（長春市第九十八中學(xué)校，吉林 長春 130041）

一、研究背景

近幾年，隨著STEAM教育在各中小學(xué)校開展的不斷深入，不少學(xué)校還參加了關(guān)于STEAM教育教學(xué)等方面課題的研究，使得STEAM教育理念得到推廣，并被廣大教師所認(rèn)可。機(jī)器人教學(xué)作為STEAM教育的代表之一，在廣大中小學(xué)校中受到歡迎，與此同時(shí)，各級(jí)教育部門加大資金投入力度，為機(jī)器人教育的開展提供了硬件保障。

目前，機(jī)器人教育在中小學(xué)校存在的形式多以校本課為主，各學(xué)校根據(jù)已有的設(shè)備有針對(duì)性地進(jìn)行教學(xué)，著重培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。越來越多的家長認(rèn)識(shí)到機(jī)器人教育的重要性，注重孩子動(dòng)手操作能力和思維的培養(yǎng)，鼓勵(lì)并支持孩子學(xué)習(xí)。

二、STEAM教育和機(jī)器人教育的概念界定

（一）STEASTEAMM教育

二十世紀(jì)八十年代，美國相關(guān)部門發(fā)表的《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》報(bào)告，首次明確提出“科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)教育集成”的綱領(lǐng)性建議[1]，從中可以看出把科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四門學(xué)科英文的首字母集合在一起就構(gòu)成了STEM。隨著STEM教育教學(xué)實(shí)踐的不斷深化，又把“藝術(shù)（Arts）”納入到STEM教育中，擴(kuò)充了STEM教育的內(nèi)涵。

以上可以看出STEAM教育是集科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程等學(xué)科的整合體。它打破了學(xué)科之間的界限[2]，通過教育教學(xué)設(shè)計(jì)把相關(guān)學(xué)科的知識(shí)和技術(shù)融入到課堂之中，學(xué)生能夠多方面、多角度地分析問題，拓寬解決問題的思路，有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（二）機(jī)器人教育

機(jī)器人教育是STEAM教育的典型代表之一。我國對(duì)機(jī)器人教育廣義的界定是以彭紹東為代表的，他認(rèn)為機(jī)器人教育是指學(xué)習(xí)、利用機(jī)器人，優(yōu)化教育效果及師生勞動(dòng)方式的理論與實(shí)踐[3]。

狹義的定義主要以郭善渡為代表，認(rèn)為機(jī)器人教育包括機(jī)器人學(xué)科教學(xué)、機(jī)器人輔助教育、機(jī)器人與傳統(tǒng)學(xué)科相互滲透[4]。

從兩種定義來看，中小學(xué)機(jī)器人教育屬于狹義的機(jī)器人學(xué)科教學(xué)，可以理解為集數(shù)學(xué)、物理、美學(xué)、計(jì)算機(jī)等為一體的多學(xué)科融合的綜合課程。

三、機(jī)器人教育與各學(xué)科的融合

（一）機(jī)器人教育與數(shù)學(xué)的融合

美國的卡耐基梅隆大學(xué)機(jī)器人學(xué)院的院長曾指出：“多數(shù)教師忽略機(jī)器人本應(yīng)有的關(guān)鍵的STEM教學(xué)過程，他們的教學(xué)使學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中過于隨意，并且繞開了可能的數(shù)學(xué)問題，這些教學(xué)方法弱化了問題解決的過程，使學(xué)生失去了更多的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)”。

避開數(shù)學(xué)談機(jī)器人教育教學(xué)的融合是不現(xiàn)實(shí)的。下面本研究僅以兩個(gè)基礎(chǔ)搭建為例說明數(shù)學(xué)和機(jī)器人教育的融合問題。

1.“兩點(diǎn)確定一條直線”這一基本定理在機(jī)器人學(xué)科中的遷移

把已有的兩個(gè)樂高連桿連接起來，用一個(gè)銷進(jìn)行連接，兩個(gè)連桿會(huì)以這個(gè)銷為中心分別進(jìn)行任意角度的旋轉(zhuǎn)，如果用兩個(gè)銷進(jìn)行連接兩個(gè)連桿就會(huì)固定在一起無法分開。按照這個(gè)思路，把一個(gè)連桿固定在一個(gè)面上也是一樣。在課堂上通常稱之為“一點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，兩點(diǎn)固定”。這種遷移恰恰賦予了“兩點(diǎn)確定一條直線”在實(shí)踐中運(yùn)用的新形式，使數(shù)學(xué)問題在機(jī)器人教育中得到深刻的理解和運(yùn)用，這正是美國教育家杜威提出的“做中學(xué)”思想的驗(yàn)證。

