劉寶瑞 ，秦 健

（陜西師范大學(xué) 教育學(xué)院，陜西 西安 710062）

一、研究背景

1.STEAM教育背景

國外關(guān)于STEAM教育的研究多集中在美國、英國等發(fā)達(dá)國家。1986年，美國國家科學(xué)委員會就發(fā)表過《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》報告，這被認(rèn)為是美國STEM教育集成戰(zhàn)略的里程碑。2011年，時任美國總統(tǒng)的奧巴馬推出的新版《美國創(chuàng)新戰(zhàn)略》指出，“創(chuàng)新教育運動”指引著公共和私營部門的聯(lián)合，以加強科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)（STEM）教育，旨在確保經(jīng)濟增長與繁榮。STEAM教育模式是以美國為首的一些國家在STEM教育模式的基礎(chǔ)上，又在其中添加了一項ART（藝術(shù)）部分的綜合性教育模式[1]。

筆者對STEAM教育研究現(xiàn)狀進行分析后發(fā)現(xiàn)國外對STEAM教育非常重視，并且已經(jīng)實施了相關(guān)的措施來確保STEAM教育的順利改革。教育改革是一個需要不斷嘗試的過程，國外采取循序漸進的原則將STEAM教育自然地融入傳統(tǒng)教育。

我國STEAM教育相對起步較晚，但近年來受關(guān)注度逐漸上升。2015年9月，教育部發(fā)布《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》，談到未來5年對教育信息化的計劃時，提出學(xué)校要摸索STEAM教育、創(chuàng)客教育。2015年10月，僅上海就舉辦了多次以“STEAM教育”為主題的活動。

目前，全國已有600余所中學(xué)引入了STEAM教育課程。例如，北京景山學(xué)校的吳俊杰老師在學(xué)校開展STEAM教育多年，將大量動手實踐活動引入課堂，并得到了學(xué)生及學(xué)校的高度認(rèn)可[2]。在筆者看來，進行STEAM教育改革不僅有利于開闊學(xué)生視野、培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，而且有利于培養(yǎng)更多尖端人才，以更快地突破現(xiàn)在的技術(shù)瓶頸，加快國家發(fā)展速度。

2.VEX機器人及VEX機器人工程挑戰(zhàn)賽

VEX是美國太空總署 （NASA）、美國易安信公司（EMC）等大力支持的機器人項目。VEX機器人世界錦標(biāo)賽于2007年開始在美國舉行，每年吸引著全球30多個國家，上百萬青少年參與選拔，角逐參加總決賽的榮譽席位[3]。

VEX機器人比賽更加重視過程以及對學(xué)生能力的鍛煉和培養(yǎng)，而非僅僅只看重結(jié)果。所以該比賽設(shè)置了多種獎項，例如：工程筆記獎，是為了鼓勵那些在搭建過程中能認(rèn)真記錄自己團隊的工作日志以及機器的搭建過程，及時反思自己錯誤并做出改正的學(xué)生；女生獎，因為這個比賽積極鼓勵女生來參加，以提高女生在科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)方面的應(yīng)用能力，所以努力的女生團隊可以得到這個獎項；最佳結(jié)構(gòu)獎，獎勵給設(shè)計出有創(chuàng)新點結(jié)構(gòu)，即使這個結(jié)構(gòu)不能很好地完成任務(wù)，但是有很大的改進潛力的參賽隊員；全能獎，這是所有VEX獎項里面的最高獎項，它不僅需要有很好的比賽成績，還需要有很好的團隊作風(fēng)和真正的工程筆記、認(rèn)真的工作態(tài)度，以及克服一切困難的精神，經(jīng)過多重考察才能獲得全能獎。

3.研究的意義

本文從STEAM教育的五個方面對VEX機器人的設(shè)計進行了詳細(xì)剖析與評價，并且從VEX機器人課程的設(shè)計以及通過VEX機器人對學(xué)生綜合素質(zhì)的提高兩方面分析了VEX機器人的教育應(yīng)用，以期為VEX機器人今后的設(shè)計以及教育應(yīng)用提供參考。

