STEM教育視野下的智能機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)實(shí)施

許松彥

在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域，智能機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)以其讓學(xué)生在動(dòng)手操作的過(guò)程中培養(yǎng)邏輯思維能力、合作精神和創(chuàng)新能力的特點(diǎn)，成為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的良好載體。2014年，在杭州青少年活動(dòng)中心舉辦的以“五水共治”為主題的機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)，對(duì)于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、數(shù)學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)具有一定的理論價(jià)值和應(yīng)用推廣價(jià)值。本文通過(guò)分析STEM教育理念，結(jié)合杭州的實(shí)際情況來(lái)闡述STEM教育視野下的智能機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)實(shí)施。

● 時(shí)代背景

1.STEM教育的內(nèi)涵

STEM教育源自20世紀(jì)80年代的美國(guó)，其內(nèi)涵旨在將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)這四個(gè)領(lǐng)域看作彼此聯(lián)系的整體，試圖提高未來(lái)國(guó)家的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。在STEM教育中，科學(xué)素養(yǎng)是重點(diǎn)，是為學(xué)生將來(lái)進(jìn)一步從事科學(xué)研究打下基礎(chǔ);技術(shù)素養(yǎng)和工程素養(yǎng)則是在實(shí)際的社會(huì)分工中普遍體現(xiàn)的，它以明顯的應(yīng)用特點(diǎn)為科學(xué)研究提供工具和思路;數(shù)學(xué)素養(yǎng)是STEM教育的基礎(chǔ)，技術(shù)深入、工程論證、科學(xué)推理和建模都需要數(shù)學(xué)作為基礎(chǔ)。

2.智能機(jī)器人競(jìng)賽的意義及現(xiàn)狀

智能機(jī)器人技術(shù)是涉及機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、人工智能等多種技術(shù)的實(shí)踐性學(xué)科。智能機(jī)器人教學(xué)的總體目標(biāo)是在了解機(jī)器人內(nèi)部構(gòu)造、功能及應(yīng)用狀況等知識(shí)的前提下，動(dòng)手搭建機(jī)器人，設(shè)計(jì)機(jī)器人行動(dòng)策略，編寫(xiě)機(jī)器人程序。由于其自身的知識(shí)綜合性和技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛性，為培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，如邏輯思維能力、分析和解決問(wèn)題的能力、動(dòng)手能力、合作能力和創(chuàng)造能力提供了良好的平臺(tái)。隨著信息化的發(fā)展以及人們科技意識(shí)的加強(qiáng)，機(jī)器人教學(xué)逐漸趨于幼齡化，很多經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)從小學(xué)低年級(jí)開(kāi)設(shè)智能機(jī)器人（校本）課程、興趣班，社會(huì)上的幼兒機(jī)器人培訓(xùn)班、機(jī)器人高手俱樂(lè)部層出不窮。學(xué)校及市場(chǎng)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的教學(xué)質(zhì)量關(guān)系到該領(lǐng)域能否健康、良性地發(fā)展，也關(guān)系到面向21世紀(jì)人才的培養(yǎng)。

3.杭州青少年機(jī)器人競(jìng)賽任務(wù)設(shè)置說(shuō)明

制作一個(gè)自主移動(dòng)的機(jī)器人，機(jī)器人從基地出發(fā)，在模擬的場(chǎng)地上完成任務(wù)。

①場(chǎng)地（如下圖）。賽臺(tái)的內(nèi)部尺寸長(zhǎng)為235cm、寬115cm，四周裝有邊框，高為5cm。場(chǎng)地內(nèi)有機(jī)器人待命區(qū)以及相關(guān)任務(wù)的模型。待命區(qū)為長(zhǎng)寬均為32cm的正方形向上延伸的虛擬空間。選手在比賽時(shí)可以在場(chǎng)地上自行粘貼不多于4條長(zhǎng)20cm、寬1.8cm的黑膠帶。

②機(jī)器人大小。機(jī)器人尺寸長(zhǎng)寬不超過(guò)32cm，高度不限。一個(gè)控制器，電機(jī)、傳感器等其他部件不限。

③任務(wù)。自主設(shè)計(jì)并制作一個(gè)可以程序控制的機(jī)器人，在模擬的場(chǎng)地上完成治污水、防洪水、排澇水、保供水、抓節(jié)水等任務(wù)。治污水：機(jī)器人需要在工廠區(qū)域完成凈化廢水的任務(wù)，將兩塊紅色方形模型從檢測(cè)區(qū)中取出并放置到凈化裝置上。防洪水：機(jī)器人需要完成加固堤壩的任務(wù)，將工程車(chē)運(yùn)送至大壩施工區(qū)，并且將加固物投放至大壩內(nèi)部。排澇水：機(jī)器人需要完成清理河道淤泥的任務(wù)，將河道內(nèi)的三處淤泥（堤壩加固物）移出河道。保供水：機(jī)器人需要完成搶修供水管的任務(wù)，將城市供水網(wǎng)內(nèi)兩處斷裂管道修理完畢。抓節(jié)水：機(jī)器人需要完成安裝雨水收集器的任務(wù)，將三個(gè)基地中的雨水收集器放置到城市的指定地點(diǎn)。

