劉全銘 羅倩茹 廖澤松 劉寶瑞

摘 要：STEAM教育強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用綜合知識解決問題的能力，讓學(xué)生在運(yùn)用綜合知識解決問題的過程中習(xí)得多方面的新知識，從而形成良性循環(huán)。因此STEAM教育往往是伴隨著項目式學(xué)習(xí)展開的。而當(dāng)下STEAM教育中適合學(xué)生的項目較為匱乏，學(xué)生往往學(xué)習(xí)的是單一的知識，解決的問題也比較簡單，難以充分體現(xiàn)STEAM教育的理念。國際青少年機(jī)器人世界杯救援項目是一個合適的開展STEAM教育的平臺。本文從STEAM的五個維度出發(fā)，對RCJ機(jī)器人的設(shè)計、搭建、編程與調(diào)試進(jìn)行了說明，并提出了STEAM視域下RCJ救援項目機(jī)器人的教學(xué)建議，以期為更多一線STEAM教育教師、機(jī)器人教師提供新思路。

關(guān)鍵詞：STEAM教育;RCJ比賽;機(jī)器人設(shè)計;教學(xué)建議

中圖分類號：G434文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：2096-0069（2021）02-0075-05

收稿日期：2020-11-02

基金項目：中國大學(xué)MOOC愛課程平臺-教師教育專題“如何做創(chuàng)客教育”（0401iCourse045）;坪山區(qū)教育科學(xué)規(guī)劃課題“項目式學(xué)習(xí)視域下九年一貫制學(xué)校機(jī)器人課程設(shè)計研究”（PSGH2020081）

作者簡介：劉全銘（1964— ），男，陜西西安人，高級教師，研究方向為通用技術(shù)課程設(shè)計與實施、知識產(chǎn)權(quán)、中學(xué)人工智能教育;羅倩茹（1995— ），女，陜西寶雞人，教師、碩士研究生，研究方向為機(jī)器人教育、創(chuàng)客教育，本文通信作者;廖澤松（1982— ），男，陜西寧陜?nèi)耍患壗處?，研究方向為人工智?劉寶瑞（1993— ），男，陜西禮泉人，三級教師、碩士研究生，研究方向為創(chuàng)客教育。

一、研究背景

2003年，教育部首次將“人工智能初步”和“簡易機(jī)器人制作”模塊納入高中信息技術(shù)和通用技術(shù)課程中。2018年，在教育部新頒布的課程標(biāo)準(zhǔn)中，將“人工智能初步”和“開源項目設(shè)計”模塊納入高中信息技術(shù)課程的選擇性必修模塊中，“技術(shù)與工程”系列納入高中通用技術(shù)課程的選擇性必修課程中[1]。在國家政策的大力支持下，我國機(jī)器人教育進(jìn)入了飛速發(fā)展時期，然而，機(jī)器人教育中強(qiáng)調(diào)學(xué)生的動手實踐卻容易忽視理論指導(dǎo)。STEAM教育強(qiáng)調(diào)學(xué)科知識的整合，注重學(xué)生綜合運(yùn)用知識的能力。本研究從STEAM的視角對機(jī)器人教育重新進(jìn)行了審視，以國際青少年機(jī)器人世界杯（RoboCup Junior，簡稱RCJ）救援項目機(jī)器人為例對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，并對一線教師提出了切實可行的建議。

（一）STEAM教育

眾所周知，STEAM教育源于STEM教育，在原有的科學(xué)（S）、技術(shù)（T）、工程（E）與數(shù)學(xué)（M）的基礎(chǔ)上增加了藝術(shù)（A）。我國STEAM教育相較于發(fā)達(dá)國家開展得較晚，但是近年有關(guān)STEAM教育的研究呈上升趨勢。與傳統(tǒng)教育相比，STEAM教育強(qiáng)調(diào)對學(xué)生綜合運(yùn)用知識解決問題能力的培養(yǎng)，以及學(xué)生對綜合知識的學(xué)習(xí)[2]。

