基于STEAM理念的教育機器人物理創(chuàng)新實驗研究

李雪芳

摘? ?要：提出基于STEAM理念的機器人技術(shù)與物理創(chuàng)新實驗教育相結(jié)合的教學(xué)模式，以機甲大師S1機器人為載體，將普通的物理知識與信息科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程等結(jié)合起來，創(chuàng)新采用探究式與項目式相融合的STEAM授課方式，培養(yǎng)學(xué)生的多學(xué)科思維和科學(xué)素養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：STEAM；機器人；物理；創(chuàng)新實驗

1? STEAM理念

STEAM代表科學(xué)（Science），技術(shù)（Technology），工程（Engineering），藝術(shù)（Arts），數(shù)學(xué)（Mathematics）， STEAM教育是集科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)多學(xué)科融合的綜合教育，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神和解決實際問題的能力[ 1 ]。

機器人教學(xué)融合了物理、數(shù)學(xué)、計算機、機械、電子、自動化等多個學(xué)科領(lǐng)域的知識，正好契合STEAM的教育精髓，將二者有機結(jié)合并巧妙融入到高中物理教學(xué)中，可以改變傳統(tǒng)單一、枯燥的課堂教學(xué)模式，增加課堂的趣味性和綜合性[ 2-3 ]。因此，基于STEAM理念的教育機器人物理創(chuàng)新實驗不僅能夠有效激發(fā)學(xué)生求知欲望，還能增強學(xué)生的創(chuàng)新探究能力和綜合設(shè)計能力。

2 機器人中蘊含的物理知識

物理學(xué)，作為一門研究物質(zhì)本質(zhì)和規(guī)律的學(xué)科，與數(shù)學(xué)一起共同構(gòu)成其他各自然科學(xué)學(xué)科的研究基礎(chǔ)。機器人技術(shù)作為計算機學(xué)科的一個分支，是人工智能技術(shù)的產(chǎn)物，自然離不開物理學(xué)的支撐。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)機器人內(nèi)部蘊藏著大量的物理基礎(chǔ)知識，比如保障機器人平穩(wěn)運行的動力學(xué)及動力學(xué)模型是建立在物理經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)知識上，包括摩擦力、力的平衡、運動的合成與分解、牛頓運動定律、杠桿平衡條件等；機器人主控板部分則涉及到高中物理的電學(xué)常識（電阻、電容、串聯(lián)、并聯(lián)電路、歐姆定律等）和磁場知識（電磁感應(yīng)、變壓器、電動機等）；機器人的智能化部分涉及傳感器知識，常見的有溫、濕度傳感器、光敏傳感器、熱敏傳感器、紅外傳感器等；機器人的振動分析需用到物理的機械振動與機械波知識；機器人的驅(qū)動問題則與物理中的電磁感應(yīng)原理及能量守恒定律密切相關(guān)[ 4-5 ]。

對一些抽象、不易理解的物理知識，如能借助機器人的介入則不僅能很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生積極思考，也有助于培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和科學(xué)素養(yǎng)。對學(xué)有余力的學(xué)生，通過機器人輔助教學(xué)的啟發(fā)，則能擴寬他們的視野，打破學(xué)科之間的壁壘，發(fā)展多學(xué)科思維。

3? 基于STEAM理念的教育機器人實驗教學(xué)設(shè)計

基于STEAM的創(chuàng)新校本課程設(shè)計，需要突出項目式、多學(xué)科、趣味性的特點，以生活的真實問題情境作為切入點，不斷啟發(fā)學(xué)生去思考、去討論，循序漸進地開展項目活動[ 6 ]。一般以小組為單位，打破單一學(xué)科的思維定式和局限性，通過多學(xué)科的融合創(chuàng)新來完成項目任務(wù)，并在完成任務(wù)的過程中強化對知識的理解和運用。本課程設(shè)計創(chuàng)新采用探究式與項目式相融合的STEAM授課方式，即通過基礎(chǔ)項目的探究逐層遞進到高階項目，逐一完成項目的過程中實現(xiàn)對物理、數(shù)學(xué)、信息等多學(xué)科的融會貫通。