● STEM教育視野下的智能機(jī)器人競(jìng)賽項(xiàng)目設(shè)置

智能機(jī)器人競(jìng)賽能夠?qū)崿F(xiàn)STEM教育四要素的有機(jī)整合。如在完成任務(wù)時(shí)，教師通常會(huì)要求學(xué)生先思考可以有幾種策略完成任務(wù)、哪種策略最佳。在編程時(shí)，教師要求學(xué)生畫(huà)程序流程圖，通過(guò)反復(fù)測(cè)試、分析現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出修改方案并及時(shí)調(diào)整，使機(jī)器人表現(xiàn)出最佳狀態(tài)。在任務(wù)中，體現(xiàn)了科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)及數(shù)學(xué)素養(yǎng)（如表1）。

● 智能機(jī)器人競(jìng)賽項(xiàng)目實(shí)施成果

在杭州青少年活動(dòng)中心舉辦的“2014年杭州市青少年機(jī)器人競(jìng)賽”上，來(lái)自全市中小學(xué)校的118支隊(duì)伍的學(xué)生，帶著他們自行設(shè)計(jì)、制作、編程的智能機(jī)器人，圍繞本屆大賽的競(jìng)賽命題“五水共治”，讓機(jī)器人以各自不同的方式完成治污水、防洪水、排澇水、保供水、抓節(jié)水五個(gè)環(huán)節(jié)的指定任務(wù)。這項(xiàng)賽事不僅考驗(yàn)參賽選手掌握機(jī)械、電子、編程等相關(guān)知識(shí)和動(dòng)手能力，還通過(guò)比賽讓孩子們更加深入了解“五水共治”的意義和價(jià)值，并在解決比賽任務(wù)的同時(shí)為“五水共治”獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策。從完成任務(wù)的程度的人數(shù)分布來(lái)看（如表2），符合STEM教育的理念，為不同程度的、不同年齡的學(xué)生提供了競(jìng)賽的環(huán)境。

● STEM教育視野下的智能機(jī)器人競(jìng)賽理念深化

科學(xué)源于生活，科技又能造福生活。當(dāng)學(xué)校與日常生活已無(wú)法滿(mǎn)足孩子對(duì)科學(xué)日益增加的好奇心時(shí)，智能機(jī)器人競(jìng)賽中所用的機(jī)器人小車(chē)，則需要學(xué)生從每一處細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)、鋸割、搭建，以及計(jì)算機(jī)編程各方面都完美配合，其中更涉及各種科學(xué)原理貫穿始終——將廣泛覆蓋于未來(lái)的智能機(jī)器人科學(xué)技術(shù)、計(jì)算機(jī)高級(jí)編程與各種傳感器的準(zhǔn)確運(yùn)用;機(jī)械、物理與數(shù)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的最前沿理論技術(shù)。

1.立足STEM素養(yǎng)的培養(yǎng)，著眼學(xué)生的終身發(fā)展

機(jī)器人課程在培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，作為一門(mén)基礎(chǔ)課程，要面向全體學(xué)生，從基礎(chǔ)教育的特點(diǎn)出發(fā)，為學(xué)生適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)、走向?qū)W習(xí)化和學(xué)生的終身發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.倡導(dǎo)積極主動(dòng)、勇于探索的學(xué)習(xí)方式

機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)要為學(xué)生營(yíng)造動(dòng)手動(dòng)腦、進(jìn)行設(shè)計(jì)活動(dòng)的環(huán)境，提供必要的設(shè)備和工具，倡導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)、勇于探索的學(xué)習(xí)精神，組織學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)，讓學(xué)生充分動(dòng)手實(shí)踐，積極合作，主動(dòng)探究。

3.注重拓展學(xué)生的知識(shí)面，提高學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力

由于機(jī)器人競(jìng)賽涉及光機(jī)電一體化、感測(cè)通訊、自動(dòng)控制、人工智能、多媒體等方面問(wèn)題，既有硬件設(shè)計(jì)也有軟件設(shè)計(jì)，應(yīng)注意學(xué)生知識(shí)廣度的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生了解和掌握大量知識(shí)，充分拓展學(xué)生的知識(shí)面。同時(shí)要提倡設(shè)計(jì)過(guò)程的規(guī)范化，提高學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力。這是課程的基本目標(biāo)之一。

4.注重學(xué)生創(chuàng)造潛能的開(kāi)發(fā)，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)

在競(jìng)賽活動(dòng)中，要鼓勵(lì)學(xué)生想象、懷疑和批判，營(yíng)造民主、活躍、進(jìn)取的學(xué)習(xí)氛圍;充分利用課程內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造欲望;通過(guò)設(shè)計(jì)、制作、試驗(yàn)等活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和敢于創(chuàng)新、善于創(chuàng)造的精神和勇氣，使學(xué)生的創(chuàng)造潛能得到良好地引導(dǎo)和有效地開(kāi)發(fā)，進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生的實(shí)踐能力。

5.立足科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)視野，加強(qiáng)人文素養(yǎng)的教育

當(dāng)代社會(huì)，技術(shù)與科學(xué)、社會(huì)的關(guān)系越來(lái)越密切。機(jī)器人課程要通過(guò)具體的技術(shù)實(shí)踐使學(xué)生理解技術(shù)與科學(xué)、藝術(shù)的聯(lián)系和區(qū)別，以及兩者對(duì)社會(huì)發(fā)展、人類(lèi)生活所具有的同等意義上的重要作用，從而深化學(xué)生的認(rèn)識(shí)，開(kāi)拓學(xué)生的視野。同時(shí)，要注意將技術(shù)所蘊(yùn)含的豐富人文因素，自然地融入教學(xué)活動(dòng)中，提升學(xué)生的人文素養(yǎng)。