“機(jī)器人＋數(shù)學(xué)建模”在STEM教育中的實踐

王慧

【摘? 要】? STEM課程是一門多學(xué)科交叉，將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)有機(jī)地融合一起。它強調(diào)的是在不同的情境中培養(yǎng)學(xué)生問題的解決能力。機(jī)器人課程中融入數(shù)學(xué)建模思想，培養(yǎng)學(xué)生利用數(shù)學(xué)的思維去看待問題、分析問題、解決問題。

【關(guān)鍵詞】? STEM教育;機(jī)器人;數(shù)學(xué)建模

18世紀(jì)中葉以來，人類歷史發(fā)生三次工業(yè)革命，從第一次蒸汽技術(shù)革命，第二次電力技術(shù)革命，第三次計算機(jī)及信息技術(shù)革命到現(xiàn)在的人工智能革命，每一次的工業(yè)革命都推動著社會生產(chǎn)力的發(fā)展。機(jī)器人不僅作為新時代的產(chǎn)物，也是探究學(xué)科之間相互聯(lián)系的一個契機(jī)。因此，學(xué)會學(xué)習(xí)與運用顯得尤為重要。模型思想是《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》中十大核心概念之一，是學(xué)生將數(shù)學(xué)與現(xiàn)實生活聯(lián)系的重要紐帶，是引導(dǎo)學(xué)生從現(xiàn)實問題到直觀模型，從直觀模型到抽象模型，從抽象模型到自主建構(gòu)的建模過程。機(jī)器人、建模思想與STEM教育的精髓不謀而合，兩者融合將STEM課程效果最大化。

一、學(xué)習(xí)機(jī)器人課程在STEM教育中的意義

現(xiàn)如今機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)滲透到各個領(lǐng)域，充分表明國家對培養(yǎng)多元化人才的需求，培養(yǎng)孩子學(xué)習(xí)機(jī)器人已刻不容緩。STEM教育是讓學(xué)生學(xué)會綜合運用多學(xué)科知識，通過實例看到知識的多元化，知道學(xué)科知識不是單一的，可以綜合運用解決實際問題。機(jī)器人課程是STEM教育的具體體現(xiàn)，首先，機(jī)器人課程是開放式課程，融合了各個領(lǐng)域知識，發(fā)揮學(xué)生的動手實踐能力、思維創(chuàng)新能力、團(tuán)隊協(xié)作能力;其次，學(xué)生們富有豐富的想象力和創(chuàng)造力，他們能在機(jī)器人課程中尋找樂趣、展示才能、培養(yǎng)創(chuàng)意;最后，開展機(jī)器人課程更符合STEM教育的意義，可以打破學(xué)生對各個學(xué)科的元認(rèn)知，打破“偏科”的壁壘，也為國家培養(yǎng)多元化人才奠定了基礎(chǔ)。

二、尋根溯源，明確數(shù)學(xué)建模的重要性

對于學(xué)生來說，他們年齡小，學(xué)習(xí)以直觀思維為主，不善于抽象思維與逆向思維，他們所學(xué)的知識主要是從現(xiàn)實情境中抽象和概括出來的。但不能忽視一點，學(xué)生愛動手操作，愛思考，善于發(fā)現(xiàn)問題，勇于探索創(chuàng)新。機(jī)器人課程給學(xué)生提供了這樣的“支架”，玩轉(zhuǎn)機(jī)器人時，學(xué)生邊玩邊思考邊構(gòu)建數(shù)學(xué)建模，這樣的教學(xué)模式有助于加強學(xué)生對數(shù)學(xué)知識的理解。數(shù)學(xué)建模能對現(xiàn)實問題進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象，用數(shù)學(xué)語言進(jìn)行問題表達(dá)，能夠幫助學(xué)生體會數(shù)學(xué)與生活的聯(lián)系。建立數(shù)學(xué)模型、處理數(shù)學(xué)模型、應(yīng)用數(shù)學(xué)模型的種子在學(xué)生們的心中逐漸生長。

