STEM教育视野下的智能机器人竞赛活动实施

许松彦

在基础教育领域，智能机器人竞赛活动以其让学生在动手操作的过程中培养逻辑思维能力、合作精神和创新能力的特点，成为培养创新型人才的良好载体。2014年，在杭州青少年活动中心举办的以“五水共治”为主题的机器人竞赛活动，对于提高学生的科学素养、工程素养、数学素养、技术素养具有一定的理论价值和应用推广价值。本文通过分析STEM教育理念，结合杭州的实际情况来阐述STEM教育视野下的智能机器人竞赛活动实施。

● 时代背景

1.STEM教育的内涵

STEM教育源自20世纪80年代的美国，其内涵旨在将科学、技术、工程、数学这四个领域看作彼此联系的整体，试图提高未来国家的国际竞争力。在STEM教育中，科学素养是重点，是为学生将来进一步从事科学研究打下基础;技术素养和工程素养则是在实际的社会分工中普遍体现的，它以明显的应用特点为科学研究提供工具和思路;数学素养是STEM教育的基础，技术深入、工程论证、科学推理和建模都需要数学作为基础。

2.智能机器人竞赛的意义及现状

智能机器人技术是涉及机械、电子、计算机、人工智能等多种技术的实践性学科。智能机器人教学的总体目标是在了解机器人内部构造、功能及应用状况等知识的前提下，动手搭建机器人，设计机器人行动策略，编写机器人程序。由于其自身的知识综合性和技术应用领域的广泛性，为培养学生的综合能力，如逻辑思维能力、分析和解决问题的能力、动手能力、合作能力和创造能力提供了良好的平台。随着信息化的发展以及人们科技意识的加强，机器人教学逐渐趋于幼龄化，很多经济发达地区从小学低年级开设智能机器人（校本）课程、兴趣班，社会上的幼儿机器人培训班、机器人高手俱乐部层出不穷。学校及市场培训机构的教学质量关系到该领域能否健康、良性地发展，也关系到面向21世纪人才的培养。

3.杭州青少年机器人竞赛任务设置说明

制作一个自主移动的机器人，机器人从基地出发，在模拟的场地上完成任务。

①场地（如下图）。赛台的内部尺寸长为235cm、宽115cm，四周装有边框，高为5cm。场地内有机器人待命区以及相关任务的模型。待命区为长宽均为32cm的正方形向上延伸的虚拟空间。选手在比赛时可以在场地上自行粘贴不多于4条长20cm、宽1.8cm的黑胶带。

②机器人大小。机器人尺寸长宽不超过32cm，高度不限。一个控制器，电机、传感器等其他部件不限。

③任务。自主设计并制作一个可以程序控制的机器人，在模拟的场地上完成治污水、防洪水、排涝水、保供水、抓节水等任务。治污水：机器人需要在工厂区域完成净化废水的任务，将两块红色方形模型从检测区中取出并放置到净化装置上。防洪水：机器人需要完成加固堤坝的任务，将工程车运送至大坝施工区，并且将加固物投放至大坝内部。排涝水：机器人需要完成清理河道淤泥的任务，将河道内的三处淤泥（堤坝加固物）移出河道。保供水：机器人需要完成抢修供水管的任务，将城市供水网内两处断裂管道修理完毕。抓节水：机器人需要完成安装雨水收集器的任务，将三个基地中的雨水收集器放置到城市的指定地点。

● STEM教育视野下的智能机器人竞赛项目设置

智能机器人竞赛能够实现STEM教育四要素的有机整合。如在完成任务时，教师通常会要求学生先思考可以有几种策略完成任务、哪种策略最佳。在编程时，教师要求学生画程序流程图，通过反复测试、分析现象、发现问题、提出修改方案并及时调整，使机器人表现出最佳状态。在任务中，体现了科学素养、技术素养、工程素养及数学素养（如表1）。

● 智能机器人竞赛项目实施成果

在杭州青少年活动中心举办的“2014年杭州市青少年机器人竞赛”上，来自全市中小学校的118支队伍的学生，带着他们自行设计、制作、编程的智能机器人，围绕本届大赛的竞赛命题“五水共治”，让机器人以各自不同的方式完成治污水、防洪水、排涝水、保供水、抓节水五个环节的指定任务。这项赛事不仅考验参赛选手掌握机械、电子、编程等相关知识和动手能力，还通过比赛让孩子们更加深入了解“五水共治”的意义和价值，并在解决比赛任务的同时为“五水共治”献计献策。从完成任务的程度的人数分布来看（如表2），符合STEM教育的理念，为不同程度的、不同年龄的学生提供了竞赛的环境。

● STEM教育视野下的智能机器人竞赛理念深化

科学源于生活，科技又能造福生活。当学校与日常生活已无法满足孩子对科学日益增加的好奇心时，智能机器人竞赛中所用的机器人小车，则需要学生从每一处细节的设计、锯割、搭建，以及计算机编程各方面都完美配合，其中更涉及各种科学原理贯穿始终——将广泛覆盖于未来的智能机器人科学技术、计算机高级编程与各种传感器的准确运用;机械、物理与数学等学科领域的最前沿理论技术。

1.立足STEM素养的培养，着眼学生的终身发展

机器人课程在培养学生的STEM素养方面有其独特的优势，作为一门基础课程，要面向全体学生，从基础教育的特点出发，为学生适应现代社会、走向学习化和学生的终身发展奠定坚实基础。

2.倡导积极主动、勇于探索的学习方式

机器人竞赛活动要为学生营造动手动脑、进行设计活动的环境，提供必要的设备和工具，倡导学生积极主动、勇于探索的学习精神，组织学生进行探究式学习，让学生充分动手实践，积极合作，主动探究。

3.注重拓展学生的知识面，提高学生的综合设计能力

由于机器人竞赛涉及光机电一体化、感测通讯、自动控制、人工智能、多媒体等方面问题，既有硬件设计也有软件设计，应注意学生知识广度的学习，让学生了解和掌握大量知识，充分拓展学生的知识面。同时要提倡设计过程的规范化，提高学生的综合设计能力。这是课程的基本目标之一。

4.注重学生创造潜能的开发，加强学生实践能力的培养

在竞赛活动中，要鼓励学生想象、怀疑和批判，营造民主、活跃、进取的学习氛围;充分利用课程内容，培养学生的学习兴趣，激发学生的创造欲望;通过设计、制作、试验等活动，培养学生的科学探究能力和敢于创新、善于创造的精神和勇气，使学生的创造潜能得到良好地引导和有效地开发，进一步发展学生的实践能力。

5.立足科学、技术、社会视野，加强人文素养的教育

当代社会，技术与科学、社会的关系越来越密切。机器人课程要通过具体的技术实践使学生理解技术与科学、艺术的联系和区别，以及两者对社会发展、人类生活所具有的同等意义上的重要作用，从而深化学生的认识，开拓学生的视野。同时，要注意将技术所蕴含的丰富人文因素，自然地融入教学活动中，提升学生的人文素养。