与STEM课程融合的高中声控四足机器人教学案例

施容容

[摘   要]广州科学城中学通过高中声控四足机器人教學活动，探索了STEM教育与高中数学融合的本土化教学模式。通过声控四足机器人的拼装和外观设计，培养学生的科学素养、数学核心素养、创新能力、合作学习能力、团队意识和批判性思维。

[关键词]STEM教育;高中数学;机器人

1986年，美国国家科学委员会发表了《本科的科学、数学和工程教育》报告，被认为是今日美国STEM教育之缘起。随后，各国制定了一系列STEM教育的发展策略和实施规划，使得STEM 教育的研究与实践持续火热[1]。在我国，发展STEM教育已成为科教兴国的战略目标。2017年6月，我国举办了“第一届中国STEM教育发展大会”，并发布了《中国STEM教育白皮书》，为我国STEM教育的发展指明了方向，推动了STEM教育的探索之路。2018年，“STEM教育研究协同创新网络创建”专题会议在中国教育科学研究院举行，推进了STEM教育的本土化。我国各地中小学也开始利用科学课或通用技术课开展STEM教育的实践研究，STEM教育已经进入本土化实施阶段。但将STEM教育整合进我国高中数学教育中的案例极为少见，而可以支持高中数学与STEM教育理念融合的校本教材也暂未有开发[2]。在此，将以高中“声控四足机器人”教学活动为例，阐明与高中数学融合的STEM教学活动的开展策略，为相关校本教材的开发提供参考。

一、教学设计思路与目标

声控四足机器人是一款模仿四足动物行走的仿生机器人，它能感知一定响度的声音（如语音、击掌声等）。在受到声音刺激后，机器人会进入运动模式，大约行走5秒后停止运动;当再次受到声音刺激时，会再次进入运动模式，周而复始[3]。声控四足机器人教育套件有两大特点。一是采用分立电子元器件，通过简单电路，可以使学生更清晰地了解电子元件的工作原理和各个时刻的工作状态，理解机器人通过“传感器—控制器—驱动器”工作的核心原理，并掌握相关科技知识。二是提供了外观创意设计的空间。学生可以根据机器人的结构、功能和作用，加入自己的构想，从主题、形式、材料等各方面，对机器人进行创意设计，发展科技设计思维和动手能力。

很多高中生已经见过或接触过机器人（如扫地机器人），但对其原理了解不足，亲自搭建过机器人的学生更少。但高中学生已经通过不同学科的学习获得了充分的知识储备，具备了一定科学素养，有能力完成简单机器人的组装、电路搭建、外观设计等操作。

“声控四足机器人”教学活动以机器人的拼装和外观设计为主要内容，共需要两个课时。教学设计的基本思路是：由教师导入并简单说明声控四足机器人的核心原理和本质特点，使学生了解自己将要面对的挑战，随后通过循环的设计与操作活动完成任务。活动的“循环”之处体现在，学生要反复对失败的结果进行分析、总结并改进，直到成功。结合三维教学目标，可将“声控四足机器人”STEM教学活动的目标进行分析与整合（见表1）。

二、实施流程

“声控四足机器人”教学活动共经历了7个教学阶段，在每一阶段，以不同的问题串引导学生进行思考和探究学习。

1.理解挑战（5分钟）

教师从宏观上简要介绍人工智能的发展历史，通过视频介绍工业机器人、特种机器人和服务机器人的基本信息。此后，具体介绍声控四足机器人的工作原理、基本结构、功能和作用等，并向学生提出制作声控四足机器人的挑战，使学生对将要完成的两个具体任务产生期待并作好心理准备。

2.任务一的执行（20分钟）

任务一是拼装机器人。学生以小组为单位执行拼装任务，教师巡视指导但不参与实际操作。教师引导学生通过小组讨论并形成统一意见，请学生在动手拼装时思考以下问题。

（1）小组成员如何分工合作？

（2）怎样理解说明书上的原理图与文字说明？

（3）在面包板上搭建电路时，如何利用材料？

（4）进行拼装时应该注意哪些细节？

（5）如果不加装声控开关，机器人可否实现运动？

（6）实现声控需要进行怎样的调节？

3.分析任务一的结果（5分钟）

率先完成任务的小组可以帮助后完成的小组，在全部小组完成后，请各组讨论以下问题。

（1）在拼装过程中，小组遇到的实际困难是什么？组员们是怎样合作克服困难的？

（2）小组在实验中是否记录了声音的大小对机器人的影响？如何减少周围环境对机器人的影响？

（3）小组所拼装完成的机器人和设计图中的机器人是否存在差异？这种差异是怎样产生的？

（4）小组对机器人的传感器、控制器、执行器的工作原理怎样理解？说明它们是如何协调工作的。

4.任务一的展示分享（10分钟）

组织各小组派2名以上成员进行汇报，依次展示并说明各组机器人的拼装运行效果。全体学生观察各组机器人的步态和行走路线，互相学习，取长补短。成功的小组要总结经验，填写科技活动日志;失败的小组要寻找失败原因，或提出解决方案进行改进。这一环节要使学生在相互借鉴中进一步加深对知识的理解，并提高表达能力。