三、實踐中滲透，操作中感悟

學(xué)生對數(shù)學(xué)知識的學(xué)習(xí)，很難將知識系統(tǒng)化地應(yīng)用到生活中，我們可以引導(dǎo)學(xué)生將數(shù)學(xué)中學(xué)到的知識運用到機(jī)器人課程中，加強學(xué)生對數(shù)學(xué)知識方法與思想的理解，感悟機(jī)器人在社會所占的價值。建模思想在機(jī)器人學(xué)習(xí)中如何滲透呢？我們不妨從生活入手，化自然語言為編程語言。

比如：讓機(jī)器人從A點搬運貨物到C點，要求從中選取最優(yōu)路徑（權(quán)值最小）。首先我會給學(xué)生充足的探索時間，讓他們小組討論交流、分析，各自說出自己的想法，然后教師提問：如果是自己搬運，會選擇哪條路？有的學(xué)生認(rèn)為從A點到B點，再從B點到C點（測距估算），還有學(xué)生持反對意見，認(rèn)為可以結(jié)合路程=速度×?xí)r間（S=VT），將馬達(dá)的速度設(shè)置最大值。但是轉(zhuǎn)彎太多，轉(zhuǎn)彎也是需要時間的。教師追問：那機(jī)器人前進(jìn)多少？轉(zhuǎn)多少角度的彎？（轉(zhuǎn)彎：左輪與右輪轉(zhuǎn)速的差。）如何判斷這些條件呢？實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，最后學(xué)生去估算、實踐。通過問題的層層引導(dǎo)，學(xué)生運用了數(shù)學(xué)建模中的假設(shè)檢驗思想，并利用構(gòu)建的模型通過軟件將程序編寫出來，再不斷檢驗、調(diào)試，選擇讓機(jī)器人直接將貨物從A點搬運到C點，這個簡單的案例不僅將數(shù)學(xué)知識路程、速度、時間、減法、乘法毫秒等概念與公式的合理運用，還利用機(jī)器人現(xiàn)場模擬行走，直觀地掌握數(shù)學(xué)理論——兩點之間距離最短。長此以往，學(xué)生通過反復(fù)的操作、練習(xí)，就會在無形中養(yǎng)成用編程語言來解決問題的習(xí)慣，而在解決問題的過程中，將問題構(gòu)建成模型庫就是數(shù)學(xué)建模思想的核心，困擾學(xué)生的編程問題不再是問題。

再如：伸縮門是日常生活中較為常見的一種門，利用積木塊搭建一個伸縮門（自動開關(guān)的伸縮門），控制行人或運輸攔截和放行。傳統(tǒng)的教學(xué)方式是老師直接告訴學(xué)生搭建平行四邊形，雖然也能完成作品，但學(xué)生就不會去分析、討論、研究為什么，在實踐中也不會構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。即使學(xué)生了解平行四邊形的特性，也只是單純地了解數(shù)學(xué)理論知識，很難形成抽象思維。STEM課程不同于數(shù)學(xué)課程，它是開放的，是通過實踐去論證的，設(shè)計伸縮門課程中，我會讓學(xué)生以實踐的方式探討三角形、平行四邊形、正方形它們各自的特性，哪一個更適合并說出理由。實踐得出利用平行四邊形的結(jié)構(gòu)，因為它具有不穩(wěn)定性，容易發(fā)生形變。最后在建立模型基礎(chǔ)之上，再通過編程設(shè)計來判斷解決問題的可行性。

以上實例都是基于STEM教育思想，即基于真實解決問題的學(xué)習(xí)。有利于學(xué)生建立解決問題的基本模型庫;有利于學(xué)生學(xué)會用編程語言來表達(dá)實際問題;有利于培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊合作精神。

“機(jī)器人+數(shù)學(xué)建模”在STEM教育中的實踐意在借助于機(jī)器人平臺模擬生活中的情境，增強學(xué)生數(shù)學(xué)建模的應(yīng)用意識，提升學(xué)生數(shù)學(xué)建模的應(yīng)用能力、個人能力、學(xué)科品味。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李其進(jìn).小學(xué)數(shù)學(xué)建模教學(xué)的起點、過程及應(yīng)用策略[J]現(xiàn)代中小學(xué)教育，2017（08）：35-05.

[2]姜春霄.數(shù)學(xué)建模思想在小學(xué)機(jī)器人教育中的應(yīng)用[J]中國教育信息化，2012（10）：65-02.