STEM教育課程的設計與實踐
——以“制作智能機械臂模型”為例

何德洪

(廣州市從化區第六中學 廣東廣州 510900)

一、STEM教育簡介

STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）四門學科的簡稱，STEM教育是一種注重實踐的跨學科教育，最早出現在1986年美國科學委員會《本科的科學、數學和工程教育》的報告中。STEM教育著重培養學生的STEM素養，包括四個方面：一是科學素養，是指運用科學知識（如物理、化學、生物、地理等科學）認識世界、解釋自然界的客觀規律；二是技術素養，是指對科學和技術進行評價和做出相應決定所必需的基本知識和能力；三是工程素養，是指對工程設計和工程開發過程的理解；四是數學素養，是指學生運用數學知識解決實際情境下數學問題的能力[2]。

二、實踐案例——“制作智能機械臂模型”

（一）學習者分析

本課程面向高二的學生，建立在學生已有知識和能力的基礎上。通過物理課程，高二的學生對“力與運動”和傳感器有一定的認識，能結合觀察、動手操作、研究相關學習支架掌握機械臂的力學原理、機械結構和傳感器的功能應用；通過信息技術課對相關計算機編程知識的學習，高二的學生已具備利用可視化編程軟件編寫簡單程序的能力；高二的學生有一定的空間意識和邏輯計算能力，能理解機械臂的空間運動過程，運用數學知識計算傳感器的閾值和簡化程序算法；高二的學生有一定的動手能力、探究能力和團隊協作能力，對機械和技術有一定的認識，學習積極性較高[3]。

（二）課程任務

使用機械臂模型套件組裝機械臂實物模型，模型要符合真實工業機械臂的力學原理、機械結構，能正常執行動作，抓取和移動物體，能利用傳感器和編程對機械臂進行一項以上的功能創新，如聲音控制、按顏色分揀物品等。

（三）課程內容及流程

1.情景導入與提出任務（1課時）

教師播放機械臂在工業加工制造、汽車自動化裝配、集成電子電路生產等應用場景中的視頻，激發學生對現實生活中智能制造領域的興趣，引出本課程的主題——機械臂，明確制作智能機械臂的課程任務，分析相關的功能設計要求。

2.組裝機械臂模型（2～3課時）

（1）小組研究學習支架材料，確定組裝機械臂模型的方案。

機械臂的力學結構、運行原理；伺服電機的結構、工作原理；組裝機械臂模型構件的原則和技巧；不同規格的螺絲螺母、組裝工具的使用和管理。

（2）每組發一套機械臂模型套件，學生團體協作，動手組裝機械臂模型，教師從旁協助答疑。

（3）每個小組派代表分享機械臂模型的組裝經驗和收獲。

3.設計動作組，實現機械臂抓取和移動物體（2～3課時）

（1）小組研究學習支架材料，探討機械臂動作組的設計思路。

如何使用伺服電機控制板上位機軟件，控制伺服電機的運行時間、轉動方向和角度？如何分解機械臂抓取移動物體的動作過程，相關伺服電機如何組合控制？如何調節機械臂抓取物體的力度？

（2）利用伺服電機控制板的上位機軟件，設計抓取物體、移動物體的動作組。

（3）運行調試程序，測試機械臂抓取物體、移動物體的效果。

（4）以小組為單位，比賽機械臂抓取移動物體，體驗從理論到實踐的快樂。

在D城，麥小秋已經和一個人有了千絲萬縷的聯系。那個人她叫饒哥。她不知道該怎樣丈量她在D城的時間，從來到D城離開D城又回到D城，零零亂亂的日子大約已經有五、六年了。在她25歲的時光里，D城的生活占了她五分之一的光陰，而這五分之一幾乎是她步入社會的全部。

（5）學生分享機械臂動作組設計、調試、運行中遇到的問題及團隊協作解決問題的經驗。

4.機械臂的功能創新（5～6課時）

（1）小組討論機械臂要創新什么功能，選定相應的傳感器。

超聲波傳感器、光敏傳感器、觸摸傳感器、顏色傳感器有什么功能？工作原理是什么？機械臂要創新什么功能？要實現功能，工程的復雜程度如何？

（2）小組研究學習支架材料，運用數學知識掌握計算傳感器閾值的方法，教師從旁指導。

（3）小組學習傳感器的程序范例，利用Arduino圖形化編程軟件實現對傳感器的控制和使用。

（4）學生團隊協作，探索程序的設計思路，畫出程序設計的流程圖。

（5）學生按程序設計的思路和流程圖，利用Arduino圖形化編程軟件編寫程序，教師從旁指導。

程序編寫的原則和規范有哪些？如何設置程序變量？如何實現流程圖中的分支結構和循環結構？怎樣調試、測試程序？

（6）學生把程序上傳到Arduino主板上調試，根據機械臂的實際運動情況進行修正和優化。

5.最終作品展示與評價（1～2課時）

（1）學生展示各組的智能機械臂作品，分享設計思路、實現過程。

（2）學生開展小組內的自評、互評。

（3）學生開展小組間的互評，交流心得體會。

（4）教師根據機械臂抓取移動物體的效果、機械臂拓展功能的創新性、學生在整個活動過程的表現，對學生和小組進行形成性評價和總結性評價，并對學生提出合理的期望。

（5）師生總結課程中涉及的STEM學科知識和STEM素養，并在以后的學習中有意識地加強。

三、結束語

“制作智能機械臂模型”課程，以項目式學習作為驅動，借助學習支架，圍繞制作智能機械臂模型的課程任務展開，有效實現了科學、技術、工程、數學的跨學科融合，學生對課程的參與度較高。學生經歷問題提出、調查研究、模型構建、設計制作、測試優化、功能創新、展示與評價等過程，較好地完成了設定的課程任務和課程目標，鍛煉了邏輯思維能力、動手能力、團隊交流協作能力，學會了分析、探究、解決實際問題的方法，收獲了自信，樹立了尊重科學、敢于創新的精神，有效提高了個人的STEM素養。通過課程實踐，加深了師生對“技術”和“工程”的認識，檢驗了STEM教育課程設計理念的有效性。

科技、經濟、社會快速發展的當下，STEM素養對一個國家的國際競爭力、經濟發展水平及國民素質都有重要意義。我們應積極探索和實踐STEM教育課程，重視培養學生的STEM素養，以滿足學生未來的發展需要和社會對人才的需求。