STEAM教育的開展往往依托于項目式學(xué)習(xí)，教師提出項目并對學(xué)生進(jìn)行基礎(chǔ)的指導(dǎo)。學(xué)生則以合作學(xué)習(xí)的形式開展項目式學(xué)習(xí)，在實踐的過程中對新知識進(jìn)行建構(gòu)，并在不斷思考以及嘗試解決問題的過程中獲得綜合運(yùn)用知識解決問題的能力。但是，目前STEAM教育在中小學(xué)開展過程中遇到的主要問題之一是缺少適合中小學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)的平臺或項目。

（二）RCJ救援項目

RCJ是國際機(jī)器人世界杯比賽的重要組成部分。目標(biāo)是通過組織機(jī)器人比賽，來推動世界范圍內(nèi)的機(jī)器人研究和教育[3]。與其他機(jī)器人比賽相比，RCJ比賽有以下幾個特點：第一，不限制參賽機(jī)器人的器材，允許使用各種器材以及控制器，甚至是自己團(tuán)隊設(shè)計的控制板。但是禁止學(xué)生直接使用廠家提供的現(xiàn)成的機(jī)器人，在比賽的過程中會有嚴(yán)格的答辯環(huán)節(jié)，一旦主辦方發(fā)現(xiàn)團(tuán)隊成員并沒有完整地參與機(jī)器人的設(shè)計、搭建、編程以及調(diào)試環(huán)節(jié)，會取消團(tuán)隊的參賽資格或者比賽成績。第二，RCJ更注重的是教育目的，而非競賽。主辦方鼓勵各賽隊之間相互交流，并鼓勵團(tuán)隊自主設(shè)計電路或者傳感器。第三，RCJ每年的挑戰(zhàn)大體相同，這樣就給學(xué)生提供了一個相對穩(wěn)定的實踐環(huán)境，以便他們隨著知識和能力的增長不斷地找出更好的解決方案。第四，RCJ的比賽項目雖然大體相同，但是更強(qiáng)調(diào)機(jī)器人的智能性，對機(jī)器人的設(shè)計、控制與程序編寫方面相較于其他機(jī)器人比賽難度更大。

救援項目是RCJ比賽的三個項目之一，機(jī)器人自動在充滿障礙物的地圖中搜索“傷員”（該項目中的“傷員”是指場地中溫度較高的熱源）后投放“救援包”。完成該項目主要涉及的知識點如下：第一，算法的設(shè)計，包括機(jī)器人構(gòu)建地圖的算法、搜索地圖的算法，PID（Proportion Intergral Differential，比例積分微分）控制算法以及最優(yōu)化算法等方面;第二，機(jī)器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計，包括搭建機(jī)器人結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識、AutoCAD矢量圖繪制與3D建模軟件的使用、小型機(jī)床以及3D打印機(jī)的使用等;第三，控制方面的知識，包括控制器的選擇與設(shè)計、傳感器的選擇與設(shè)計等，這些知識涉及STEAM的方方面面[4]。學(xué)生在這個過程中能夠真實感受到對綜合知識的學(xué)習(xí)以及如何運(yùn)用綜合知識解決問題的過程。

二、STEAM視域下RCJ救援機(jī)器人的設(shè)計

RCJ救援項目場地圖如圖1所示，該項目需要完成的任務(wù)如下：第一，機(jī)器人能夠在隨機(jī)的地圖中構(gòu)建出地圖的全貌;第二，機(jī)器人需要有一定的越障能力來保證完整地走完全部地圖;第三，機(jī)器人需要能感受到地圖中“傷員”的位置并根據(jù)“傷員”的具體情況投遞適量的“救援包”;第四，機(jī)器人需要有圖像識別功能找出墻上的字母并給出相應(yīng)的反饋。