二、基于STEAM教育的VEX機器人設(shè)計

STEAM教育的核心宗旨是培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的綜合型人才，把各學(xué)科間的知識融合起來，開拓學(xué)生的思維，培養(yǎng)正確判斷事物的能力。參賽者在搭建自己的VEX機器人的過程中，以完成比賽任務(wù)為目標(biāo)，在解決比賽任務(wù)面臨問題的過程中，需要綜合多方面的知識，才能設(shè)計出完成任務(wù)的機器人。在整個學(xué)習(xí)過程中小組成員都是學(xué)習(xí)的主人[4]。

VEX機器人主要由結(jié)構(gòu)設(shè)計和程序編寫兩部分組成，筆者以2015-2016年VEX機器人比賽“nothing but net”為例進行具體介紹。VEX機器人要完成比賽任務(wù)的功能，結(jié)構(gòu)設(shè)計必須包括最基本的四個部分：①發(fā)射器，發(fā)射裝置，用來發(fā)射賽場上的球；②底盤，支撐整個機器并能使機器進行自由移動；③抬升裝置，完成高低舉任務(wù)的裝置；④撿球器，收球裝置，即將球收集在自己的機器上。程序編寫部分必須包括最基本的兩部分：自動賽程序（完成前45S比賽）和手控賽程序（完成后75S比賽）。

筆者將從STEAM教育的5個方面詳細(xì)介紹這6個基本部分的功能與實現(xiàn)。

1.發(fā)射器（見圖 1、圖 2）

圖1 發(fā)射器正視圖

圖2 發(fā)射器左視圖

科學(xué)方面：我們需要讓機器人能在賽場上不同的地點將球打進球筐里面，想要將球發(fā)射出去就需要借助外力，為了打出不同的距離，就需要給球不同的力度，所以我們的想法是利用飛輪，通過輪子飛速旋轉(zhuǎn)與球產(chǎn)生摩擦力，把球發(fā)射出去；通過改變輪子的速度從而改變給球的力，讓球飛出不同的距離。

工程方面：發(fā)射器對結(jié)構(gòu)的裝配要求特別高,需要高度對稱才能保證兩邊的飛輪轉(zhuǎn)速相同，使球打出去是一條直線，從而順利打入網(wǎng)中。齒輪之間的契合，裁剪后鋼架的拼裝，發(fā)射器搭建是否緊湊，飛輪高速旋轉(zhuǎn)過程中怎么盡可能地減小抖動，每一個部分連接時極小的誤差累計到最后都會導(dǎo)致很大的誤差。另外，還可以利用工程中的PID自動控制算法來解決飛輪轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的情況[5]。

數(shù)學(xué)方面：通過測速，發(fā)現(xiàn)如果用飛輪發(fā)射器把球從賽場的一端打到另一端，需要的轉(zhuǎn)速是1500轉(zhuǎn)/分鐘，但我們的393雙線電機滿功率的旋轉(zhuǎn)速率是100轉(zhuǎn)/分鐘，速度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。經(jīng)過多次測試后，發(fā)現(xiàn)選擇利用3號和7號齒輪來設(shè)計傳動比為1∶21的發(fā)射器正好可以使球打進網(wǎng)內(nèi)。我們需要調(diào)整電機的數(shù)量來改變飛輪上的扭力，讓飛輪的速度更快地恢復(fù)，并通過工程上的PID自動控制閉環(huán)算法來保持飛輪速度的穩(wěn)定。

藝術(shù)方面：作為整個機器最重要的部分，發(fā)射器應(yīng)具有對稱美、穩(wěn)定美、設(shè)計美。齒輪的契合、材料的切割、整體的緊湊，都展現(xiàn)了VEX機器人的魅力。

2.底盤（見圖 3、圖 4）

圖3 底盤整體結(jié)構(gòu)

圖4 底盤局部結(jié)構(gòu)

科學(xué)方面：機器人在賽場上需要做大量的位置移動，所以需要底盤可以給機器人提供足夠的速度和穩(wěn)定性。賽場上，每場比賽短短的2分鐘會發(fā)生很多意料之外的事情，尤其是在自動賽部分，機器人僅僅靠傳感器來識別賽場上的一切，極有可能遇到未知問題，會讓底盤的移動產(chǎn)生錯位，機器發(fā)生偏移。所以一個好的底盤設(shè)計可以減少操作手操作起來的難度，可以讓機器人在自動賽中更加靈活精確。

