STEM教育課程的設(shè)計(jì)與實(shí)踐
——以“制作智能機(jī)械臂模型”為例

何德洪

(廣州市從化區(qū)第六中學(xué) 廣東廣州 510900)

一、STEM教育簡(jiǎn)介

STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科的簡(jiǎn)稱，STEM教育是一種注重實(shí)踐的跨學(xué)科教育，最早出現(xiàn)在1986年美國(guó)科學(xué)委員會(huì)《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》的報(bào)告中。STEM教育著重培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)，包括四個(gè)方面：一是科學(xué)素養(yǎng)，是指運(yùn)用科學(xué)知識(shí)（如物理、化學(xué)、生物、地理等科學(xué)）認(rèn)識(shí)世界、解釋自然界的客觀規(guī)律；二是技術(shù)素養(yǎng)，是指對(duì)科學(xué)和技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)和做出相應(yīng)決定所必需的基本知識(shí)和能力；三是工程素養(yǎng)，是指對(duì)工程設(shè)計(jì)和工程開發(fā)過程的理解；四是數(shù)學(xué)素養(yǎng)，是指學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決實(shí)際情境下數(shù)學(xué)問題的能力[2]。

二、實(shí)踐案例——“制作智能機(jī)械臂模型”

（一）學(xué)習(xí)者分析

本課程面向高二的學(xué)生，建立在學(xué)生已有知識(shí)和能力的基礎(chǔ)上。通過物理課程，高二的學(xué)生對(duì)“力與運(yùn)動(dòng)”和傳感器有一定的認(rèn)識(shí)，能結(jié)合觀察、動(dòng)手操作、研究相關(guān)學(xué)習(xí)支架掌握機(jī)械臂的力學(xué)原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳感器的功能應(yīng)用；通過信息技術(shù)課對(duì)相關(guān)計(jì)算機(jī)編程知識(shí)的學(xué)習(xí)，高二的學(xué)生已具備利用可視化編程軟件編寫簡(jiǎn)單程序的能力；高二的學(xué)生有一定的空間意識(shí)和邏輯計(jì)算能力，能理解機(jī)械臂的空間運(yùn)動(dòng)過程，運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)計(jì)算傳感器的閾值和簡(jiǎn)化程序算法；高二的學(xué)生有一定的動(dòng)手能力、探究能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，對(duì)機(jī)械和技術(shù)有一定的認(rèn)識(shí)，學(xué)習(xí)積極性較高[3]。

（二）課程任務(wù)

使用機(jī)械臂模型套件組裝機(jī)械臂實(shí)物模型，模型要符合真實(shí)工業(yè)機(jī)械臂的力學(xué)原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)，能正常執(zhí)行動(dòng)作，抓取和移動(dòng)物體，能利用傳感器和編程對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行一項(xiàng)以上的功能創(chuàng)新，如聲音控制、按顏色分揀物品等。

（三）課程內(nèi)容及流程

1.情景導(dǎo)入與提出任務(wù)（1課時(shí)）

教師播放機(jī)械臂在工業(yè)加工制造、汽車自動(dòng)化裝配、集成電子電路生產(chǎn)等應(yīng)用場(chǎng)景中的視頻，激發(fā)學(xué)生對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中智能制造領(lǐng)域的興趣，引出本課程的主題——機(jī)械臂，明確制作智能機(jī)械臂的課程任務(wù)，分析相關(guān)的功能設(shè)計(jì)要求。

2.組裝機(jī)械臂模型（2～3課時(shí)）

（1）小組研究學(xué)習(xí)支架材料，確定組裝機(jī)械臂模型的方案。

機(jī)械臂的力學(xué)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理；伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理；組裝機(jī)械臂模型構(gòu)件的原則和技巧；不同規(guī)格的螺絲螺母、組裝工具的使用和管理。

（2）每組發(fā)一套機(jī)械臂模型套件，學(xué)生團(tuán)體協(xié)作，動(dòng)手組裝機(jī)械臂模型，教師從旁協(xié)助答疑。

（3）每個(gè)小組派代表分享機(jī)械臂模型的組裝經(jīng)驗(yàn)和收獲。

3.設(shè)計(jì)動(dòng)作組，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂抓取和移動(dòng)物體（2～3課時(shí)）

（1）小組研究學(xué)習(xí)支架材料，探討機(jī)械臂動(dòng)作組的設(shè)計(jì)思路。

如何使用伺服電機(jī)控制板上位機(jī)軟件，控制伺服電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間、轉(zhuǎn)動(dòng)方向和角度？如何分解機(jī)械臂抓取移動(dòng)物體的動(dòng)作過程，相關(guān)伺服電機(jī)如何組合控制？如何調(diào)節(jié)機(jī)械臂抓取物體的力度？

