面向STEM教育的高中机器人教学实践刍议

作者: 来源: 发布时间:2017年11月09日 点击数:

 

 

 

面向STEM教育的高中机器人教学实践刍议

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

董平

舟山中学

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面向STEM教育的高中机器人教学实践刍议

摘要】随着物理引擎的应用,前沿数字技术的开源和高校对创新人才的青睐,越来越多的高中开启了机器人学习之旅。如何更好的开发面向STEM教育的机器人课程,从而提高学生创新实践能力和STEM综合素养,是一线计算机教师应该着重思考的问题。结合教学实践经验,本人从阐释STEM教育和机器人教育的内涵;基于物理引擎的虚拟机器人平台的教学;基于开源平台的实体机器人设计的教学以及机器人课程与高中生升学关系这几方面来谈谈自己的看法。

 

关键字高中 STEM教育 机器人教育

一、STEM教育和机器人教育

STEM教育源于美国,是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineer)和数学(Mathematics)领域教育的简称。上世纪 90 年代, 美国国家科学基金会首次使用 STEM 描述涉及一至多门 STEM 学科的事件、政策、 项目或实践( Byhee, 2010)。2014年,美国政府提出的STEM国家人才培育策略,专门针对中小学STEM教育提出实现各州STEM创新网络合作、培训优秀STEM教师、建立STEM专家教师团、资助STEM重点学校和增加STEM科研投入等具体的规划,受到世界的广泛关注(杨光富,2014)。STEM教育旨在打破学科领域边界,强调多学科的交叉融合来说,STEM教育应注重对高中生科学素养、技术素养、工程素养和数学素养的综合培养,来提高高中学生基于这四门学科素养的,可以把学习到的零碎知识与机械过程转变成探究真实世界相互联系的不同侧面的综合能力。

机器人教育是指学习、利用机器人,优化教育效果及师生劳动方式的理论与实践(彭绍东,2002)。开展机器人教育是为了优化教与学的效果,强调以较少的教育投入取得较大教育效果。这里的教育效果主要是指学生获得的知识技能和解决问题的能力。我国机器人教育最早出现于上世纪八十年代中期。北京、上海等地区的青少年科技馆、少年宫等科普机构结合单片机和传感器的开发制作与应用,开始了简易机器人的教学活动。从基础教育领域来看,2000年北京景山学校以科研课题的形式将机器人普及教育纳入到信息技术课程,在国内率先开展了中小学机器人课程教学。2003年4月教育部正式颁布《普通高中技术课程(实验)标准》,首次在“通用技术”科目中设立了“简易机器人”模块,与此同时,新的高中课程标准在“信息技术”科目中也设立了“人工智能初步”选修模块,标志着机器人教育正式进入了中学课程领域。

近年来笔者所在的学校以实施创新教育、培养创新型人才为目标,注重培养学生兴趣,提升STEM素养,开发开设了虚拟机器人、基于arduino的机器人设计等选修课,开展了虚实结合的机器人教学实践,并取得了一定的经验和成效。

二、基于物理引擎的虚拟机器人平台教学

虚拟机器人指通过计算机和网络,在基于计算机仿真技术的系统中开展机器人学习和研究,模拟实体机器人完成特定的任务。虚拟机器人不需要维护繁复的零件,没有太多的不确定因素,只需关注机器人控制最重要的输入与输出关系及程序处理,适合学生快速理解机器人基本知识、掌握机器人设计方法,并通过调试参数实现既定目标。

为培养学生STEM素养,选择仿真平台时应注重仿真平台的模拟现实的能力。传统的仿真软件只能实现特定项目的仿真,并没有考虑现实物理规律,仅仅是一种程序的可视化检验。而基于物理引擎的仿真平台能够模拟真实的刚体运动。运动物理具有密度、质量、速度、加速度等各种现实的物理动力学属性,在发生碰撞、摩擦、受力的运动模拟中,不同的动力学属性能得到不同的运动效果,因而仿真的效果更接近现实,可以更好的将物理、数学等学科知识融入到机器人教学活动中。

例如我校在开展萝卜圈虚拟机器人教学中,注重用数学的方法让学生更准确的控制机器人。要让四轮机器人沿护栏中间走,基于程序思想,当机器人偏左时,使左侧轮速大于右侧轮速,即可回到中间,如果调整过度,偏右时,右侧轮速大于左侧轮速,如此循环。基于STEM教育理论,我们要让学生运用科学和数学的方法去解决问题,因此,我们在教学中注意引导学生观察原有方法在直路和弯路上的不同表现,分析偏离情况和调整轮差速度之间的关系,提出可能的数学方法,然后再去仿真平台中验证是否可行。学生通过仿真发现:通过距离传感器检测机器人与左右护栏间的距离,两者之和应该是个常量,偏离中心较远时,两边距离之差较大,需要较大轮差值才可以回到中心,而偏离中心较近时,两边距离之差较小,稍微调整即可,左右护栏距离之差和调整轮差值似乎是线性关系,进而得出左右轮差值=|距左侧护栏距离值-距右侧护栏距离值|/常数,再通过仿真检验这个方法,发现可以比较稳定的解决这个走中间问题。

