基于STEM教育的智能机器人课程系统开发与实践

基于STEM教育的智能机器人课程系统开发与实践

朱春健

（江苏省海门实验学校附属小学，江苏 南通 226100）

摘 要：STEM教育是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）教育的统称，出现于20世纪80年代末的美国大学校园。基于STEM教育的机器人课程是一种跨学科的、应用型的方法，它结合了动手做和基于问题的学习，这种课程模式将激发学生学习机器人的兴趣，努力培育学生的创造思维，提升信息素养。

关键词：STEM；机器人；课程系统；创新；创新思维

一、STEM机器人课程基本概念

机器人课程是指通过组装、搭建、运行，激发学生学习兴趣、培养学生综合能力的教学过程。机器人在STEM教育中是相当具有代表性的课程，机器人教学的优点在于学生不仅需要使用他们在科学、数学方面的知识，更必须动手制作机构、结构，挑选适当的材料与零件进行实操，达到知识与实践并重的目的。

二、STEM机器人课程实施步骤

STEM机器人课程有玩、做、想、创四个步骤。第一，玩：玩一玩、动一动、做一做。玩一玩的目的在于提升兴趣，进而引起学习动机。搭一搭机器人积木，可以建立成就感，这也会增强学生学习的动机，至于动一动，就是通过碰触与操作，提供感官的直接经验，以建构学习体验，成为经验学习的第一环。

第二，做：从积木做出成品。将积木制作成机器人成品，需要有制作规划与工作规划的能力；在制作过程中，需要敏锐的观察力与较好的动手能力；要把机器人成品制作出来，则需要有坚持与毅力，一旦机器人成品制作出来后，学生获得成就感，则可以大大增进自信心与获得感。

第三，想：想想看机器人成品在机械结构、传动原理等的相关问题。在机器人制作过程中，学生可以发现问题、知识，思考采用这种积木、传动结构的原因，并可以印证以前所学到的知识，再归纳成新的学习经验，形成良好的体验，进一步探究学习的效果。

第四，创：例如一堂STEM项目的机器人课堂上教师提出下面这个问题，然后要求学生组成一个研究小组开展原创性研究。

布置下面一个任务情景：打算要改装一个普通的垃圾桶，让它能够在我们的手伸过去时就自动将盖子打开，一直到把垃圾丢进去手缩回去之后才将盖子关闭，另外，它的上方有LED灯随时提醒里面有多少垃圾，让我们看到灯的颜色便知道它目前内部垃圾的多少，决定要不要把它清理一下。这个智能垃圾桶原理其实并不难，它用到的传感器只有超声波传感器，另外一个就是伺服马达，用它来开合垃圾桶盖。

下面是所有的材料清单：

一个掀盖式垃圾桶、面包板、杜邦线若干、Arduino 

UNO 开发板、3色LED、超声波测距模块（HC-SR04）、伺服马达（SG90 Tower Pro 2Kg）

上面的超声波模块用来侦测内部的垃圾量，右下方的超声波模块则用来侦测用户手部的动作；大部分的零件都安装在上方的盖子及卡座（两者预设是连接在一起，与下方的本体可分离），不影响到使用者安装或抽换垃圾袋的动作。

在研究过程中，学生被要求使用各种技术和方法搜集信息、证据和数据、分析数据，并设计、测试和改进一个问题的解决方案，然后与其他同伴交流研究成果、分享信息，这种研究过程强调的是学生设计能力与问题解决能力的培养。

三、STEM机器人课程的实施方法

基于STEM教育的六大核心理念：一是包含S、T、E、M四个要素；二是以工程设计过程为主导；三是关注现实问题，注重在真实情境中学习；四是以学生为中心，主动实践；五是结果开放，允许多个正确答案。我校从2016年起开始探索STEM教育，努力建设STEM机器人课程，在机器人社团的专题活动中，学生必须：

第一，寻找、选择适合的材料。第二，要学习搭建并固定零件。

第三，接着了解机械结构与动力、运转与马达。第四，最终完成程序设计，才能成功操控机器人。 STEM机器人课程的最终目的是让机器人动起来。每个步骤环环相扣，缺一不可。跨领域学习科学、工程、技术及数学知识，并想办法将天马行空的想法变为可行。于是学生去设计制作各种各样的机器人，结构新奇、造型奇特，创意无限。

四、总结

基于STEM的智能机器人课程系统从多元智能理论出发，结合学生生活经验，以人工智能发展体验学习，增加了学生的思考能力和问题解决能力。通过合作探究、分享经验，进一步增进了学生的情感表现力和创造研究能力，让学生真正去进行主动、深度、整合的学习。

参考文献：

[1] 刘诚翰.小学创客教育发展策略研究[D]. 内蒙古师范大学，2017.

（责任编辑：李晓杰）

作者简介：朱春健，男，汉族，江苏海门人，江苏省海门实验学校附属小学，二级教师，本科学历，研究方向：小学信息技术教学。

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