學習為主要學習方式，引導學生通過合作與實踐，完成主題項目或解決生活中遇到的難題[6]。因此，采用各種教學方法融入STEAM

教育的關鍵元素設計機器人創新設計課程教學內容時，教師要實施有效的教學組織和學習策略，充分考慮學生的學情。在問題聚焦分析階段，通過分析日常生活中遇到的問題、案例或者實際生產中出現的問題等方式設定教學情境，引導學生提出解決方案；在學生提出方案時，引導學生思考在項目實踐過程中可能遇到的問題以及應該采用何種方法解決；在計劃實施階段，鼓勵學生吃苦耐勞、精益求精，力求以最小成本達到最佳效果，引導學生進行方案優化。教學設計如表1所示。

3 "實施效果分析

將采用STEAM教學模式的班級與采用傳統教學模式的班級進行對比發現，采用STEAM教學模式的班級學生學習積極性、分析問題能力、創新意識、動手實踐能力更強。因此，在機器人創新設計課程中巧妙運用各種教學手段及方法融入STEAM教育理念，指導學生如何分析問題，應用理論知識做好機器人創新設計。通過學生團隊協作主動設計真實機器人項目，將理論知識運用到實踐中，能有效培養學生在真實情境中科學地提出問題、分析問題并通過技術以及工程等手段解決問題的能力。

4 "結束語

本文基于現階段機器人創新設計課程教學存在的重理論、輕實踐，學生創新能力培養不理想等問題，結合STEAM教育理念與多種教學方法設計機器人創新設計課程教學模式，通過多學科融合構建探索性、啟發性、實踐性的教學內容，引導學生將所學專業理論知識應用于解決實際問題，完成知識的遷移，培養學生的科學探究能力、工程實踐能力、創新能力以及綜合素質。

參考文獻

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