基于STEAM的機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程教學(xué)模式研究

摘 "要 "針對現(xiàn)階段機(jī)器人專業(yè)存在的問題，以機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程教學(xué)過程為研究對象，從課程專業(yè)理論教學(xué)、課程實(shí)踐、效果評價(jià)等方面融入STEAM教育理念，提出基于STEAM的機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程教學(xué)模式，并將該教學(xué)模式應(yīng)用于課程教學(xué)中。實(shí)踐表明，該教學(xué)模式能有效地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究、工程實(shí)踐、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，為機(jī)器人專業(yè)課程教學(xué)提供一定的參考。

關(guān)鍵詞 "STEAM教育理念；機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)；教學(xué)模式

中圖分類號：G658.3 " "文獻(xiàn)標(biāo)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(fā)展，迫切需要具備工程實(shí)踐、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等綜合性能力的智能制造、機(jī)器人創(chuàng)新型人才[1]。因此，國家提出新工科與現(xiàn)代職業(yè)教育體系建設(shè)計(jì)劃，加快培養(yǎng)高素質(zhì)技術(shù)技能人才。

機(jī)器人工程專業(yè)是新工科專業(yè)中非常重要的專業(yè)之一，人才培養(yǎng)質(zhì)量影響著智能制造的發(fā)展。專業(yè)人才能力的培養(yǎng)大多依賴于專業(yè)開設(shè)的相關(guān)課程以及課程的教學(xué)方式方法[2]。機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)作為機(jī)器人工程專業(yè)的核心專業(yè)課程，在機(jī)器人工程專業(yè)的高素質(zhì)人才培養(yǎng)中具有重要的支撐作用。該課程具有多學(xué)科交叉融合、創(chuàng)新性強(qiáng)、理論性以及實(shí)踐應(yīng)用性并重、技術(shù)先進(jìn)且更新速度快等特點(diǎn)。目前，機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程教學(xué)普遍采用“理論灌輸多，實(shí)踐少”的模式，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣難以調(diào)動、積極性差，存在學(xué)生對在課堂中學(xué)習(xí)的專業(yè)知識不知用于何處、如何用等問題，不能有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力以及問題解決能力。因此，在機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程教學(xué)過程中融入STEAM教育理念，引導(dǎo)學(xué)生求知探索，讓學(xué)生在“做中學(xué)，學(xué)中做”，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新意識。

1 "機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程STEAM教學(xué)的可

行性分析

應(yīng)用型本科院校培養(yǎng)的是應(yīng)用型技能人才。在新工科背景下，應(yīng)用型技能人才除了要具備扎實(shí)的專業(yè)知識和實(shí)踐技能，還要具有較好的思想道德素質(zhì)，較強(qiáng)的創(chuàng)新能力、合作交流能力以及審美能力等職業(yè)素養(yǎng)，以適應(yīng)未來科技的快速發(fā)展。因此，如何培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)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(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Arts）與數(shù)學(xué)（Mathe-matics）等多門學(xué)科跨越融合，以項(xiàng)目實(shí)踐、“做中學(xué)，學(xué)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(xué)，從實(shí)際問題出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生探索、求知，通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)、實(shí)證研究和合作學(xué)習(xí)等多種方式，培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力與創(chuàng)新思維，潛移默化地讓學(xué)生形成終身學(xué)習(xí)的理念。

機(jī)器人學(xué)科是一門融合機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感技術(shù)、智能控制系統(tǒng)等眾多先進(jìn)技術(shù)的交叉融合學(xué)科[5]，這些先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)知識都可以歸類于科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)等學(xué)科。無論是機(jī)器人設(shè)計(jì)、制造還是集成應(yīng)用，都離不開多學(xué)科的知識，因此，開展機(jī)器人教學(xué)需要融合多學(xué)科的理論與知識是必然的。

機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程目標(biāo)是學(xué)生在系統(tǒng)地學(xué)習(xí)機(jī)器人知識后，熟練掌握機(jī)器人的功能、結(jié)構(gòu)、硬件與軟件設(shè)計(jì)，具有智能機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)等方面的綜合設(shè)計(jì)能力，具有綜合運(yùn)用所學(xué)機(jī)器人理論、技術(shù)以及方法等知識解決各類實(shí)際問題的能力。課程涵蓋機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)、機(jī)器人傳感技術(shù)、機(jī)器人視覺系統(tǒng)以及機(jī)器人應(yīng)用案例等諸多專業(yè)知識與實(shí)踐內(nèi)容。