2.左右對(duì)稱（鏡像對(duì)稱）圖形在機(jī)器人學(xué)科中的應(yīng)用

以“金字塔”蛋糕的搭建為例，此課的項(xiàng)目探究過程設(shè)計(jì)如下：

(1)分析金字塔有哪幾種圖形構(gòu)成；

(2)搭建出第一步分析后得出的圖形；

(3)這幾種圖形對(duì)折有幾種折法；

(4)用這幾種圖形圍成金字塔的形狀；

(5)搭建“金字塔”蛋糕，研究平均分成二份有幾種分法。

學(xué)生在探究過程中以金字塔建筑為例，通過觀察和分析建筑本身的圖形特點(diǎn)，完成項(xiàng)目任務(wù)，得出結(jié)論，進(jìn)一步了解了什么是軸對(duì)稱圖形，并理解了什么是左右對(duì)稱圖形。

這個(gè)項(xiàng)目任務(wù)的設(shè)定把學(xué)生帶入了實(shí)際生活中，通過解決實(shí)際問題，讓學(xué)生理解了一系列的數(shù)學(xué)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了平面思維到立體思維的過渡。

以上兩個(gè)例子說明，機(jī)器人教育在搭建方面也始終離不開數(shù)學(xué)的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，這種融合是深入骨髓里的，而且相輔相承。

（二）機(jī)器人教育與物理學(xué)科的融合

根據(jù)學(xué)生的年齡特點(diǎn)進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮機(jī)器人教育本身的優(yōu)勢，深入挖掘所涉及到的物理知識(shí)，讓學(xué)生們在學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行深層次的探究。

以“蹺蹺板”的搭建一課為例，對(duì)于這個(gè)年齡段的學(xué)生都有過玩蹺蹺板的經(jīng)歷，因此教師完全可以設(shè)置情境 ，拋出問題——“我們?nèi)绾伟褜?duì)方蹺起來？”，圍繞這個(gè)問題設(shè)置相應(yīng)的任務(wù)，讓學(xué)生們操作并得出結(jié)論。

探究過程可以這樣構(gòu)建：一是搭建一個(gè)以支點(diǎn)為中心等臂的蹺蹺板；二是搭建一個(gè)以支點(diǎn)為中心不等臂的蹺蹺板。學(xué)生分組進(jìn)行，要求等臂的蹺蹺板兩頭放上不同質(zhì)量的物體，不等臂的兩側(cè)放上等質(zhì)量的物體，觀察結(jié)果。

整節(jié)課下來學(xué)生從生活實(shí)際體驗(yàn)出發(fā)，親自動(dòng)手操作完成搭建任務(wù)，思考問題，再通過一定的任務(wù)，探究深層次的物理知識(shí)，最終解決問題，得出相應(yīng)的結(jié)論。

此設(shè)計(jì)基于STEAM教育和項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，旨在培養(yǎng)孩子們的探究學(xué)習(xí)能力和思維方法。在這節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)過程中加強(qiáng)與物理學(xué)科的融合，為以后完成更復(fù)雜的學(xué)習(xí)探究任務(wù)奠定良好的學(xué)科基礎(chǔ)。

（三）機(jī)器人教育與信息技術(shù)的融合

全國中小學(xué)計(jì)算機(jī)教育研究中心的主任苗逢春認(rèn)為：機(jī)器人教學(xué)集中承載著中小學(xué)信息技術(shù)教育的諸多核心價(jià)值，中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)是最具持續(xù)發(fā)展?jié)摿Φ闹行W(xué)信息技術(shù)領(lǐng)域之一[5]。從苗逢春的論述中我們可以看出，機(jī)器人教育教學(xué)活動(dòng)已經(jīng)從某種程度上成為了不可替代的信息技術(shù)課程。近幾年，在各級(jí)政府的大力投入下，一部分中小學(xué)校增設(shè)了機(jī)器人的校本課程或以機(jī)器人比賽為主要載體的科技小組。

以吉林長春為例，每年省、市都會(huì)舉辦各種機(jī)器人大賽或創(chuàng)客大賽。在機(jī)器人大賽中，每個(gè)賽項(xiàng)都會(huì)有一個(gè)承載的主題，一般是亟待解決的現(xiàn)實(shí)生活問題。學(xué)生們以小組為單位，利用互聯(lián)網(wǎng)等途徑收集信息、處理加工信息，給出解決方案。每個(gè)比賽作品都融合了傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等。需要學(xué)生用硬件的搭建造就機(jī)器人的身體，利用信息技術(shù)賦予機(jī)器人以“靈魂”。只有經(jīng)過不斷深入地探究，達(dá)到“靈魂”與“肉體”的完善結(jié)合，才能在比賽中擊敗對(duì)手，最終勝出。

（四）機(jī)器人和美學(xué)的融合

美是一種思維方式，機(jī)械美學(xué)的心理基礎(chǔ)認(rèn)為只有機(jī)械本身的功能性合格，這樣的作品才稱其為美的。機(jī)器人的美是內(nèi)在功能和外在形式的統(tǒng)一。

