高階創(chuàng)意機器人STEM教學實踐研究

薛翔

大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新，這是國家層面對創(chuàng)新的戰(zhàn)略要求，學校培養(yǎng)學生成為創(chuàng)新型后備人才迫在眉睫。近年來，全國各地多所學校如火如荼地開展各種各樣的科技創(chuàng)新類的教學活動，其中大部分仍停留于利用第三方研發(fā)的現(xiàn)成項目，被動地完成任務式的教學。經過長期探索和實踐，我發(fā)現(xiàn)創(chuàng)意機器人項目是學校培養(yǎng)學生科技創(chuàng)新能力的重要抓手，能更好地提高學生創(chuàng)新能力。

“智能茶博士”項目定位于客人接待、茶的加工。該機器人自動完成定量取水、定溫燒水、自動取杯、投放茶葉、泡茶等一系列工作。利用語音系統(tǒng)接待客人，協(xié)助客人選擇茶葉，在加工茶的過程中，播放茶知識，宣傳茶文化。

因地制宜，確定項目工程提任務

在研制“智能茶博士”過程中，我邀請幾名優(yōu)秀的機器人社團學生，參與項目測試工作。在此過程中，學生們發(fā)現(xiàn)該項目還可以拓展更多的功能，如接待客人、加工茶水等。于是，我因地制宜，提出了新的工程任務，主題初步確定為智能茶吧，研究重點確定為自動加工茶水。通過小組頭腦風暴形式組織學生展開討論，有機地將一個大工程分解為定量取水、定溫燒水、自動取杯、投放茶葉、泡茶等幾個小工程，提煉出自動加工茶水的工序以及各工序的初步設計思路。經討論認為，茶杯的位移是聯(lián)系各工序的關鍵所在，確定工程的第一階段核心目標：構建茶杯傳送平臺。

綜合考慮工程要求、學生能力以及學校的設施，工程結構部分選用了合金材質的積木件，具有堅固、穩(wěn)定且較易搭建的特點。傳感器、執(zhí)行器以及編程軟件均選用Arduino開源平臺兼容的軟、硬件。根據(jù)實際情況，確定工程任務，確立了學習目標。

適度指引，協(xié)助學生技術提水平

參與研發(fā)的學生，都經過了一年以上的機器人系統(tǒng)學習，部分參加了中國青少年機器人競賽活動的省級比賽，具備一定的技術水平，但受原有固定項目的限制，技術能力、水平上存在較大的局限性。第一階段的研發(fā)活動一開始就遇到了困難：學生不知道如何用一個電機控制來回兩個方向，我并沒有直接給出答案，而是讓學生觀察3D打印機的結構。很快，第一代茶杯傳送平臺搭建完成，檢測時，茶杯在傳送的過程中發(fā)生滑動，杯子有掉出托盤的可能。利用限位裝置，學生很快就解決了該問題。隨著工序和結構的增加，新的問題又出現(xiàn)了，用來防止茶杯滑動的限位裝置，給后繼的抓拿帶來麻煩，且抓手握杯、旋轉的動作存在安全問題。第一代傳送平臺陷入僵局，學生的積極性也受到了不小的打擊。我再一次出手，讓學生在網(wǎng)上觀看煤礦傳送的視頻。第二代傳送平臺傳送帶傳送孕育而生。

再如，學生經過多次的實驗，最終確定用3D打印茶葉桶。我只是給學生推薦了SketchUp軟件，學習、實驗、應用等過程均由學生自主完成。有明確需求的學習，學習的主動性、學習的效果大大提升。

教師的“懶”，造就了學生的“勤”，在研發(fā)的中后階段，學生能自主在網(wǎng)上選擇、定制工程所需物品，自主學習新型傳感器、執(zhí)行器的使用和控制方法，甚至能自制切割機對不銹鋼水管進行加工。學生自始至終都是學習的主體，教師適度引導，讓學生的學習主動性、積極性和創(chuàng)造性得到充分發(fā)揮。

設計改進，項目實施融合多學科

工程化、項目化的教學活動本身需要進行多學科融合，需要拓展、深化、融合學生已有的多學科知識和技能，如語文、數(shù)學、自然科學、編程、生活常識、傳統(tǒng)習俗等，學生必須進一步學習新學科、新知識、新技能。

如燒開水可以用直流電方式或者交流電方式進行加熱，這里就自然用到了物理中的電學知識，更涉及用電安全。該環(huán)節(jié)的研究過程，具體如下。

加熱裝置的變更：在初始設計方案中，在奶粉罐里安裝加熱管裝置，外接交流電，通過程序控制加熱單元進行水加熱。該方案的優(yōu)點：加熱速度快，能夠節(jié)省時間。缺點：選用容器易生銹，污染水質;且接縫處容易漏水，若用耐熱膠進行防漏， 會進一步污染水質，不能飲用。另外，交流電加熱，增加了實驗危險。在我的建議下，進行了直流加熱方案的實驗。