3.1? 情境引入

通過觀看《側(cè)方停車》視頻，引發(fā)學(xué)生思考：生活中普通小汽車側(cè)方停車存在一定難度，有沒有一種車子可以實現(xiàn)平移？

引入大疆機甲大師RoboMaster S1機器人，通過現(xiàn)場遙控控制S1機器人平移到指定的側(cè)方“車位”。

問題1：普通汽車無法做到的橫向平移，而S1機器人卻可以輕松做到，它的輪子與普通汽車輪子有何不一樣？

分析麥克納姆輪結(jié)構(gòu)和工作原理：S1底盤由4個帶編碼器的電機、控制電路和麥卡納姆輪（以下簡稱麥輪）組成。每個麥輪是由輪轂和圍繞輪轂的12個輥子組成的，輥子是一種沒有動力的從動小滾輪，麥輪輥子軸線和輪轂軸線夾角是45°，分為互為鏡像關(guān)系的A輪和B輪（或稱左旋輪和右旋輪）兩種，如圖1所示。

根據(jù)“物體所受摩擦力與物體相對運動方向相反”的原理與“S1的麥輪輥子和輪轂呈45°夾角”的特點可以發(fā)現(xiàn)，S1機器人的麥輪轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的力的方向與水平呈45°。

以S1車頭為正方向，約定輪子前進時的方向為電機正轉(zhuǎn)，輪子后退時的方向為電機反轉(zhuǎn)。當(dāng)A輪向前運動時會同時向右運動，即斜向右前方運動，那么相反，A輪向后運動的同時會向左運動，即斜向左后方運動；相應(yīng)B輪就是斜向左前和右后方運動。

以上關(guān)于麥輪的結(jié)構(gòu)特點和工作原理為后續(xù)的研究和探討奠定了良好的基礎(chǔ)。

3.2? 分組探討

問題2：以A輪、B輪可以構(gòu)成幾種底盤麥輪的組合方式？是不是所有組合都可以實現(xiàn)平移功能？請各小組討論合理的組合方式以實現(xiàn)右移功能，并說明各輪的正反轉(zhuǎn)情況。

學(xué)科融合：

這里需要用到數(shù)學(xué)排列組合的知識點以及物理中運動合成與分解的知識點。通過小組頭腦風(fēng)暴，大家激烈地討論所有可能的組合方式：AAAA、BBBB、ABAA、AABA、AABB等。

在實際操作過程中，有的小組選擇先分析再安裝麥輪，有的小組則是邊安裝邊嘗試再調(diào)整。最終在反復(fù)實驗和調(diào)整后，大家得出ABBA的“X”形結(jié)構(gòu)，即A輪和B輪分別分布在對角線上。

如圖2所示，分別對四個麥輪進行運動分解，當(dāng)四個麥輪都正轉(zhuǎn)的時候，AB輪可以相互抵消軸向速度，只剩下向前的速度，因此底盤就是向前直行，后退同理。

若要實現(xiàn)S1機器人向右平移平移功能，則需要所有豎直方向的分力相互抵消，水平分解的合力向右，以此來探討每個輪子的轉(zhuǎn)動情況應(yīng)該是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。

首先將麥輪受到地板的摩擦力F分解成水平方向和豎直方向的力，可以使用二維坐標(biāo)系來標(biāo)明方向，x代表水平方向，y代表豎直方向。那么每個輪子所受摩擦力F都可以分解為兩個分力Fx和Fy。當(dāng)對四個輪子都進行受力分解后，共會得到8個分力，分別疊加分析：

當(dāng)機器人向右平移時，y軸方向上的兩對分力大小相等、方向相反，相互抵消。而在x軸方向上，四個力的大小相等、方向相同，合力使機器人往右平移。反推可得：應(yīng)該讓A輪正轉(zhuǎn)，B輪反轉(zhuǎn)。

3.3? 深度探究

問題3：如果想讓S1機器人按照某一個特定角度作直線運動，應(yīng)如何設(shè)置呢？

假設(shè)S1機器人運動速度為v，運動角度為θ。

① 建立坐標(biāo)系并計算輪子的平移速度

建立坐標(biāo)系，以機器人左右移動的方向為水平方向x軸，以機器人前后移動方向為豎直方向y軸，那么，整車的移動速度就是一個既有大小又有方向的矢量v。設(shè)速度v與x軸的夾角為θ，輪子的水平速度為vx，豎直速度為vy，則得：

② 計算輥子的速度

學(xué)科融合：融合信息學(xué)科的知識，在Scratch編程中使用麥輪的相關(guān)編程模塊來實現(xiàn)S1機器人按照特定角度作直線運動，如圖3所示。