5.任务二的执行（20分钟）

任务二是设计并制作声控四足机器人的外观，并使机器人能够“戴着”附加外观顺利走完一段直线路程。每个小组至少完成一个创意外观设计，并在组长带领下进行头脑风暴，通过分析任务、讨论交流，形成解决问题的方案。在这一阶段，教师要引导学生思考以下问题。

（1）设计重点要放在脸部、身体还是腿部？小组成员如何分工？

（2）小组的创意来源是什么？除了突出特征法、对比衬托法、合理夸张法、谐趣模仿法、神奇迷幻法，还有其他创意方法吗？

（3）创意外观设计要采用什么材料？彩笔、彩色卡纸、彩色黏土、彩色无纺布等材料各自有何优点或缺点？小组在制作过程中是否考虑了材料的特性（如硬度、变形等）？

（4）如何利用数学知识处理机器人表面的不規则形状？如何使平面设计图形实现立体化？

（5）创意外观的设计和制作应该注意哪些细节？

6.分析任务二的结果（10分钟）

帮助有困难的小组发现问题并查找原因，鼓励他们参考成功小组的经验，通过反复设计、搭建、实验、改进，直到成功完成任务，达到共同进步的目的。各小组要讨论以下问题。

（1）小组内的分工是否合理、合作是否顺畅，如何克服合作中的分歧和困难？是否每个成员都积极参与并完成了自己负责的部分？

（2）如何固定比较柔软的或没有固定形态的材料？

（3）如何让自己的设计迅速吸引观众的注意力？达到良好设计效果的关键是什么？

7.任务二展示分享（10分钟）

请各小组派代表进行外观展示和操作演示，进行必要的说明并分享经验，开展小组互评，填写科技活动日志，使学生进一步巩固课程中涉及的相关知识。

三、实施效果与反思

这一教学案例将STEM教育理念与高中科学、物理、数学知识进行了融合，旨在鼓励学生在教师的布置和引导下，以小组合作的方式进行探索并完成任务，并在这一过程中学习和运用多学科知识。在本案例中，学生亲自动手完成了机器人的拼装与外观设计，基本掌握了搭建声控四足机器人简易模型的方法和外观的设计方法。

在教学过程的7个主要环节中，包含了大量循环往复地试错与调试的过程，学生在失败中积累有益的经验，直到成功。在这样环环相扣的过程中不断动态生成的问题，激起了学生的好奇心和求知欲，点燃了学生创造思维的火花。不同小组的设计各有特色，有的粗犷简约，有的色彩缤纷，有的活灵活现，充分体现了设计的多样性与创造性。学生在探索、总结和展示的过程中获得了丰富的体验，也通过努力加深了对知识的印象，同时提高了动手能力。

采用问题串启发学生思考，以及适时提出相关问题让学生讨论，使学生注意力更加集中并化被动为主动，并引导其通过积极合作与不断反思建构自己的知识体系，体验科学研究中屡败屡战、锲而不舍的钻研精神和成功所带来的快乐。

实践证明，以声控四足机器人为载体，将STEM教育理念与高中多学科知识进行融合的教学活动，有利于培养学生的动手能力和创新精神，激发学生的创意设计思想和探索新事物的兴趣。但是，在高中阶段的任何改革和尝试都是机遇与挑战并存的，需要经历循序渐进的过程。因此，建议学校兼顾学生不同层次和阶段的发展目标，在高一学段精选师资力量，以高中研究性学习为突破口，在社团活动、科学竞赛、科技节活动中进行推广，并先在小范围内开展试点教学。

参考文献

[1][美]826全美.基于课程标准的STEM教学设计：有趣有料有效的STEM跨学科培养教学方案[M].林悦，译.北京：中国青年出版社，2018.

[2]田雪，陈曦，郭伟.基于培养学生科学素养目标的STEM 教育本土化研究[J].基础教育参考，2019（12）：40-42.

[3]韩俊，傅泽禄，许玉球.声控四足机器人的STEAM教育实践——以创意机器人大赛区级赛为例[J].广东科技，2018（9）：61-64.

（责任编辑  郭向和）