技術(shù)方面：設(shè)計底盤的時候，因為涉及到機器人的運動，所以需要運用到物理中力的合成與分解、數(shù)學(xué)中的笛卡爾坐標(biāo)系，還有一些C語言程序中的邏輯運算。如果操作方面沒有足夠的經(jīng)驗，就需要利用特殊的底盤來實現(xiàn)力的分解和機器的多方向運動，在電機保持功率不變的情況下，前進后退方向上的力少了，速度就會下降。

3.抬升裝置（見圖 5、圖 6）

圖5 抬升前

圖6 抬升時

在比賽的最后30秒，就是機器的抬升時間了，抬升是整個比賽過程最刺激和最受歡迎的，能否抬升成功可以體現(xiàn)一個團隊的特色與優(yōu)勢。抬升的分?jǐn)?shù)是低舉25分，高舉50分。抬升的難度在于它對穩(wěn)定性的要求特別高。在此次設(shè)計中，筆者通過利用簡單的物理學(xué)技巧——找不規(guī)則物體重心的知識點，找到機器的重心，使抬升裝置穩(wěn)固，從而實現(xiàn)每次都能順利地抬升。

科學(xué)方面：一般情況下都是大機器抬升小機器。大機器給小機器伸出一個斜坡，小機器順著斜坡往上爬，爬到高舉需要的高度時大機器再收回自己的斜坡。但是我們通過學(xué)習(xí)觀察，設(shè)計的方案是大機器先自己伸出兩條腿，自己舉起自己，舉到一定的高度，再讓小機器進入大機器下面，大機器收回自己的腿，把自己放在小機器上，這樣的好處是抬升過程中是升高而不是伸長，節(jié)省了地方。

技術(shù)方面：抬升的核心問題就是機器的重心，在第一次設(shè)計機器人抬升裝置的時候機器總是前傾，讓支撐桿非常受損。為了平衡重心，我們在機器的后面加了橡皮筋，希望用橡皮筋的彈力來平衡前面的重力，但是橡皮筋的彈力不是很容易控制，4根橡皮筋串聯(lián)彈力太小，3根橡皮筋串聯(lián)彈力又微大，最后終于調(diào)好了，但由于橡皮筋經(jīng)常使用會變松，機器又開始發(fā)生傾倒。最后不得不重新思考新結(jié)構(gòu)。最終用“稱”機器的方法，找到機器重心所在的平面，解決了這個難題，也歸納出解決不規(guī)則物體的重心的辦法。

4.拾球器（見圖 7、圖 8）

科學(xué)方面：在比賽的過程中，賽場上會有很多散落的球，機器要撿起那些球并把它們投進網(wǎng)里。拾球器一般而言有傳送帶拾球和橡皮筋拾球兩種結(jié)構(gòu)。橡皮筋拾球方便但傳送球費勁，傳送帶拾球費勁但傳送球方便，比賽時我們采用了橡皮筋的結(jié)構(gòu)，但發(fā)現(xiàn)存在問題。比賽后我們反思了這種情況，擬下次設(shè)計橡皮筋和傳送帶相給合的方式。

圖7 未拾取球

圖8 拾取球

技術(shù)方面：完成了以上幾個部分任務(wù)，留給拾球器的電機只剩兩個了，怎么利用兩個電機來拾取賽場上的球，并將它們運送至發(fā)射器上，是我們要解決的技術(shù)方面的問題。我們需要測量球的直徑來計算出拾球器的寬度，以及測量橡皮筋拉伸的長度，利用多級傳動鏈條式傳送帶之間的同步運動，保證機器順利完成拾球任務(wù)。

5.VEX機器人結(jié)構(gòu)與程序的關(guān)系

如果把VEX機器人與人做對比，主控制器就相當(dāng)于人的大腦，電機相當(dāng)于人的四肢，傳感器相當(dāng)于人的五官，鋼架相當(dāng)于人的骨骼，電路相當(dāng)于血管。那么，程序就是我們與外界交互的一種學(xué)習(xí)方式。沒有程序的機器人就相當(dāng)于一個剛出生的嬰兒，不會與外界溝通。把程序?qū)нM機器人主控的過程就相當(dāng)于給嬰兒灌輸知識的過程、對嬰兒進行教育的過程。機器人運行程序的過程就是嬰兒在實踐自己學(xué)習(xí)知識的過程。

