基于STEAM理念的教育機(jī)器人物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究

李雪芳

摘? ?要：提出基于STEAM理念的機(jī)器人技術(shù)與物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教育相結(jié)合的教學(xué)模式，以機(jī)甲大師S1機(jī)器人為載體，將普通的物理知識(shí)與信息科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程等結(jié)合起來，創(chuàng)新采用探究式與項(xiàng)目式相融合的STEAM授課方式，培養(yǎng)學(xué)生的多學(xué)科思維和科學(xué)素養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：STEAM；機(jī)器人；物理；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

1? STEAM理念

STEAM代表科學(xué)（Science），技術(shù)（Technology），工程（Engineering），藝術(shù)（Arts），數(shù)學(xué)（Mathematics）， STEAM教育是集科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)多學(xué)科融合的綜合教育，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神和解決實(shí)際問題的能力[ 1 ]。

機(jī)器人教學(xué)融合了物理、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、機(jī)械、電子、自動(dòng)化等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，正好契合STEAM的教育精髓，將二者有機(jī)結(jié)合并巧妙融入到高中物理教學(xué)中，可以改變傳統(tǒng)單一、枯燥的課堂教學(xué)模式，增加課堂的趣味性和綜合性[ 2-3 ]。因此，基于STEAM理念的教育機(jī)器人物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)不僅能夠有效激發(fā)學(xué)生求知欲望，還能增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新探究能力和綜合設(shè)計(jì)能力。

2 機(jī)器人中蘊(yùn)含的物理知識(shí)

物理學(xué)，作為一門研究物質(zhì)本質(zhì)和規(guī)律的學(xué)科，與數(shù)學(xué)一起共同構(gòu)成其他各自然科學(xué)學(xué)科的研究基礎(chǔ)。機(jī)器人技術(shù)作為計(jì)算機(jī)學(xué)科的一個(gè)分支，是人工智能技術(shù)的產(chǎn)物，自然離不開物理學(xué)的支撐。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)機(jī)器人內(nèi)部蘊(yùn)藏著大量的物理基礎(chǔ)知識(shí)，比如保障機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)及動(dòng)力學(xué)模型是建立在物理經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)上，包括摩擦力、力的平衡、運(yùn)動(dòng)的合成與分解、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、杠桿平衡條件等；機(jī)器人主控板部分則涉及到高中物理的電學(xué)常識(shí)（電阻、電容、串聯(lián)、并聯(lián)電路、歐姆定律等）和磁場(chǎng)知識(shí)（電磁感應(yīng)、變壓器、電動(dòng)機(jī)等）；機(jī)器人的智能化部分涉及傳感器知識(shí)，常見的有溫、濕度傳感器、光敏傳感器、熱敏傳感器、紅外傳感器等；機(jī)器人的振動(dòng)分析需用到物理的機(jī)械振動(dòng)與機(jī)械波知識(shí)；機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)問題則與物理中的電磁感應(yīng)原理及能量守恒定律密切相關(guān)[ 4-5 ]。

對(duì)一些抽象、不易理解的物理知識(shí)，如能借助機(jī)器人的介入則不僅能很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生積極思考，也有助于培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和科學(xué)素養(yǎng)。對(duì)學(xué)有余力的學(xué)生，通過機(jī)器人輔助教學(xué)的啟發(fā)，則能擴(kuò)寬他們的視野，打破學(xué)科之間的壁壘，發(fā)展多學(xué)科思維。

3? 基于STEAM理念的教育機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

基于STEAM的創(chuàng)新校本課程設(shè)計(jì)，需要突出項(xiàng)目式、多學(xué)科、趣味性的特點(diǎn)，以生活的真實(shí)問題情境作為切入點(diǎn)，不斷啟發(fā)學(xué)生去思考、去討論，循序漸進(jìn)地開展項(xiàng)目活動(dòng)[ 6 ]。一般以小組為單位，打破單一學(xué)科的思維定式和局限性，通過多學(xué)科的融合創(chuàng)新來完成項(xiàng)目任務(wù)，并在完成任務(wù)的過程中強(qiáng)化對(duì)知識(shí)的理解和運(yùn)用。本課程設(shè)計(jì)創(chuàng)新采用探究式與項(xiàng)目式相融合的STEAM授課方式，即通過基礎(chǔ)項(xiàng)目的探究逐層遞進(jìn)到高階項(xiàng)目，逐一完成項(xiàng)目的過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)物理、數(shù)學(xué)、信息等多學(xué)科的融會(huì)貫通。

3.1? 情境引入

通過觀看《側(cè)方停車》視頻，引發(fā)學(xué)生思考：生活中普通小汽車側(cè)方停車存在一定難度，有沒有一種車子可以實(shí)現(xiàn)平移？

