基于STEAM教育理念的创意机器人大赛辅导策略

詹惠华 黄家声

创新素养是学生应具备的适应终身发展和社会发展需要的创新品格和创新能力，也是学生核心素养的重要成分之一。中小学教育是个体创新素养形成的重要阶段，而STEAM教育是提升学生创新素养的重要且有效途径。创意机器人大赛是一项综合多种学科知识和技能的科技活动，旨在培养学生良好的科技素养，发展学生的科学创新精神、实践动手能力和团队协作能力。

一、创意机器人大赛背景介绍

广东省创意机器人大赛根据主题模拟场景而设计，分编程型和基础型两组，分别以编程芯片和逻辑芯门为控制器，用不同的控制方式实现相同的比赛功能；其要求参赛选手在比赛现场除实现大赛要求的制作和功能外，还要进行功能和外观的创意、设计和制作，完成独一无二的创意机器人作品。

所谓创意机器人，是在一般教育机器人概念的基础上，拓展创新创意设计制作功能的机器人教育资源，从过去的计算机程序层面突破到信息技术、物理学及电子工程等多个学科领域的整合层面。仓储机器人是创意机器人的一种，在模拟物流仓库的智能管理过程中，仓储机器人需要完成货架识别、货架搬运、线路规划等系列操作，其设计目标是提高工作效率。参赛选手使用相同的基础材料包，通过不同的结构设计和控制方法，完成搬运任务。大赛既要评定仓储机器人的创意水平和科学性，也要计算其搬运任务量和准确率。

二、以仓储机器人为例的大赛辅导策略

在制定辅导策略前，教师要分析比赛项目，解读比赛规则，明确关键技术和难点，以此来制定培训计划以及关键技术、克服难点的解决方案。若辅导教师对比赛规则理解不透彻，甚至理解有误，就容易导致辅导方向发生偏离，降低培训效果。在比赛项目分析完成后，教师要以此为依据，以项目驱动、问题引导为中心，制定和实施辅导策略。

1. 项目分解，让学生学会分析任务，降低难度

STEAM课程强调项目式学习，教育目标之一是培养学生分解任务的能力。仓储机器人的设计与制作任务难度较大，需要把任务分解为难度相对较低、容易完成的子任务。结合STEAM课程的学科特点，笔者将任务分解成六个版块，如下图所示。

教师要引导学生通过自主讨论，从各个任务目标中牵引出问题、难点，并制定设计方案。由于涉及多门学科知识的运用，教师要注意引导学生运用多视角的方式去考虑问题并积极主动寻求答案，避免产生思维定势。教师应鼓励学生勇于尝试，努力实践，最大限度地激发学生的思维。任务的安排与布置要考虑到学生的学习能力、学习风格等特征，结合学生的差异性设置不同的任务目标，合理安排活动任务，并按一定时间间隔予以检查反馈与辅导。

2. 问题引导，让学生多角度思考问题

根据项目分析，仓储机器人的升降装置是项目的关键技术和难点内容，会显著地拉开分数差距。為了引导学生多角度思考、解决问题，教师应尽可能地通过问题引导来辅导学生完成仓储机器人升降装置的设计与制作，拓宽学生思路。

问题分析、合作交流。比赛套件提供的升降装置是使用螺丝螺旋实现上升和下降功能。此时，笔者引导学生思考使用螺丝会存在什么样的问题。经过反复测试，学生总结了以下问题：升降的稳定性不足，装置容易卡住，升降时间过长，托举板摩擦力不足，在转弯时货架容易发生旋转从而超出比赛指定区域。这些问题需要在设计制作升降装置中进行改进。为了让学生能打开思路，笔者引导学生通过与他人合作，联系物理、科学等多学科的相关知识，在网上搜集有关升降装置的信息并筛选出有价值的信息，尝试自主设计升降装置。交流主要围绕以下问题：如何把圆周运动转化为直线往返运动，如何解决力矩问题，如何降低升降时间，如何保证货物平稳升降等。

优化设计，体验过程。合作交流后，笔者与学生初步选定并采用某一同学提供的设计方案，以滚动摩擦代替滑动摩擦。由于基础套件主板程序已经设置为最短的升降时间，因此学生要重点考虑如何防止到位后电机仍在运转这一问题。在试验过程中，学生更换了多种电机、齿轮，反复试验让学生的思考步步深入，也让学生体验到了STEAM项目优化的过程。

注重方法，解决问题。STEAM教育是注重过程和方法的教育。在学生遇到瓶颈时，教师的参与尤为关键。教师引导探究，讲解方法，让学生带着问题去探究、实践，一步一步解决具体问题。例如，学生在试验齿轮升降时，无法使升降时间与程序中设置的时间相吻合。要解决这一问题，要么改变升降的距离，要么改变升降的速度。因此，笔者把学生分成两个小组，让其分别试用不同的方案：第一个小组通过替换齿轮的大小来调整齿轮之间的转速；第二个小组则是把齿条增长，在齿条下方凿一个小洞，让齿条能下降更长的距离。通过对比试验，学生用不同的方法解决了实际问题。

组装部件，生成新知。组装部件可以进一步帮助学生发现问题、解决问题，建构知识支架，甚至生成新的知识。在将升降装置整合到基础车架时，学生需要注意变阻器与升降装置的配合、货物与升降台的支撑力和摩擦力、升降台的平稳、齿轮与齿条的承重力等一系列问题。大赛中只有两次机会，所以教师要引导学生通过不断模拟比赛现场，争取稳定发挥。在模拟组装部件的过程中，学生不断调试，逐渐理解仓储机器人各个传感器、逻辑电路的作用，生成了新的理解与认知。

3. 实施效果

STEAM教育理念重点关注学生的问题解决能力和创新能力，笔者在辅导学生参加广东省创意机器人大赛后，发现参赛的8名学生从外到内都有了非常大的变化。这也是作为一名老师欣慰又自豪之处。结果表明，基于STEAM教育理念，以项目驱动、问题引导为中心的创意机器人辅导策略，对于提升学生分析能力、问题解决能力、合作能力、整合能力等综合能力起着非常重要的作用。

经过一个多月的辅导训练，两支队伍分别以总分第2名和第3名的成绩，在274支队伍中脱颖而出，获得广东省创意机器人大赛一等奖。

三、结语

此次训练过程，是一次教师和学生感受STEAM教育的体验之旅。教师为学生提供丰富的学习资源、工具和环境，学生通过项目学习，从理解、记忆的维度习得知识，从应用和问题解决的角度，将多学科知识融会贯通，有效地解决实际问题，从而提升自身的问题分析、问题解决、团结协作等能力，提高创新素养。

责任编辑 黄博彦