6.STEAM教育與VEX機器人的設(shè)計總述

通過上面的分析我們可以看出，STEAM教育的重點是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)的能力。通過對VEX機器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計、搭建和程序設(shè)計，讓學(xué)生掌握了機械的基礎(chǔ)知識、程序編寫等科學(xué)知識，搭建機器測試程序的技術(shù)，測量與自動控制等工程思維，機器結(jié)構(gòu)的對稱、整體的緊湊、設(shè)計的巧妙的藝術(shù)欣賞，精密計算與大概預(yù)判相輔相成的數(shù)學(xué)工具的利用。

STEAM教育需要培養(yǎng)學(xué)生的能力均在VEX機器人的設(shè)計中完美地體現(xiàn)了出來。對于把STEAM教育融入傳統(tǒng)教育而言，VEX機器人更像是一種工具。VEX機器人的設(shè)計過程對學(xué)生能力的培養(yǎng)更像是治愈患者疾病的藥水。通過VEX機器人，讓學(xué)生進行學(xué)習(xí)與設(shè)計，得到STEAM教育中所需要培養(yǎng)的能力，讓STEAM教育自然而然地融入傳統(tǒng)教育。

三、VEX機器人的教育應(yīng)用

VEX機器人及VEX機器人比賽為教育應(yīng)用提供了新平臺、新技術(shù)、新工具，VEX機器人正慢慢地在STEAM教育、創(chuàng)新教育、綜合人才培養(yǎng)等方面顯示出得天獨厚的優(yōu)勢，為多種教育理論提供了平臺。但由于VEX機器人的零件價格昂貴，廣泛應(yīng)用和推廣還存在一定的困難。

1.教學(xué)設(shè)計的可行性分析

我國的機器人教育開始于2000年，最初只有很少的學(xué)校參與，2007-2008年由于樂高頭腦風(fēng)暴機器人的出現(xiàn)，開始了機器人的普及時代。我們可以將這一過程與早些年的計算機普及情況作比較。當(dāng)計算機出現(xiàn)的時候，計算機被視為高科技的象征，只有少數(shù)聰明的學(xué)生才會考慮學(xué)習(xí)計算機專業(yè)。但是當(dāng)Windows系統(tǒng)出現(xiàn)以后，計算機被快速普及，變成了一個大眾化的產(chǎn)品，人們只要經(jīng)過基礎(chǔ)訓(xùn)練就可以熟練地使用計算機。將VEX機器人引入課程，可以作為計算機教育的拓展與延續(xù)。它不僅可以拓展學(xué)生在學(xué)習(xí)中的活動，更是一個比計算機更強大的工具，對學(xué)生培養(yǎng)興趣、學(xué)習(xí)知識、實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計都會有很大的幫助。

2.教學(xué)基本設(shè)計

VEX可設(shè)計成課程進入中學(xué)甚至是大學(xué)，校本課程推動機器人教育不同于課外輔導(dǎo)機構(gòu)的個人行為，而是表現(xiàn)為群體行為，即以學(xué)校興趣班為載體，為了學(xué)習(xí)自己感興趣的內(nèi)容、技能而進行的機器人學(xué)習(xí)，這種形式的課程不是以類似于榮譽獎品等外因為學(xué)習(xí)動機，而是以學(xué)生的興趣即內(nèi)因為學(xué)習(xí)動機，這樣學(xué)習(xí)的動力更加持久。VEX機器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計及程序的編寫是基于比賽任務(wù)的，結(jié)構(gòu)是科學(xué)、技術(shù)、工程的完美結(jié)合，程序是藝術(shù)和數(shù)學(xué)的完美展示。所以具體可以從結(jié)構(gòu)設(shè)計和程序編寫來設(shè)計課程（見表1）。

（1）教學(xué)目標(biāo)

知識與技能目標(biāo)：掌握VEX機器人的基本搭建，了解機械運動之間的物理規(guī)律，掌握ROBOTC的基本界面及操作，了解經(jīng)典常用的ROBOTC算法。