對(duì)套管瓷套表面受力情況進(jìn)行分析，在變壓器抽真空期間(在真空度為4mbar以下的狀態(tài)下)，計(jì)算是按照變壓器內(nèi)部為絕對(duì)真空進(jìn)行計(jì)算，油箱承受101Kpa(約為1個(gè)大氣壓)的內(nèi)外壓差，變壓器油箱的材料為Q235B的鋼板，厚度約為20mm厚，利用力學(xué)分析中常用的方法，采用PRO/engineer Wildfire建立的模型，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析采用ANSYS軟件，在進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，部分單元格采用ANSYS的Mesh模型結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)定合適的單元?jiǎng)澐帧?/p>

幾年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)，每一個(gè)作品經(jīng)過反復(fù)地修改，功能會(huì)不斷地完善，外形會(huì)愈來愈趨向“完美”，視覺感觀會(huì)越來越變得讓人賞心悅目。作品從開始的雜亂無章到最后的完美展現(xiàn)在其背后正說明了思緒的無厘頭到思維的清晰明了。在這個(gè)過程中，對(duì)稱美幾乎貫穿了整個(gè)中小學(xué)機(jī)器人教育教學(xué)的始終。

隨著機(jī)器人教育教學(xué)的逐步深入，學(xué)生的知識(shí)融合意識(shí)逐漸增強(qiáng)，把分散在各科之中的“知識(shí)點(diǎn)”習(xí)慣性地串聯(lián)起來，形成分析問題、解決問題的能力，最后創(chuàng)造出美的作品。

四、機(jī)器人教育的啟示

（一）團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)逐漸形成

當(dāng)今社會(huì)，“單打獨(dú)斗”已經(jīng)適應(yīng)不了現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展需要。每一種成功，它的背后都必然會(huì)有一個(gè)團(tuán)結(jié)奮進(jìn)的集體。這足以說明團(tuán)體合作的重要性。機(jī)器人課在探究的過程中要根據(jù)任務(wù)的設(shè)定盡量采取小組合作的方式，合適宜地分組進(jìn)行探究學(xué)習(xí)，在團(tuán)體中發(fā)揮個(gè)體特長和優(yōu)勢，助力個(gè)人成長，增強(qiáng)策略意識(shí)和團(tuán)隊(duì)共同發(fā)展意識(shí)。

這一形式在比賽中表現(xiàn)的尤為突出?，F(xiàn)階段的比賽無論是省賽還是國家賽，大多數(shù)的比賽都要求二人或三人一組，在合作中有分工。強(qiáng)化團(tuán)隊(duì)意識(shí)，講究策略和團(tuán)隊(duì)精神。

（二）創(chuàng)新能力不斷提高

STEAM教育的目標(biāo)之一是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。創(chuàng)新能力是對(duì)已有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的重新加工和創(chuàng)造的能力。也有人認(rèn)為創(chuàng)新能力是一種“特殊的解題能力”，這種特殊性體現(xiàn)在當(dāng)遇到棘手問題時(shí)，能夠摒棄常規(guī)思路，另辟蹊徑，使問題能夠得到很好的解決。

目前中小學(xué)機(jī)器人教育有兩個(gè)方面：一方面是基于多學(xué)科融合的機(jī)器人教學(xué)領(lǐng)域；另一方面是側(cè)重于競賽的活動(dòng)領(lǐng)域。共同點(diǎn)都是在了解自然世界的基礎(chǔ)上，運(yùn)用科學(xué)知識(shí)，創(chuàng)造性地重新組合或排列已有技能，形成新的想法并付諸實(shí)踐以解決問題。

(1)教師根據(jù)規(guī)劃,激發(fā)學(xué)生的熱情,對(duì)規(guī)劃進(jìn)行解讀;

(2)圍繞主題進(jìn)行任務(wù)解剖,學(xué)生和教師共同分析、設(shè)計(jì)解決方案;

(3)完成硬件的搭建和程序的編寫；

(4)制定出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略。

以上流程，尤其在第二、三階段中學(xué)生和教師要針對(duì)比賽布置的不同任務(wù)研究出各自的解決方案，硬件的設(shè)計(jì)要做到兼顧整體，點(diǎn)面結(jié)合。教師通常會(huì)用探究式或是研究性學(xué)習(xí)組織教學(xué)。實(shí)際上每一年的FLL主題在達(dá)到目標(biāo)的過程中都可以確定為一個(gè)項(xiàng)目，可見這兩種學(xué)習(xí)方式在創(chuàng)造力發(fā)展中起著重要的作用，而項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)際就是STEAM教育的體現(xiàn)。

五、總結(jié)

綜上所述，STEAM教育下的機(jī)器人教育是一門綜合性較強(qiáng)的學(xué)科融合課程。它是依賴于多學(xué)科存在的多元體，各學(xué)科之間互相扶持，增進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)能力，使學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)在機(jī)器人課程和比賽中逐漸形成，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維。

因此，我們要不斷地深化教育教學(xué)改革，改善外部環(huán)境，培養(yǎng)大批具有STEAM教育理念的優(yōu)秀教師，為STEAM教育的持續(xù)發(fā)展奠基。