RCJ救援項目的比賽與學(xué)生現(xiàn)實生活中的案例相類似，且與學(xué)生在學(xué)校所學(xué)知識聯(lián)系比較緊密。中小學(xué)生在完成項目的過程中，可以充分利用自己所學(xué)的知識。另外，由于沒有器材以及控制器的限制，學(xué)生有無限的創(chuàng)造空間，各個學(xué)齡段的學(xué)生都可以發(fā)揮自己的優(yōu)勢。機(jī)器人相關(guān)知識較少的團(tuán)隊可以使用樂高、中鳴等集成度相對較高的控制器作為設(shè)計的基礎(chǔ)，機(jī)器人知識相對完善的團(tuán)隊可以自己設(shè)計自己需要的控制器。但是，該項目鼓勵團(tuán)隊使用自主設(shè)計的控制器或者傳感器，使用較多自主設(shè)計的控制器和傳感器的機(jī)器人會獲得主辦方較高的評價。

RCJ救援項目機(jī)器人主要分為機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與程序編寫兩部分。圖2是機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計的一種形式。筆者從STEAM教育的五個維度出發(fā)，對這兩部分的設(shè)計與實現(xiàn)進(jìn)行較為深入的說明。

（一）科學(xué)方面

參加比賽的機(jī)器人需要構(gòu)建出整個比賽的地圖，所以機(jī)器人首先需要在移動時實時構(gòu)建出局部地圖，最后用局部地圖構(gòu)建出完整的比賽地圖。場地上隨機(jī)擺放各種形狀的障礙物，所以應(yīng)對機(jī)器人進(jìn)行如下設(shè)計：第一，所搭建的機(jī)器人要有一定的避障能力。從科學(xué)的角度就需要考慮到結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中機(jī)器人的穩(wěn)定性、輪距、軸距等。第二，比賽場地中有坡道，這就需要考慮到機(jī)器人的輪胎與坡道之間的摩擦力，需要對輪胎的材質(zhì)、厚度、半徑以及感知坡度的方法進(jìn)行考慮。第三，所搭建的機(jī)器人平臺需要有足夠的空間放置各種傳感器，需要考慮到傳感器的布局方式等。為了解決上述問題，應(yīng)從科學(xué)的角度對機(jī)器人進(jìn)行如下改進(jìn)：第一，為了避障，減小機(jī)器人底盤輪胎間的輪距，盡可能不碰到障礙物，并且將機(jī)器人平臺設(shè)計為弧形，在四角安裝導(dǎo)向輪。第二，為了越障，增加輪胎軸距與輪胎的半徑?？紤]到場地的摩擦力問題，對不同材料的輪胎與不同半徑的輪轂進(jìn)行測試。第三，為了便于傳感器位置的調(diào)試，應(yīng)為機(jī)器人平臺設(shè)計多個標(biāo)準(zhǔn)孔，這樣既能減輕機(jī)器人的重量，又便于調(diào)試傳感器的位置。

為機(jī)器人編程的過程就是賦予機(jī)器人“生命”的過程，編程的過程需要考慮機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，機(jī)器人結(jié)構(gòu)的各個因素都會影響到程序的編寫。舉個簡單的例子：機(jī)器人兩側(cè)驅(qū)動電機(jī)的功率相同，機(jī)器人一定會走直線嗎？真正的答案是不一定。因為這與機(jī)器人本身的結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系，如果機(jī)器人是高度對稱的，兩個電機(jī)的制作工藝也完全相同，在這種極為苛刻的條件下，機(jī)器人才能準(zhǔn)確地走出一條直線。所以，機(jī)器人程序的編寫需要科學(xué)且充分地考慮各種因素。