引入大疆機(jī)甲大師RoboMaster S1機(jī)器人，通過現(xiàn)場(chǎng)遙控控制S1機(jī)器人平移到指定的側(cè)方“車位”。

問題1：普通汽車無法做到的橫向平移，而S1機(jī)器人卻可以輕松做到，它的輪子與普通汽車輪子有何不一樣？

分析麥克納姆輪結(jié)構(gòu)和工作原理：S1底盤由4個(gè)帶編碼器的電機(jī)、控制電路和麥卡納姆輪（以下簡稱麥輪）組成。每個(gè)麥輪是由輪轂和圍繞輪轂的12個(gè)輥?zhàn)咏M成的，輥?zhàn)邮且环N沒有動(dòng)力的從動(dòng)小滾輪，麥輪輥?zhàn)虞S線和輪轂軸線夾角是45°，分為互為鏡像關(guān)系的A輪和B輪（或稱左旋輪和右旋輪）兩種，如圖1所示。

根據(jù)“物體所受摩擦力與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反”的原理與“S1的麥輪輥?zhàn)雍洼嗇灣?5°夾角”的特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，S1機(jī)器人的麥輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的力的方向與水平呈45°。

以S1車頭為正方向，約定輪子前進(jìn)時(shí)的方向?yàn)殡姍C(jī)正轉(zhuǎn)，輪子后退時(shí)的方向?yàn)殡姍C(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)A輪向前運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)同時(shí)向右運(yùn)動(dòng)，即斜向右前方運(yùn)動(dòng)，那么相反，A輪向后運(yùn)動(dòng)的同時(shí)會(huì)向左運(yùn)動(dòng)，即斜向左后方運(yùn)動(dòng)；相應(yīng)B輪就是斜向左前和右后方運(yùn)動(dòng)。

以上關(guān)于麥輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理為后續(xù)的研究和探討奠定了良好的基礎(chǔ)。

3.2? 分組探討

問題2：以A輪、B輪可以構(gòu)成幾種底盤麥輪的組合方式？是不是所有組合都可以實(shí)現(xiàn)平移功能？請(qǐng)各小組討論合理的組合方式以實(shí)現(xiàn)右移功能，并說明各輪的正反轉(zhuǎn)情況。

學(xué)科融合：

這里需要用到數(shù)學(xué)排列組合的知識(shí)點(diǎn)以及物理中運(yùn)動(dòng)合成與分解的知識(shí)點(diǎn)。通過小組頭腦風(fēng)暴，大家激烈地討論所有可能的組合方式：AAAA、BBBB、ABAA、AABA、AABB等。

在實(shí)際操作過程中，有的小組選擇先分析再安裝麥輪，有的小組則是邊安裝邊嘗試再調(diào)整。最終在反復(fù)實(shí)驗(yàn)和調(diào)整后，大家得出ABBA的“X”形結(jié)構(gòu)，即A輪和B輪分別分布在對(duì)角線上。

如圖2所示，分別對(duì)四個(gè)麥輪進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分解，當(dāng)四個(gè)麥輪都正轉(zhuǎn)的時(shí)候，AB輪可以相互抵消軸向速度，只剩下向前的速度，因此底盤就是向前直行，后退同理。

若要實(shí)現(xiàn)S1機(jī)器人向右平移平移功能，則需要所有豎直方向的分力相互抵消，水平分解的合力向右，以此來探討每個(gè)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)情況應(yīng)該是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。

首先將麥輪受到地板的摩擦力F分解成水平方向和豎直方向的力，可以使用二維坐標(biāo)系來標(biāo)明方向，x代表水平方向，y代表豎直方向。那么每個(gè)輪子所受摩擦力F都可以分解為兩個(gè)分力Fx和Fy。當(dāng)對(duì)四個(gè)輪子都進(jìn)行受力分解后，共會(huì)得到8個(gè)分力，分別疊加分析：

當(dāng)機(jī)器人向右平移時(shí)，y軸方向上的兩對(duì)分力大小相等、方向相反，相互抵消。而在x軸方向上，四個(gè)力的大小相等、方向相同，合力使機(jī)器人往右平移。反推可得：應(yīng)該讓A輪正轉(zhuǎn)，B輪反轉(zhuǎn)。

3.3? 深度探究

問題3：如果想讓S1機(jī)器人按照某一個(gè)特定角度作直線運(yùn)動(dòng)，應(yīng)如何設(shè)置呢？

假設(shè)S1機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度為v，運(yùn)動(dòng)角度為θ。

① 建立坐標(biāo)系并計(jì)算輪子的平移速度

建立坐標(biāo)系，以機(jī)器人左右移動(dòng)的方向?yàn)樗椒较騲軸，以機(jī)器人前后移動(dòng)方向?yàn)樨Q直方向y軸，那么，整車的移動(dòng)速度就是一個(gè)既有大小又有方向的矢量v。設(shè)速度v與x軸的夾角為θ，輪子的水平速度為vx，豎直速度為vy，則得：