過程與方法目標(biāo)：掌握不同學(xué)科之間的知識是如何綜合應(yīng)用的，掌握學(xué)生之間相互交流的方法。

情感態(tài)度與價值觀：培養(yǎng)堅韌不拔的意志力和面對困難迎難而上的勇氣。

（2）學(xué)習(xí)者特征分析

VEX機器人面向小學(xué)生、中學(xué)生、大學(xué)生有不同的類別，分別為VEX IQ、VEX EDR、VEX U，因為筆者是對VEX U的機器人進行設(shè)計搭建的，所以學(xué)習(xí)者為大學(xué)生，也可以是高中生。高中生、大學(xué)生均有一定的知識儲備，自律性、目的性較強。

（3）教學(xué)內(nèi)容分析

以結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，在設(shè)計VEX機器人結(jié)構(gòu)的課程中，可以讓學(xué)生分析比賽任務(wù)，然后想出什么樣的結(jié)構(gòu)可以簡單且盡可能完美地完成任務(wù)，教師肯定學(xué)生的想法后分析學(xué)生搭建結(jié)構(gòu)中的優(yōu)缺點，之后分小組完成VEX機器人的搭建。最后通過參加比賽（小組與小組之間、學(xué)校與學(xué)校之間）讓學(xué)生學(xué)習(xí)合理的結(jié)構(gòu)和相關(guān)綜合知識。 通過科學(xué)（S）、技術(shù)（T）、工程（E）、藝術(shù)（A）、數(shù)學(xué)（M）這五個方面對學(xué)生進行評價。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計與搭建，讓學(xué)生掌握一定的機械基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題以及動手操作的能力。

在編寫程序的課堂上，我們可以劃分為ROBOTC語言的學(xué)習(xí)以及ROBOTC語言在VEX機器人中的應(yīng)用兩部分。通過VEX機器人，學(xué)生可以更好地理解程序。編程的結(jié)果不僅僅是通過計算機輸出一個值，而是通過機器來運行程序，完成同樣的任務(wù)可以有很多不同的程序，涉及到一些經(jīng)典的算法。由于VEX機器人與STEAM教育的契合，相信在不久的將來會有越來越多的學(xué)校開展機器人社團，引進VEX機器人，促進學(xué)生的全面發(fā)展。

表1 VEX機器人的課程設(shè)計

（4）教學(xué)環(huán)境設(shè)計

目前學(xué)校多是以機器人社團開展教學(xué)，所以需要足夠大的場地放置賽臺以及學(xué)生的座位，需要充足的機器人設(shè)備來進行實驗探究以及結(jié)構(gòu)搭建，以及用于學(xué)生編程的裝有ROBOTC for VEX軟件的計算機。

3.教育應(yīng)用的框架（見圖9）

圖9 VEX機器人與STEAM的關(guān)系

將新的材料、工具和方法介紹給學(xué)生，不但可以改變傳統(tǒng)的教育內(nèi)容與教育方式，而且為學(xué)生提供一個實現(xiàn)創(chuàng)新夢想的舞臺，教師將在這種教育中更好地觀察學(xué)生的性格、愛好特點，通過學(xué)習(xí)者特征分析，更好地引導(dǎo)學(xué)生，更加深入地挖掘?qū)W生的潛力，讓學(xué)生全面發(fā)展，使他們有更加廣闊的見識。通過對VEX機器人結(jié)構(gòu)搭建與編程學(xué)習(xí)過程中的設(shè)計、開發(fā)、應(yīng)用、管理、評價，形成一套切實可行的課程應(yīng)用于教育。

四、總結(jié)與展望

在開展VEX機器人結(jié)構(gòu)搭建、程序編寫與教學(xué)設(shè)計的過程中，學(xué)生對科學(xué)、技術(shù)、工程、美術(shù)和數(shù)學(xué)等方面的潛能會被激發(fā)出來，產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，從而提高學(xué)生的綜合知識與能力。VEX機器人是為了促進STEAM教育而設(shè)計的，可用來作為課堂機器人的教學(xué)平臺。對于VEX機器人是否優(yōu)良的評價指標(biāo)，也可以從科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)這五個方面進行評定。

在STEAM教育的推進過程中，工程教育是一個弱項，而VEX機器人是非常好的工程教育案例。STEAM教育為VEX機器人的設(shè)計與實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)、指明了方向。VEX機器人為STEAM教育提供了操作平臺，供STEAM理論進行實踐。相信在不久的將來，VEX機器人會被普及在各級學(xué)校教育中，為促進STEAM教育、學(xué)生綜合素質(zhì)的提升注入自己的力量。