（二）技術(shù)方面

為了從零開始制造機(jī)器人，需要掌握繪制矢量圖的軟件以及3D建模軟件，需要熟悉小型機(jī)床與3D打印機(jī)的操作。另外，需要掌握相關(guān)的機(jī)器人控制技術(shù)、傳感器的原理以及制作電機(jī)減速箱等機(jī)器人硬件方面的技術(shù)。最后，還需要掌握一些通用工具的使用，包括電烙鐵、電鉆、鋼鋸等。為了完成機(jī)器人的制作，學(xué)生需要學(xué)習(xí)這些技術(shù)，并且學(xué)習(xí)這些技術(shù)的回報也是非常豐厚的。制圖與建模的技術(shù)不僅可以用于機(jī)器人的制作，而且對于學(xué)生今后的生活與學(xué)習(xí)也有非常大的幫助。更重要的是，學(xué)習(xí)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)能為學(xué)生從容地面對未來人工智能時代的到來打下堅實的基礎(chǔ)。

編程技術(shù)是人工智能時代學(xué)生必須掌握的技術(shù)，教育部已經(jīng)出臺關(guān)于少兒編程學(xué)習(xí)的若干政策。RCJ救援項目需要學(xué)生有較高的編程能力。參加RCJ救援項目的學(xué)生需要掌握與機(jī)器人相關(guān)的編程技術(shù)，另外還需要學(xué)習(xí)一些算法知識，需要學(xué)生具有計算思維以及運(yùn)用計算機(jī)解決實際問題的能力。

（三）工程方面

對于RCJ救援項目而言，工程知識體現(xiàn)在機(jī)器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計，包括板材的選擇、板型的設(shè)計、3D模型的設(shè)計、材料的加工、機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的規(guī)劃、機(jī)器人完成投放“救援包”任務(wù)的管道或者手臂的設(shè)計、機(jī)器人圖像識別中模板的建立，以及機(jī)器人通信線路的設(shè)計。

在搭建機(jī)器人的過程中會出現(xiàn)各種工程方面的問題，包括螺絲滑絲、設(shè)計板材之間結(jié)構(gòu)對不上、忘記為某些線槽打孔、電機(jī)位置未對齊、線材之間相互干擾、電池與控制板電壓不匹配等。學(xué)生在協(xié)作解決這些問題的過程中會嘗試使用工具，或者選擇重新設(shè)計、加工。這一過程能讓學(xué)生有效地在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、獲得新知，能夠培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識解決問題的能力。最后，這個過程需要學(xué)生合作交流來完成任務(wù)，對學(xué)生的溝通能力有促進(jìn)作用。

在程序編寫方面，學(xué)生需要掌握與機(jī)器人控制相關(guān)的控制算法，從工程角度而言，學(xué)生需要掌握PID控制算法[5]。學(xué)生在制作機(jī)器人的過程中會由于一些不規(guī)范的操作導(dǎo)致出現(xiàn)誤差，PID控制算法可以通過傳感器實時檢測反饋，從而盡可能地減小誤差。

（四）藝術(shù)方面

RCJ救援項目在藝術(shù)方面對學(xué)生有較高的要求。機(jī)器人需要有對稱美、穩(wěn)定美、設(shè)計美。 齒輪的契合、材料的切割、整體的緊湊，都需要精心的設(shè)計。設(shè)計、制作機(jī)器人不僅僅要考慮如何完成任務(wù)，還要考慮如何讓機(jī)器人更好、更快、更高效地完成任務(wù)。學(xué)生在完成項目的過程中可以親自見證一個機(jī)器人的誕生。通過自己的雙手創(chuàng)造出一個可以與外界交互的機(jī)器人，學(xué)生能夠真切地感受到機(jī)械的美與設(shè)計的美。

（五）數(shù)學(xué)方面

機(jī)器人的設(shè)計、搭建與調(diào)試的過程是與數(shù)學(xué)知識緊密聯(lián)系的。機(jī)器人各個器材之間的連接、完成任務(wù)動作的設(shè)計、場地的測算、傳感器的改進(jìn)與調(diào)試、影響機(jī)器人動作的各個因素之間的關(guān)系，都涉及數(shù)學(xué)知識。學(xué)生需要充分地利用自己所學(xué)的數(shù)學(xué)知識來優(yōu)化機(jī)器人的設(shè)計。