當(dāng)然，這個操作也可以使用底盤封裝好的Block來完成，在APP中，只需通過Block設(shè)置底盤的實時狀態(tài)、運動速率即可實現(xiàn)任意S1機器人任意朝向、任意角度的運動。

3.4? 進階項目挑戰(zhàn)

問題4：如何讓S1機器人沿不規(guī)則的藍色軌跡作運動呢？

思路：引入光度傳感器，分置于S1機器人的左右兩側(cè)，并與處理器連接。調(diào)整初始狀態(tài)，讓兩個光度傳感器分別位于藍線的兩側(cè)，在機器人行進過程中，若右側(cè)的光度傳感器遇到藍線，則光度值會隨即下降，此時可以通過控制程序讓右邊的麥輪停止轉(zhuǎn)動，左邊的麥輪保持前進，從而使機器人往右微調(diào)，反之，當(dāng)左邊的光度傳感器遇到藍線，則可以讓左邊的麥輪停止轉(zhuǎn)動，右邊的麥輪保持前進，機器人左向偏移，以此控制機器人始終沿藍線軌跡行駛。

學(xué)科融合：融合信息、工程、技術(shù)等知識，要求各小組凝練思路，編寫Scratch程序并加以展示機器人的巡線行駛效果。

在實際設(shè)計過程中，好幾個小組都會出現(xiàn)S1機器人“不聽話”的情況，比如機器人不按軌跡行駛、機器人左右搖擺幅度大等，這時教師應(yīng)遵循STEAM的理念引導(dǎo)學(xué)生分析問題與解決問題的能力，可上網(wǎng)查閱資料，可互相探討，也可以向其他小組尋求幫助，必要時可畫龍點睛地啟發(fā)或點撥?？傊?，要讓學(xué)生“在做中學(xué)”，在邊做邊學(xué)中實現(xiàn)知識的遷移和鞏固，以培養(yǎng)學(xué)生不怕困難、勇于面對困難的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。

3.5? 成果展示與評價

各小組分組匯報成果，通過Scratch程序的編寫與運行，測試S1機器人巡線運行的情況，匯報重點包括設(shè)計流程，團隊合作，設(shè)計或測試過程中碰到的問題以及解決問題的方法，自我評價等，然后教師及其他小組也對其進行評價，同時提出需要改進的地方。需要注意的是，由于STEAM采用的是項目式教學(xué)的方法，核心是為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和科學(xué)素養(yǎng)，因此在評價的過程中應(yīng)堅持過程性評價與結(jié)果性評價相結(jié)合的原則，可重點評價學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的自主探究、應(yīng)對困難的勇氣和團隊合作精神等。

總之，STEAM項目式教學(xué)圍繞某一個生活情境或具體問題，將機器人技術(shù)與物理創(chuàng)新實驗教育有機融合，對于活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生的好奇心、求知欲等確實起到很好的作用。但對物理教師的挑戰(zhàn)在于，備課期間需要自主學(xué)習(xí)計算機程序設(shè)計等相關(guān)知識，并將它們潤物細無聲地融入到物理實驗教學(xué)中，打破學(xué)科壁壘，啟發(fā)學(xué)生利用所學(xué)的物理知識開展自主創(chuàng)新活動。

參考資料：

［1］ 王學(xué)男.STEM教育創(chuàng)新與實踐：中小學(xué)機器人課程建設(shè)的研究[J].教育科學(xué)研究，2022（11）：91-95.

［2］ 楊俊亞.基于STEAM教育理念的高中物理活動課程的設(shè)計：以教育機器人打印力的合成演示儀為例[J].中學(xué)物理，2020（38）：31-33.

［3］ 顧青.將學(xué)科知識融入機器人教育：以融合中學(xué)物理知識構(gòu)建垃圾分揀機器人為例[J].中學(xué)物理，2020（2）：70-71.

［4］ 汪小慶，周明龍.基于機器人課程基地平臺的STEM 教育實施策略[J].中國教育信息化，2020（18）：40-44.

［5］ 陳曙光，張思進.機器人基礎(chǔ)物理課程內(nèi)容體系構(gòu)建與實踐教學(xué)[J].計算機教育，2021（11）：58-61.

［6］ 王勇.基于STEAM教育理念的科技創(chuàng)新校本課程開發(fā)以機器人創(chuàng)客教育校本課程為例[J].實驗教學(xué)與儀器，2022（10）：71-73.

2020年度福州市教育信息技術(shù)研究課題：基于機器人的物理創(chuàng)新實驗實踐研究（FZDJ2020A04）研究成果