② 計(jì)算輥?zhàn)拥乃俣?/p>

學(xué)科融合：融合信息學(xué)科的知識(shí)，在Scratch編程中使用麥輪的相關(guān)編程模塊來實(shí)現(xiàn)S1機(jī)器人按照特定角度作直線運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。

當(dāng)然，這個(gè)操作也可以使用底盤封裝好的Block來完成，在APP中，只需通過Block設(shè)置底盤的實(shí)時(shí)狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)速率即可實(shí)現(xiàn)任意S1機(jī)器人任意朝向、任意角度的運(yùn)動(dòng)。

3.4? 進(jìn)階項(xiàng)目挑戰(zhàn)

問題4：如何讓S1機(jī)器人沿不規(guī)則的藍(lán)色軌跡作運(yùn)動(dòng)呢？

思路：引入光度傳感器，分置于S1機(jī)器人的左右兩側(cè)，并與處理器連接。調(diào)整初始狀態(tài)，讓兩個(gè)光度傳感器分別位于藍(lán)線的兩側(cè)，在機(jī)器人行進(jìn)過程中，若右側(cè)的光度傳感器遇到藍(lán)線，則光度值會(huì)隨即下降，此時(shí)可以通過控制程序讓右邊的麥輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，左邊的麥輪保持前進(jìn)，從而使機(jī)器人往右微調(diào)，反之，當(dāng)左邊的光度傳感器遇到藍(lán)線，則可以讓左邊的麥輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，右邊的麥輪保持前進(jìn)，機(jī)器人左向偏移，以此控制機(jī)器人始終沿藍(lán)線軌跡行駛。

學(xué)科融合：融合信息、工程、技術(shù)等知識(shí)，要求各小組凝練思路，編寫Scratch程序并加以展示機(jī)器人的巡線行駛效果。

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，好幾個(gè)小組都會(huì)出現(xiàn)S1機(jī)器人“不聽話”的情況，比如機(jī)器人不按軌跡行駛、機(jī)器人左右搖擺幅度大等，這時(shí)教師應(yīng)遵循STEAM的理念引導(dǎo)學(xué)生分析問題與解決問題的能力，可上網(wǎng)查閱資料，可互相探討，也可以向其他小組尋求幫助，必要時(shí)可畫龍點(diǎn)睛地啟發(fā)或點(diǎn)撥。總之，要讓學(xué)生“在做中學(xué)”，在邊做邊學(xué)中實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移和鞏固，以培養(yǎng)學(xué)生不怕困難、勇于面對(duì)困難的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。

3.5? 成果展示與評(píng)價(jià)

各小組分組匯報(bào)成果，通過Scratch程序的編寫與運(yùn)行，測(cè)試S1機(jī)器人巡線運(yùn)行的情況，匯報(bào)重點(diǎn)包括設(shè)計(jì)流程，團(tuán)隊(duì)合作，設(shè)計(jì)或測(cè)試過程中碰到的問題以及解決問題的方法，自我評(píng)價(jià)等，然后教師及其他小組也對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)提出需要改進(jìn)的地方。需要注意的是，由于STEAM采用的是項(xiàng)目式教學(xué)的方法，核心是為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和科學(xué)素養(yǎng)，因此在評(píng)價(jià)的過程中應(yīng)堅(jiān)持過程性評(píng)價(jià)與結(jié)果性評(píng)價(jià)相結(jié)合的原則，可重點(diǎn)評(píng)價(jià)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的自主探究、應(yīng)對(duì)困難的勇氣和團(tuán)隊(duì)合作精神等。

總之，STEAM項(xiàng)目式教學(xué)圍繞某一個(gè)生活情境或具體問題，將機(jī)器人技術(shù)與物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教育有機(jī)融合，對(duì)于活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生的好奇心、求知欲等確實(shí)起到很好的作用。但對(duì)物理教師的挑戰(zhàn)在于，備課期間需要自主學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)等相關(guān)知識(shí)，并將它們潤物細(xì)無聲地融入到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，打破學(xué)科壁壘，啟發(fā)學(xué)生利用所學(xué)的物理知識(shí)開展自主創(chuàng)新活動(dòng)。

參考資料：

［1］ 王學(xué)男.STEM教育創(chuàng)新與實(shí)踐：中小學(xué)機(jī)器人課程建設(shè)的研究[J].教育科學(xué)研究，2022（11）：91-95.

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［4］ 汪小慶，周明龍.基于機(jī)器人課程基地平臺(tái)的STEM 教育實(shí)施策略[J].中國教育信息化，2020（18）：40-44.

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2020年度福州市教育信息技術(shù)研究課題：基于機(jī)器人的物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)實(shí)踐研究（FZDJ2020A04）研究成果