與STEM課程融合的高中聲控四足機器人教學案例

施容容

[摘 ? 要]廣州科學城中學通過高中聲控四足機器人教學活動，探索了STEM教育與高中數學融合的本土化教學模式。通過聲控四足機器人的拼裝和外觀設計，培養學生的科學素養、數學核心素養、創新能力、合作學習能力、團隊意識和批判性思維。

[關鍵詞]STEM教育;高中數學;機器人

1986年，美國國家科學委員會發表了《本科的科學、數學和工程教育》報告，被認為是今日美國STEM教育之緣起。隨后，各國制定了一系列STEM教育的發展策略和實施規劃，使得STEM 教育的研究與實踐持續火熱[1]。在我國，發展STEM教育已成為科教興國的戰略目標。2017年6月，我國舉辦了“第一屆中國STEM教育發展大會”，并發布了《中國STEM教育白皮書》，為我國STEM教育的發展指明了方向，推動了STEM教育的探索之路。2018年，“STEM教育研究協同創新網絡創建”專題會議在中國教育科學研究院舉行，推進了STEM教育的本土化。我國各地中小學也開始利用科學課或通用技術課開展STEM教育的實踐研究，STEM教育已經進入本土化實施階段。但將STEM教育整合進我國高中數學教育中的案例極為少見，而可以支持高中數學與STEM教育理念融合的校本教材也暫未有開發[2]。在此，將以高中“聲控四足機器人”教學活動為例，闡明與高中數學融合的STEM教學活動的開展策略，為相關校本教材的開發提供參考。

一、教學設計思路與目標

聲控四足機器人是一款模仿四足動物行走的仿生機器人，它能感知一定響度的聲音（如語音、擊掌聲等）。在受到聲音刺激后，機器人會進入運動模式，大約行走5秒后停止運動;當再次受到聲音刺激時，會再次進入運動模式，周而復始[3]。聲控四足機器人教育套件有兩大特點。一是采用分立電子元器件，通過簡單電路，可以使學生更清晰地了解電子元件的工作原理和各個時刻的工作狀態，理解機器人通過“傳感器—控制器—驅動器”工作的核心原理，并掌握相關科技知識。二是提供了外觀創意設計的空間。學生可以根據機器人的結構、功能和作用，加入自己的構想，從主題、形式、材料等各方面，對機器人進行創意設計，發展科技設計思維和動手能力。

很多高中生已經見過或接觸過機器人（如掃地機器人），但對其原理了解不足，親自搭建過機器人的學生更少。但高中學生已經通過不同學科的學習獲得了充分的知識儲備，具備了一定科學素養，有能力完成簡單機器人的組裝、電路搭建、外觀設計等操作。

“聲控四足機器人”教學活動以機器人的拼裝和外觀設計為主要內容，共需要兩個課時。教學設計的基本思路是：由教師導入并簡單說明聲控四足機器人的核心原理和本質特點，使學生了解自己將要面對的挑戰，隨后通過循環的設計與操作活動完成任務。活動的“循環”之處體現在，學生要反復對失敗的結果進行分析、總結并改進，直到成功。結合三維教學目標，可將“聲控四足機器人”STEM教學活動的目標進行分析與整合（見表1）。

二、實施流程

“聲控四足機器人”教學活動共經歷了7個教學階段，在每一階段，以不同的問題串引導學生進行思考和探究學習。

1.理解挑戰（5分鐘）

教師從宏觀上簡要介紹人工智能的發展歷史，通過視頻介紹工業機器人、特種機器人和服務機器人的基本信息。此后，具體介紹聲控四足機器人的工作原理、基本結構、功能和作用等，并向學生提出制作聲控四足機器人的挑戰，使學生對將要完成的兩個具體任務產生期待并作好心理準備。

2.任務一的執行（20分鐘）

任務一是拼裝機器人。學生以小組為單位執行拼裝任務，教師巡視指導但不參與實際操作。教師引導學生通過小組討論并形成統一意見，請學生在動手拼裝時思考以下問題。

（1）小組成員如何分工合作？

（2）怎樣理解說明書上的原理圖與文字說明？

（3）在面包板上搭建電路時，如何利用材料？

（4）進行拼裝時應該注意哪些細節？

（5）如果不加裝聲控開關，機器人可否實現運動？

（6）實現聲控需要進行怎樣的調節？

3.分析任務一的結果（5分鐘）

率先完成任務的小組可以幫助后完成的小組，在全部小組完成后，請各組討論以下問題。

（1）在拼裝過程中，小組遇到的實際困難是什么？組員們是怎樣合作克服困難的？

（2）小組在實驗中是否記錄了聲音的大小對機器人的影響？如何減少周圍環境對機器人的影響？

（3）小組所拼裝完成的機器人和設計圖中的機器人是否存在差異？這種差異是怎樣產生的？

（4）小組對機器人的傳感器、控制器、執行器的工作原理怎樣理解？說明它們是如何協調工作的。

4.任務一的展示分享（10分鐘）

組織各小組派2名以上成員進行匯報，依次展示并說明各組機器人的拼裝運行效果。全體學生觀察各組機器人的步態和行走路線，互相學習，取長補短。成功的小組要總結經驗，填寫科技活動日志;失敗的小組要尋找失敗原因，或提出解決方案進行改進。這一環節要使學生在相互借鑒中進一步加深對知識的理解，并提高表達能力。