在程序編寫的過程中需要更多的數(shù)學(xué)知識，需要利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計分析找出顯著影響機(jī)器人行進(jìn)路線的干擾因素，并通過程序?qū)ζ溥M(jìn)行控制。另外，在前面工程方面提及的PID算法，也需要學(xué)生有相應(yīng)的數(shù)列與斜率等相關(guān)方面的數(shù)學(xué)知識，才能科學(xué)高效地對PID的比例、積分與微分參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

學(xué)生在這個過程中能體會到數(shù)學(xué)知識確實能夠幫助解決生活中出現(xiàn)的各種問題，一旦學(xué)生通過數(shù)學(xué)知識解決了機(jī)器人設(shè)計過程中出現(xiàn)的問題，會極大地激發(fā)學(xué)生對數(shù)學(xué)的興趣，有助于學(xué)生今后的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)。

三、STEAM視域下RCJ救援機(jī)器人的教學(xué)建議

RCJ救援項目不限制參加比賽的器材以及控制器等，這給予參賽團(tuán)隊無限創(chuàng)意的可能，但是，學(xué)生在準(zhǔn)備機(jī)器人比賽的過程中往往會出現(xiàn)許多問題。如：繁忙的學(xué)業(yè)導(dǎo)致學(xué)生沒有時間參加完整的備賽過程;隊員之間不在同一班級，平時協(xié)作交流少;學(xué)生有關(guān)機(jī)器人知識的基礎(chǔ)不一樣，導(dǎo)致合作時出現(xiàn)問題;等等。作為一線教師，如何科學(xué)地引導(dǎo)學(xué)生備賽，盡可能地解決上面出現(xiàn)的問題，讓學(xué)生在準(zhǔn)備比賽以及參加比賽的過程中學(xué)習(xí)到更多的知識？筆者結(jié)合教學(xué)與指導(dǎo)過程中的觀察與反思提出如下建議。

（一）明確教師與學(xué)生的任務(wù)

指導(dǎo)學(xué)生參加機(jī)器人賽事的教師需要了解RCJ救援項目的構(gòu)成模塊，熟悉RCJ救援項目往年考查的題目，熟悉RCJ救援項目經(jīng)常出現(xiàn)的問題，了解RCJ救援項目各個步驟需要完成的時間節(jié)點，了解參與RCJ救援項目學(xué)生的相關(guān)知識基礎(chǔ)以及學(xué)生特點，了解參與RCJ救援項目學(xué)生的空余時間。

參加機(jī)器人比賽的學(xué)生需要端正參加比賽的心態(tài)，了解自己的分工以及隊友的分工，努力學(xué)習(xí)完成自己任務(wù)所需要的知識，并與隊友多交流，相互學(xué)習(xí)，爭取做到一專多能，定期與教師多交流，了解項目整體進(jìn)度以及賽事的最新動態(tài)。

（二）將備賽與參賽過程中學(xué)生需要掌握的知識點設(shè)計成微課

在備賽之余，教師需要備課、講課，學(xué)生需要學(xué)習(xí)、練習(xí)，所以留給教師教授學(xué)生機(jī)器人知識的時間非常少，學(xué)生也缺少自學(xué)的時間。教師可以借助現(xiàn)代教育技術(shù)手段，利用暑假、寒假等空閑時段將參賽隊員需要掌握的知識點錄制成視頻，學(xué)生在備賽前期可以結(jié)合自己的時間進(jìn)行學(xué)習(xí)，這樣能有效地節(jié)約教師的時間，學(xué)生也能合理安排自己的時間，利用空余時間來學(xué)習(xí)這些知識。