（2）利用伺服電機(jī)控制板的上位機(jī)軟件，設(shè)計(jì)抓取物體、移動(dòng)物體的動(dòng)作組。

（3）運(yùn)行調(diào)試程序，測(cè)試機(jī)械臂抓取物體、移動(dòng)物體的效果。

（4）以小組為單位，比賽機(jī)械臂抓取移動(dòng)物體，體驗(yàn)從理論到實(shí)踐的快樂。

在D城，麥小秋已經(jīng)和一個(gè)人有了千絲萬縷的聯(lián)系。那個(gè)人她叫饒哥。她不知道該怎樣丈量她在D城的時(shí)間，從來到D城離開D城又回到D城，零零亂亂的日子大約已經(jīng)有五、六年了。在她25歲的時(shí)光里，D城的生活占了她五分之一的光陰，而這五分之一幾乎是她步入社會(huì)的全部。

（5）學(xué)生分享機(jī)械臂動(dòng)作組設(shè)計(jì)、調(diào)試、運(yùn)行中遇到的問題及團(tuán)隊(duì)協(xié)作解決問題的經(jīng)驗(yàn)。

4.機(jī)械臂的功能創(chuàng)新（5～6課時(shí)）

（1）小組討論機(jī)械臂要?jiǎng)?chuàng)新什么功能，選定相應(yīng)的傳感器。

超聲波傳感器、光敏傳感器、觸摸傳感器、顏色傳感器有什么功能？工作原理是什么？機(jī)械臂要?jiǎng)?chuàng)新什么功能？要實(shí)現(xiàn)功能，工程的復(fù)雜程度如何？

（2）小組研究學(xué)習(xí)支架材料，運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)掌握計(jì)算傳感器閾值的方法，教師從旁指導(dǎo)。

（3）小組學(xué)習(xí)傳感器的程序范例，利用Arduino圖形化編程軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的控制和使用。

（4）學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作，探索程序的設(shè)計(jì)思路，畫出程序設(shè)計(jì)的流程圖。

（5）學(xué)生按程序設(shè)計(jì)的思路和流程圖，利用Arduino圖形化編程軟件編寫程序，教師從旁指導(dǎo)。

程序編寫的原則和規(guī)范有哪些？如何設(shè)置程序變量？如何實(shí)現(xiàn)流程圖中的分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)？怎樣調(diào)試、測(cè)試程序？

（6）學(xué)生把程序上傳到Arduino主板上調(diào)試，根據(jù)機(jī)械臂的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行修正和優(yōu)化。

5.最終作品展示與評(píng)價(jià)（1～2課時(shí)）

（1）學(xué)生展示各組的智能機(jī)械臂作品，分享設(shè)計(jì)思路、實(shí)現(xiàn)過程。

（2）學(xué)生開展小組內(nèi)的自評(píng)、互評(píng)。

（3）學(xué)生開展小組間的互評(píng)，交流心得體會(huì)。

（4）教師根據(jù)機(jī)械臂抓取移動(dòng)物體的效果、機(jī)械臂拓展功能的創(chuàng)新性、學(xué)生在整個(gè)活動(dòng)過程的表現(xiàn)，對(duì)學(xué)生和小組進(jìn)行形成性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)，并對(duì)學(xué)生提出合理的期望。

（5）師生總結(jié)課程中涉及的STEM學(xué)科知識(shí)和STEM素養(yǎng)，并在以后的學(xué)習(xí)中有意識(shí)地加強(qiáng)。

三、結(jié)束語

“制作智能機(jī)械臂模型”課程，以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)作為驅(qū)動(dòng)，借助學(xué)習(xí)支架，圍繞制作智能機(jī)械臂模型的課程任務(wù)展開，有效實(shí)現(xiàn)了科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的跨學(xué)科融合，學(xué)生對(duì)課程的參與度較高。學(xué)生經(jīng)歷問題提出、調(diào)查研究、模型構(gòu)建、設(shè)計(jì)制作、測(cè)試優(yōu)化、功能創(chuàng)新、展示與評(píng)價(jià)等過程，較好地完成了設(shè)定的課程任務(wù)和課程目標(biāo)，鍛煉了邏輯思維能力、動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)交流協(xié)作能力，學(xué)會(huì)了分析、探究、解決實(shí)際問題的方法，收獲了自信，樹立了尊重科學(xué)、敢于創(chuàng)新的精神，有效提高了個(gè)人的STEM素養(yǎng)。通過課程實(shí)踐，加深了師生對(duì)“技術(shù)”和“工程”的認(rèn)識(shí)，檢驗(yàn)了STEM教育課程設(shè)計(jì)理念的有效性。

科技、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)快速發(fā)展的當(dāng)下，STEM素養(yǎng)對(duì)一個(gè)國(guó)家的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及國(guó)民素質(zhì)都有重要意義。我們應(yīng)積極探索和實(shí)踐STEM教育課程，重視培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)，以滿足學(xué)生未來的發(fā)展需要和社會(huì)對(duì)人才的需求。