因此，STEAM教育理念與機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程目標(biāo)存在密切的關(guān)聯(lián)性，機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程教學(xué)中可以融入STEAM教育理念，引導(dǎo)學(xué)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(gòu)建，形成“在實(shí)踐中提升技能—在實(shí)踐中進(jìn)一步掌握理論—專業(yè)理論指導(dǎo)工程實(shí)踐”的循環(huán)促進(jìn)學(xué)習(xí)方式，提升學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)、創(chuàng)新能力及綜合實(shí)踐能力，培養(yǎng)復(fù)雜交叉學(xué)科融合創(chuàng)新型人才。

2 "基于STEAM的機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程教

學(xué)模式設(shè)計(jì)

機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程教學(xué)以培養(yǎng)學(xué)生機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、解決實(shí)際問題為目標(biāo)，將STEAM教育理念與機(jī)器人項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)施過程相結(jié)合。學(xué)生需要參與機(jī)器人項(xiàng)目活動的每個(gè)過程，在項(xiàng)目問題聚焦、項(xiàng)目問題分析、項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)、機(jī)器人系統(tǒng)搭建、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、小組成果展示等各個(gè)環(huán)節(jié)，通過多方合作，將所學(xué)的各類知識歸納、理解、融合、延伸，以解決項(xiàng)目實(shí)施過程中遇到的各種問題，完成預(yù)期目標(biāo)。課程教學(xué)模式如圖1所示。

2.1 "結(jié)合STEAM教育理念的機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程理論教學(xué)

機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程對學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)、程序編程、集成應(yīng)用等知識有一定的要求，教師需要結(jié)合STEAM教育理念開展機(jī)器人分類、本體結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)開發(fā)等教學(xué)。比如在機(jī)器人分類、結(jié)構(gòu)形式以及應(yīng)用場合等教學(xué)中，將科學(xué)（Science）融入其中，從通用機(jī)器人到特種機(jī)器人、傳統(tǒng)機(jī)器人到仿生機(jī)器人、水下機(jī)器人到飛行機(jī)器人等，引導(dǎo)學(xué)生思考自然、生物、環(huán)境等客觀規(guī)律，探索自然規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生看待問題、思考問題、分析問題的思維模式；結(jié)合技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）開展機(jī)器人機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造等教學(xué)，協(xié)助學(xué)生使用數(shù)控機(jī)床、3D打印等工具或設(shè)備將想法、設(shè)計(jì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，讓學(xué)生聚焦問題解決的手段、方法，引導(dǎo)學(xué)生解決問題需要經(jīng)過不斷地實(shí)踐；結(jié)合藝術(shù)（Arts）開展機(jī)器人結(jié)構(gòu)、外形設(shè)計(jì)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力、想象力以及藝術(shù)鑒賞能力。

2.2 "結(jié)合STEAM教育理念的機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程實(shí)踐教學(xué)

由于智能機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)具有一定的開放性和自主性，在學(xué)生經(jīng)過一段時(shí)間的理論學(xué)習(xí)后，結(jié)合學(xué)生意愿和特長進(jìn)行分組分工，使團(tuán)隊(duì)搭配合理。小組團(tuán)隊(duì)針對自己的興趣或者現(xiàn)實(shí)生活問題自主探索、尋找機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)的主題。教師引導(dǎo)學(xué)生聚焦問題以及難點(diǎn)痛點(diǎn)，解析具體研究的問題，運(yùn)用合作探究、頭腦風(fēng)暴等方式展開小組討論，確認(rèn)其科學(xué)性以及可行性。引導(dǎo)學(xué)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(chuàng)新性。協(xié)助學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)施，設(shè)計(jì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)學(xué)生搭建機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺，開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對自己的設(shè)計(jì)制造方案進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)特定功能，完成相應(yīng)的任務(wù)。在實(shí)踐環(huán)節(jié)，教師主要起到答疑解惑的引導(dǎo)作用。學(xué)生在設(shè)計(jì)、搭建、實(shí)驗(yàn)過程中驗(yàn)證項(xiàng)目方案的可行性以及成本，提高學(xué)生的動手實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。

