基于STEAM教育理念的創意機器人大賽輔導策略

詹惠華 黃家聲

創新素養是學生應具備的適應終身發展和社會發展需要的創新品格和創新能力，也是學生核心素養的重要成分之一。中小學教育是個體創新素養形成的重要階段，而STEAM教育是提升學生創新素養的重要且有效途徑。創意機器人大賽是一項綜合多種學科知識和技能的科技活動，旨在培養學生良好的科技素養，發展學生的科學創新精神、實踐動手能力和團隊協作能力。

一、創意機器人大賽背景介紹

廣東省創意機器人大賽根據主題模擬場景而設計，分編程型和基礎型兩組，分別以編程芯片和邏輯芯門為控制器，用不同的控制方式實現相同的比賽功能；其要求參賽選手在比賽現場除實現大賽要求的制作和功能外，還要進行功能和外觀的創意、設計和制作，完成獨一無二的創意機器人作品。

所謂創意機器人，是在一般教育機器人概念的基礎上，拓展創新創意設計制作功能的機器人教育資源，從過去的計算機程序層面突破到信息技術、物理學及電子工程等多個學科領域的整合層面。倉儲機器人是創意機器人的一種，在模擬物流倉庫的智能管理過程中，倉儲機器人需要完成貨架識別、貨架搬運、線路規劃等系列操作，其設計目標是提高工作效率。參賽選手使用相同的基礎材料包，通過不同的結構設計和控制方法，完成搬運任務。大賽既要評定倉儲機器人的創意水平和科學性，也要計算其搬運任務量和準確率。

二、以倉儲機器人為例的大賽輔導策略

在制定輔導策略前，教師要分析比賽項目，解讀比賽規則，明確關鍵技術和難點，以此來制定培訓計劃以及關鍵技術、克服難點的解決方案。若輔導教師對比賽規則理解不透徹，甚至理解有誤，就容易導致輔導方向發生偏離，降低培訓效果。在比賽項目分析完成后，教師要以此為依據，以項目驅動、問題引導為中心，制定和實施輔導策略。

1. 項目分解，讓學生學會分析任務，降低難度

STEAM課程強調項目式學習，教育目標之一是培養學生分解任務的能力。倉儲機器人的設計與制作任務難度較大，需要把任務分解為難度相對較低、容易完成的子任務。結合STEAM課程的學科特點，筆者將任務分解成六個版塊，如下圖所示。

教師要引導學生通過自主討論，從各個任務目標中牽引出問題、難點，并制定設計方案。由于涉及多門學科知識的運用，教師要注意引導學生運用多視角的方式去考慮問題并積極主動尋求答案，避免產生思維定勢。教師應鼓勵學生勇于嘗試，努力實踐，最大限度地激發學生的思維。任務的安排與布置要考慮到學生的學習能力、學習風格等特征，結合學生的差異性設置不同的任務目標，合理安排活動任務，并按一定時間間隔予以檢查反饋與輔導。

2. 問題引導，讓學生多角度思考問題

根據項目分析，倉儲機器人的升降裝置是項目的關鍵技術和難點內容，會顯著地拉開分數差距。為了引導學生多角度思考、解決問題，教師應盡可能地通過問題引導來輔導學生完成倉儲機器人升降裝置的設計與制作，拓寬學生思路。

問題分析、合作交流。比賽套件提供的升降裝置是使用螺絲螺旋實現上升和下降功能。此時，筆者引導學生思考使用螺絲會存在什么樣的問題。經過反復測試，學生總結了以下問題：升降的穩定性不足，裝置容易卡住，升降時間過長，托舉板摩擦力不足，在轉彎時貨架容易發生旋轉從而超出比賽指定區域。這些問題需要在設計制作升降裝置中進行改進。為了讓學生能打開思路，筆者引導學生通過與他人合作，聯系物理、科學等多學科的相關知識，在網上搜集有關升降裝置的信息并篩選出有價值的信息，嘗試自主設計升降裝置。交流主要圍繞以下問題：如何把圓周運動轉化為直線往返運動，如何解決力矩問題，如何降低升降時間，如何保證貨物平穩升降等。

優化設計，體驗過程。合作交流后，筆者與學生初步選定并采用某一同學提供的設計方案，以滾動摩擦代替滑動摩擦。由于基礎套件主板程序已經設置為最短的升降時間，因此學生要重點考慮如何防止到位后電機仍在運轉這一問題。在試驗過程中，學生更換了多種電機、齒輪，反復試驗讓學生的思考步步深入，也讓學生體驗到了STEAM項目優化的過程。

注重方法，解決問題。STEAM教育是注重過程和方法的教育。在學生遇到瓶頸時，教師的參與尤為關鍵。教師引導探究，講解方法，讓學生帶著問題去探究、實踐，一步一步解決具體問題。例如，學生在試驗齒輪升降時，無法使升降時間與程序中設置的時間相吻合。要解決這一問題，要么改變升降的距離，要么改變升降的速度。因此，筆者把學生分成兩個小組，讓其分別試用不同的方案：第一個小組通過替換齒輪的大小來調整齒輪之間的轉速；第二個小組則是把齒條增長，在齒條下方鑿一個小洞，讓齒條能下降更長的距離。通過對比試驗，學生用不同的方法解決了實際問題。

組裝部件，生成新知。組裝部件可以進一步幫助學生發現問題、解決問題，建構知識支架，甚至生成新的知識。在將升降裝置整合到基礎車架時，學生需要注意變阻器與升降裝置的配合、貨物與升降臺的支撐力和摩擦力、升降臺的平穩、齒輪與齒條的承重力等一系列問題。大賽中只有兩次機會，所以教師要引導學生通過不斷模擬比賽現場，爭取穩定發揮。在模擬組裝部件的過程中，學生不斷調試，逐漸理解倉儲機器人各個傳感器、邏輯電路的作用，生成了新的理解與認知。

3. 實施效果

STEAM教育理念重點關注學生的問題解決能力和創新能力，筆者在輔導學生參加廣東省創意機器人大賽后，發現參賽的8名學生從外到內都有了非常大的變化。這也是作為一名老師欣慰又自豪之處。結果表明，基于STEAM教育理念，以項目驅動、問題引導為中心的創意機器人輔導策略，對于提升學生分析能力、問題解決能力、合作能力、整合能力等綜合能力起著非常重要的作用。

經過一個多月的輔導訓練，兩支隊伍分別以總分第2名和第3名的成績，在274支隊伍中脫穎而出，獲得廣東省創意機器人大賽一等獎。

三、結語

此次訓練過程，是一次教師和學生感受STEAM教育的體驗之旅。教師為學生提供豐富的學習資源、工具和環境，學生通過項目學習，從理解、記憶的維度習得知識，從應用和問題解決的角度，將多學科知識融會貫通，有效地解決實際問題，從而提升自身的問題分析、問題解決、團結協作等能力，提高創新素養。

責任編輯 黃博彥