（三）設(shè)計項目實施進(jìn)度表并考慮突發(fā)問題

雖然學(xué)生均有自己的分工，但機(jī)器人項目是一個團(tuán)體項目，所以在備賽的過程中，往往需要學(xué)生合作完成部分任務(wù)，但是有時有人會因為一些突發(fā)事件不能參加，這時候項目往往就難以進(jìn)行下去，因此教師需要設(shè)計項目實施進(jìn)度表，充分了解每位學(xué)生的時間、分工以及學(xué)生間的配合情況，并且提前想好預(yù)備方案，確保在個別學(xué)生不能參與活動時項目的進(jìn)度也不會被延誤。

（四）注意學(xué)生分工以及對學(xué)生的指導(dǎo)，使學(xué)生能相互配合、彼此合作

這里有一個適度的原則。學(xué)生全面發(fā)展當(dāng)然是最好的，但是在備賽的過程中如果有個別人太自我往往會有不好的影響，從而影響整個團(tuán)隊的狀態(tài)。教師應(yīng)盡量保證學(xué)生可以一專多能，做到團(tuán)隊成員盡量彼此合作。

（五）提前考慮并著手準(zhǔn)備后勤工作

備賽的過程中會有許多后勤保障等細(xì)節(jié)工作要處理。比如，確定大賽的規(guī)則是否更新、比賽時入住酒店的選擇、機(jī)票的預(yù)定等等，這些均是不容忽視的問題。這些問題看似瑣碎，但是忽視這些問題往往會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，所以教師以及團(tuán)隊成員需要關(guān)注這些問題。

四、結(jié)束語

在開展RCJ救援項目機(jī)器人設(shè)計、搭建、編程、調(diào)試過程中，學(xué)生在科學(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，會產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而提高綜合知識與能力水平。STEAM教育為RCJ救援項目機(jī)器人的設(shè)計與實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)、指明了方向，RCJ救援項目機(jī)器人為 STEAM教育提供了操作平臺。

參考文獻(xiàn)

[1]羅倩茹，秦健，劉寶瑞，等.基于設(shè)計型學(xué)習(xí)（DBL）的機(jī)器人競賽教學(xué)模式構(gòu)建研究：以2018年FLL工程挑戰(zhàn)賽“飲水思源”為例[J].中國教育信息化，2018（17）：41-44.

[2]劉寶瑞，秦健.基于STEAM教育的VEX機(jī)器人的設(shè)計與教育應(yīng)用[J].中國教育信息化，2019（2）：30-34.

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（責(zé)任編輯 孫震華）

The Robots Architectural Design and Teaching Suggestion from the Perspective of STEAM

—A Case Study of the Robot of RCJ Rescue Project

LIU Quanming1，LUO Qianru2，LIAO Zesong1，LIU Baorui3

（1.The High School Affiliated to Xian Jiaotong University，Xian，Shaanxi，China 710048;

2.Pingshan Foreign Language Wenyuan （Zhukeng） School，Shenzhen，Guangdong，China 518118;

3.The High School Affiliated to Shaanxi Normal University，Xian，Shaanxi，China 710048）

Abstract： STEAM education emphasizes cultivating students abilities of solving problems by applying comprehensive knowledge and lets students acquire multi-dimensional new knowledge in the process of applying comprehensive knowledge to solve problems，hence forms virtuous cycle.So，STEAM education is always carried out accompanying by project learning.However，the current STEAM education which suit students is comparatively deficient.What the students have learnt is single knowledge，the problem solved is relatively simple，which cannot fully reflect the idea of STEAM education.International Youth Robot World Cup Rescue Project is a suitable platform to carry out STEAM education.This paper starts from five dimensions of STEAM，explains the design， building，programming and shakedown test of RCJ robot，and puts forward the teaching suggestions of RCJ rescue project robot from the perspective of STEAM，hoping to provide new thoughts for more frontier STEAM educational teachers and robot teachers.

Key words：? STEAM education;RCJ competition;robot design;teaching suggestion