5.任務二的執行（20分鐘）

任務二是設計并制作聲控四足機器人的外觀，并使機器人能夠“戴著”附加外觀順利走完一段直線路程。每個小組至少完成一個創意外觀設計，并在組長帶領下進行頭腦風暴，通過分析任務、討論交流，形成解決問題的方案。在這一階段，教師要引導學生思考以下問題。

（1）設計重點要放在臉部、身體還是腿部？小組成員如何分工？

（2）小組的創意來源是什么？除了突出特征法、對比襯托法、合理夸張法、諧趣模仿法、神奇迷幻法，還有其他創意方法嗎？

（3）創意外觀設計要采用什么材料？彩筆、彩色卡紙、彩色黏土、彩色無紡布等材料各自有何優點或缺點？小組在制作過程中是否考慮了材料的特性（如硬度、變形等）？

（4）如何利用數學知識處理機器人表面的不規則形狀？如何使平面設計圖形實現立體化？

（5）創意外觀的設計和制作應該注意哪些細節？

6.分析任務二的結果（10分鐘）

幫助有困難的小組發現問題并查找原因，鼓勵他們參考成功小組的經驗，通過反復設計、搭建、實驗、改進，直到成功完成任務，達到共同進步的目的。各小組要討論以下問題。

（1）小組內的分工是否合理、合作是否順暢，如何克服合作中的分歧和困難？是否每個成員都積極參與并完成了自己負責的部分？

（2）如何固定比較柔軟的或沒有固定形態的材料？

（3）如何讓自己的設計迅速吸引觀眾的注意力？達到良好設計效果的關鍵是什么？

7.任務二展示分享（10分鐘）

請各小組派代表進行外觀展示和操作演示，進行必要的說明并分享經驗，開展小組互評，填寫科技活動日志，使學生進一步鞏固課程中涉及的相關知識。

三、實施效果與反思

這一教學案例將STEM教育理念與高中科學、物理、數學知識進行了融合，旨在鼓勵學生在教師的布置和引導下，以小組合作的方式進行探索并完成任務，并在這一過程中學習和運用多學科知識。在本案例中，學生親自動手完成了機器人的拼裝與外觀設計，基本掌握了搭建聲控四足機器人簡易模型的方法和外觀的設計方法。

在教學過程的7個主要環節中，包含了大量循環往復地試錯與調試的過程，學生在失敗中積累有益的經驗，直到成功。在這樣環環相扣的過程中不斷動態生成的問題，激起了學生的好奇心和求知欲，點燃了學生創造思維的火花。不同小組的設計各有特色，有的粗獷簡約，有的色彩繽紛，有的活靈活現，充分體現了設計的多樣性與創造性。學生在探索、總結和展示的過程中獲得了豐富的體驗，也通過努力加深了對知識的印象，同時提高了動手能力。

采用問題串啟發學生思考，以及適時提出相關問題讓學生討論，使學生注意力更加集中并化被動為主動，并引導其通過積極合作與不斷反思建構自己的知識體系，體驗科學研究中屢敗屢戰、鍥而不舍的鉆研精神和成功所帶來的快樂。

實踐證明，以聲控四足機器人為載體，將STEM教育理念與高中多學科知識進行融合的教學活動，有利于培養學生的動手能力和創新精神，激發學生的創意設計思想和探索新事物的興趣。但是，在高中階段的任何改革和嘗試都是機遇與挑戰并存的，需要經歷循序漸進的過程。因此，建議學校兼顧學生不同層次和階段的發展目標，在高一學段精選師資力量，以高中研究性學習為突破口，在社團活動、科學競賽、科技節活動中進行推廣，并先在小范圍內開展試點教學。

參考文獻

[1][美]826全美.基于課程標準的STEM教學設計：有趣有料有效的STEM跨學科培養教學方案[M].林悅，譯.北京：中國青年出版社，2018.

[2]田雪，陳曦，郭偉.基于培養學生科學素養目標的STEM 教育本土化研究[J].基礎教育參考，2019（12）：40-42.

[3]韓俊，傅澤祿，許玉球.聲控四足機器人的STEAM教育實踐——以創意機器人大賽區級賽為例[J].廣東科技，2018（9）：61-64.

（責任編輯 ?郭向和）