三、基于开源平台的实体机器人设计教学

我校早在2003年就引入了实体机器人教学,鉴于当时机器人核心技术主要集中在开发公司手中,而且并不对外开放,造成机器人教学局限性较大,学生只能在开发公司设置的模块内容中进行调试,师生的想法设计难以实施。再加上当时机器人设备较为昂贵,开展教学成本大,因此机器人教学开展几年后一度停止,这一情况直到2012年才有所改善。

这次我们的机器人教学并没有采用专业公司的机器人产品,而是采用了基于arduino开发板的开源产品。一方面这类产品的通用性较好,接口统一,配件完善,适合学生学习和开发;另一方面这类产品的价格相对便宜,开展教学成本压力相对较轻;此外基于开源的思想,这类产品的技术资料公开,编程环境宽松,参考资源丰富。

在强调多学科融合的STEM教育理论基础上,我们重构了实体机器人教学模式:不再强调技术的应用,而是将目光放在对生活的观察,发现其中的问题,运用机器人技术结合工程理念设计机器人模型解决问题。通常我们会在高一的时候安排虚拟机器人课程,使掌握学生各种传感器、执行装置以及相关的算法,有了这些基础以后,再面对生活中的问题的时候,往往就有脑洞大开的感觉。如我校任金程同学发现学校周边河道漂浮的生活垃圾比较多,想做一款河道清理机器人,代替人去兜住河面的垃圾。他设计了圆形的船身网兜,机器人在水面可以采用空气桨动力,带着网兜在河道中不断移动,将河面漂浮垃圾兜住,这需要将机器人的位置与河道地图结合,才可以规划移动路径。要知道位置可采用GPS传感模块,而arduino控制板可以对GPS模块信号进行读取和处理,并且网络中也有相关的资料。这位同学通过学习和试验,最终确定了以GPS定位当前位置与目标位置进行方向处理,控制舵机转角以控制风扇的朝向,决定网兜的运动方向的方案。任金程的河道清理机器船就是基于这样的方案去设计制作,并在后来市青少年科技创新大赛上获一等奖。

四、机器人课程与高中生升学的关系

基于STEM素养提升的机器人课程对高中生升学究竟有益还是有害呢?其实机器人课程只是一种途径和方法,升学是一种目的,如果能将两者有机的结合在一起,就会带来素养和升学的双丰收。例如我校刘桓嘉同学是笔者带的第一批机器人课程学生,那个时候他的班主任推荐他来参加机器人课程,他一下子就喜欢上了,从此迷上了机器人设计,经常在网上查找一些机器人的资料和信息,还组织了同班几个同学一起研究机器人。说实话,当时他的成绩一般,也就是班里平均水平,属于那种重点大学可上可下的。从接触机器人开始,他真正发现学习是有意义的,开始真正主动去学习。那时学校的机器人课程刚刚起步,还在不断的摸索中。刘桓嘉和他的同学经常泡在机房里,我们一起探讨、试验各种方案,不断的改进再试验。后来一年一届的全国中小学信息技术实践与创新活动开展,他报名参加了虚拟机器人野外生存赛项,在没有专业指导的情况下,通过不断的研究,经历网络初赛、复赛进入最终现场决赛,并在决赛中获得全国二等奖。今年参加高考的他凭借在机器人项目中的经历,获得了南京理工大学自主招生资格。

曾经有很多关于机器人教育费钱费时的说法,认为这对升学没有帮助,甚至会影响学业。其实只要理智的选择,科学合理地安排时间,并在教学的过程中注意培养兴趣,培养习惯,培养快乐学习的心态,机器人课程不光能提升学生的科技素养,更能提高他们对其他学科学习的动力。

五、结语

新的时代,新的要求。我们要以前所未有的勇气、开拓创新的精神迎接新的挑战。作为教师在面向STEM教育的机器人课程实践中,要不断积累经验,提炼方法,或许可以开创一条让更多高中生参与创新,培养创新实践能力和STEM综合素养的道路。

 

参考文献:

1.余胜泉.STEM教育理念与跨学科整合模式 [J] 开放教育研究 第21卷第4期.13-22

2.王娟.STEM整合视野下的机器人教学活动设计.温州大学硕士论文.2014.5

3.席发科.虚实结合的高中机器人教学实践与探索[J]实验教学与仪器.2014年第7/8期

4.谢作如.从机器人、STEM到创客教育[J]中小学信息技术教育2015年第7期

5.钟柏昌,张禄.我国中小学机器人教育的现状调查与分析[J]中国电化教育.总第342期

6. Byhee , R. W.(2010).Advancing STEM education: A 2020 version[J].Technology and Engineering teacher ,70(1):30-35

7.杨光富(2014).奥巴马政府STEM教育改革综述[J]. 中小学管理,(4):48-50

8.彭绍东.论机器人教育(上)[J]电化教育研究.2002年第06期:3-7

 

 

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