直流加熱方案：考慮到直流加熱比較慢，選用體積較小的易拉罐為加熱容器，將易拉罐簡單加工成近似長方體的形狀，在外壁貼上直流加熱片，對容器里的水進行加熱。此方案安全系數(shù)高，但受限于加熱片的功率，加熱速度很慢，最終貼了4片加熱片并做了保溫處理，也沒有將水燒開。于是我們又回歸交流加熱方案。

再改進設計后的交流加熱方案：針對最初的交流加熱方案中的兩個問題改進。⑴交流供電的安全問題，購置了帶有觸電保護的防觸電電源插座，減小觸電危險。⑵水質污染問題，選用了定制加工的不銹鋼圓管、改造后的不銹鋼保溫杯作為加熱裝置，加熱效果以及水質得以保障。但在一次實驗中，加熱管因為干燒發(fā)生爆炸，存在較大安全隱患。

最終方案：采用專門訂制的加熱管和加熱容器（材質為食品級304不銹鋼加厚型），飲用安全和使用安全均得到了保證。

項目的選擇，重視從學生的生活實際出發(fā)，激發(fā)他們的興趣和求知欲。我們給學生一個平臺，學生在項目的不斷改進設計中，不斷發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。對于“智能茶博士”這樣的項目，可能大家以為就是信息技術，其實是集人工智能、科學、物理、數(shù)學、傳統(tǒng)文化等于一體的綜合學習，需要將各個領域的知識融合，極大地豐富了學生的核心素養(yǎng)，提升了學生的綜合能力。

撰寫日記，規(guī)范科學研究養(yǎng)習慣

筆頭懶，是學生進行科學研究活動的通病。懶得寫，就不知怎么寫。學生第一次參加社團活動時，我就提出撰寫學習日記的格式和要求。“發(fā)現(xiàn)或出現(xiàn)的問題”“我的想法或做法”“結果或我的結論”是學習日記最基本的組成部分。學生在日記本上撰寫日記，并通過QQ群像冊上傳日記的圖片，我及時在QQ群進行點評。點評策略為開始階段最少找出學生日記中的一個亮點，讓學生感知老師對他的認可，呵護學生寫日記的熱情，逐步養(yǎng)成習慣;成熟階段，點評的側重點為學生在日記中提出的解決不了的問題和困惑，提供解決問題的思路。一個學年下來，約40%左右的學生養(yǎng)成撰寫學習日記的良好習慣，日記質量也有很大的提高。良好習慣的養(yǎng)成是對學生進行科學研究的正確引導。

順應形勢，對接大賽不斷挑新高

本項目的研發(fā)時間始于2016年10月25日，12月，“2017年中國青少年機器人競賽活動”比賽方案公布，其中創(chuàng)意項目的主題為“我的學習伙伴”。我及時組織研發(fā)團隊學生，研讀比賽規(guī)則并展開討論，決定加入“茶文化”元素，增加語音交互、學習知識功能，讓顧客在等待機器人自動泡茶的同時，學習“茶文化”方面的知識。“智能茶吧”華麗轉身為“智能茶博士”。在2017年4月市級比賽中獲創(chuàng)意項目冠軍，在2017年5月省級比賽中獲創(chuàng)意項目初中組冠軍，在2017年7月全國比賽中獲創(chuàng)意項目中學組創(chuàng)意鼓勵獎（銀牌）。2019年研發(fā)團隊的主力隊員劉暢同學獲“南通市第一屆青少年科技創(chuàng)新市長獎提名獎。項目實施中能夠創(chuàng)新是設計的主旨。有了創(chuàng)新點，學生對解決一個又一個問題充滿了興趣，不斷挑戰(zhàn)，激發(fā)了學生的學習積極性和創(chuàng)造性。

工匠精神，自主改進步伐不停息

創(chuàng)新驅動實質上還是靠人才驅動，只有激活“人”這個生產力當中的關鍵因素，聚天下英才而用之，才能為全面深化改革、推動創(chuàng)新發(fā)展提供堅實支撐和不竭動力。作為祖國未來的初中生，從課堂到生活，改革強音振奮人心，創(chuàng)新活力撲面而來。在信息技術課程中實現(xiàn)創(chuàng)新探索，我一直努力踐行，自開始研制本項目，學生在實踐中不斷發(fā)現(xiàn)、不斷改進、不斷求新。在9個多月的時間里，主體結構、各種裝置、控制方式、程序控制、加熱方式等大小改變上百次。與此同時，學生親身經歷機器人的研制、創(chuàng)新、動手、合作等，多方面能力得到長足進步。

給學生創(chuàng)造有利于創(chuàng)新發(fā)展的良好環(huán)境，從課堂到生活，從生活到課堂，學生本有的創(chuàng)新活力撲面而來。讓我們一直堅持以學生為中心，積極實踐，積極創(chuàng)新，在高質量發(fā)展創(chuàng)新教育的征程上行穩(wěn)致遠。

作者單位：江蘇海安市海陵中學