2.3 "結(jié)合STEAM教育理念的機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程評

價(jià)體系構(gòu)建

本課程結(jié)合數(shù)學(xué)（Mathematics）采用數(shù)據(jù)化、量化考核形式，將過程性與總結(jié)性評價(jià)考核貫穿教學(xué)過程，對學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的表現(xiàn)、情感、態(tài)度、語言表達(dá)等方面作出評價(jià)。以能力素養(yǎng)與職業(yè)素養(yǎng)為核心，融合創(chuàng)新意識，把評價(jià)分為專業(yè)理論基礎(chǔ)知識評價(jià)、工程實(shí)踐技能評價(jià)以及職業(yè)素養(yǎng)評價(jià)三個(gè)方面。每個(gè)方面占據(jù)一定的分?jǐn)?shù)權(quán)重，針對專業(yè)知識的掌握程度、專業(yè)知識要點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)、問題分析等進(jìn)行理論基礎(chǔ)知識評價(jià)；針對項(xiàng)目參與程度、創(chuàng)新意識、實(shí)踐技能、設(shè)計(jì)成果等進(jìn)行工程實(shí)踐技能評價(jià)；針對項(xiàng)目過程中的思想道德素質(zhì)、科學(xué)探究精神、合作交流能力、藝術(shù)鑒賞能力等進(jìn)行職業(yè)素養(yǎng)評價(jià)。同時(shí)，采用組員自評、小組互評、教師評價(jià)等多種形式相結(jié)合，形成對學(xué)生全方位、多層次、多維度的考核評價(jià)。最后，教師對每個(gè)小組進(jìn)行總結(jié)，對小組方案實(shí)施過程中出現(xiàn)的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析講解，鞏固學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)踐當(dāng)中遇到的新知識和新技能。

2.4 "結(jié)合STEAM教育理念的機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程教學(xué)設(shè)計(jì)

STEAM教育的特征是多學(xué)科融合、做中學(xué)，提倡學(xué)生做學(xué)習(xí)的主體，教師在教學(xué)活動中起主導(dǎo)作用，幫助啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力以及創(chuàng)新思維。STEAM教育以項(xiàng)目學(xué)習(xí)、問題學(xué)習(xí)為主要學(xué)習(xí)方式，引導(dǎo)學(xué)生通過合作與實(shí)踐，完成主題項(xiàng)目或解決生活中遇到的難題[6]。因此，采用各種教學(xué)方法融入STEAM

教育的關(guān)鍵元素設(shè)計(jì)機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程教學(xué)內(nèi)容時(shí)，教師要實(shí)施有效的教學(xué)組織和學(xué)習(xí)策略，充分考慮學(xué)生的學(xué)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(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題等方式設(shè)定教學(xué)情境，引導(dǎo)學(xué)生提出解決方案；在學(xué)生提出方案時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生思考在項(xiàng)目實(shí)踐過程中可能遇到的問題以及應(yīng)該采用何種方法解決；在計(jì)劃實(shí)施階段，鼓勵(lì)學(xué)生吃苦耐勞、精益求精，力求以最小成本達(dá)到最佳效果，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行方案優(yōu)化。教學(xué)設(shè)計(jì)如表1所示。

3 "實(shí)施效果分析

將采用STEAM教學(xué)模式的班級與采用傳統(tǒng)教學(xué)模式的班級進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，采用STEAM教學(xué)模式的班級學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、分析問題能力、創(chuàng)新意識、動手實(shí)踐能力更強(qiáng)。因此，在機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程中巧妙運(yùn)用各種教學(xué)手段及方法融入STEAM教育理念，指導(dǎo)學(xué)生如何分析問題，應(yīng)用理論知識做好機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)。通過學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作主動設(shè)計(jì)真實(shí)機(jī)器人項(xiàng)目，將理論知識運(yùn)用到實(shí)踐中，能有效培養(yǎng)學(xué)生在真實(shí)情境中科學(xué)地提出問題、分析問題并通過技術(shù)以及工程等手段解決問題的能力。

4 "結(jié)束語

本文基于現(xiàn)階段機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程教學(xué)存在的重理論、輕實(shí)踐，學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)不理想等問題，結(jié)合STEAM教育理念與多種教學(xué)方法設(shè)計(jì)機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程教學(xué)模式，通過多學(xué)科融合構(gòu)建探索性、啟發(fā)性、實(shí)踐性的教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)專業(yè)理論知識應(yīng)用于解決實(shí)際問題，完成知識的遷移，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力、工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力以及綜合素質(zhì)。

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