STEM 教育理念下机器人课堂教学的开发与设计

钱建华

唐山市第四十九中学

20 世纪80 年代，美国提出STEM 教育并发展成为国家战略。到21 世纪,弗吉尼亚理工大学将艺术加入进来，提出发展STEAM 教育理念。近年来，STEM、STEAM 及STEM+教育迅速传播推广。

一、STEM 教育理念及机器人发展现状

STEM 是科学、技术、工程、数学四门学科的组合，STEM 课程重点是加强对学生这四个方面的教育。学生对机器人工智能产品有较高的兴趣，但缺乏相关的教育。早在2013 年，我校购买了机器人，同年，在全国青少年机器人竞赛中取得了优异成绩。随后购买设备将机器人教育纳入常规课堂教学。

二、STEM 教育理念下机器人课堂教学设计

教学分析

《移动转向模块的应用》是我校基于STEM 教育理念下开发的校本课程《创客教育——机器人设计》第四课内容，本节课主要学习移动转向模块。STEM 课程聚焦学生创新能力，机器人课程是新型课程，学生新鲜感强，能积极的参与到活动中。

教学目标

1.知识与技能。

(1)认识移动转向模块，掌握移动转向模块的5 种功能；(2)学会使用流程控制中的等待模块。

2.过程与方法。

通过编程模块的认识，在任务驱动下掌握编程技巧，运用已知数学知识，在实践中解决问题。

3.情感态度与价值观。

(1)学会运用多种方法解决问题；(2)培养多学科知识跨领域的融合运用能力；(3)激发科技创新意识，培养科技创新能力。

教学过程

1.视频引入，知识回顾。

(1)视频中的机器人能够打羽毛球是设计者赋予了它指令，如何将任务指令赋予给机器人呢？引出课题，激发学生学习的欲望。(2)学习硬件页面中三种指令的区别。(3)认识编程模块类型：绿色代表动作类模块，橘色是流程控制类模块，黄色是传感器类模块，红色是数据操作类模块，蓝色是高级类模块，浅蓝色是自定义模块。

（二）认识模块，动手实践

1.认识移动转向模块。

2.模块功能介绍。

（1）移动转向的功能选项，分为：开启；关闭；开启指定秒数；开启指定度数；开启指定圈数。（2）转向。（3）大型电机运转时的功率。（4）电机转动圈数。（5）结束时制动。

学生动手实践——编程并运行小车基座，体验移动转向模块的五种功能。

（三）小组合作,完成任务

1.任务一直线行驶。

（1）任务要求：用移动转向模块，小组选择设置秒数、度数、圈数使小车直线行驶。（2）提出问题：①如何让小车的行驶速度变快或变慢？②功率设置为负数的时候是什么现象？

2.任务二悬崖勒马。

（1）任务要求：小车距离悬崖只有1 米的距离，如何让小车准确的停在一米的位置，请同学思考小车如何做到了悬崖勒马呢？（2）已知条件及提示：通过测量车轮直径5.6cm，转动一圈（周长）是多少cm？车轮转一圈为360°，1 米的距离需要转动多少圈？（3）解决方案：已知车轮直径5.6cm，转动一圈利用数学 公 式C=πd=3.14×5.6=17.584cm， 行 驶1 米 的 距 离100÷17.584 ≈5.69(圈)。车轮转一圈为360°，1 米的距离需要360×5.69=2048（度）。（4）将计算结果写入程序。（5）下载程序进行实践演示操作。

3.任务三定点停车。

（1）任务要求：结合教学场地图，小车每走20cm 就停一次，直至走完一米的距离。（2）已知条件及提示：可借助任务二中求得的数值，使用流程模块——等待模块。（3）解决方案：①任务二中得知小车车轮周长17.584cm，行驶20cm 米的距离需转动20÷17.584 ≈1.14（圈）；②任务二中得知1 米的距离行驶了5.69 圈，分析任务要求将1 米的距离分5 段行驶，每段车轮转动5.69÷5 ≈1.14（圈）；③从设置度数的角度考虑：2048÷5 ≈410（度）。（4）将计算结果写入程序。（5）循环结构：在程序的编写上有能力的小组可以考虑使用循环结构编写程序。（6）下载程序进行实践演示操作。

（四）课堂小结、感知体悟

解决行驶中存在问题：通过实践操作和师生讨论，得出基座搭建的松紧度，行驶速度，功率大小，场地与轮胎的摩擦力都对小车行驶的准确性造成影响。通过调试使自己的小车行驶的更加完美。

整节课学生熟练掌握了编写直线移动的程序，也学会运用原有知识解决问题，运用数学计算编写机器人程序。

教学评价

本课体现了STEM 教育的跨学科性、体验性和情境性的核心特征。内容安排适中，给学生营造了轻松易学的氛围，让学生感受到编程的快乐。任务设计上循序渐进，每位同学能在小组合作中找到问题的解决办法。课堂气氛融洽，课堂效果良好。

机器人教育重要的是在STEM 教育理念下提高学生综合素质、灵活运用知识的能力，是培养学生创新精神和实践能力的最佳模式和有效途径。