基于STEM环境的中学VEX机器人教学实践探索

孙燕

摘 要 在基礎教育领域，机器人教育在近几年受到人们的广泛关注，学生通过自己设计、搭建出属于自己的机器人。由于其自身的跨学科性，成为中小学培养STEM（科学、技术、工程、数学）素养的一种有效途径。对基于STEM环境的VEX机器人教学进行研究，以“给机器人底盘编写”教学进行活动设计，从而为以后的VEX机器人教学提供思路。

关键词 STEM教育；VEX机器人；机器人教育；中学；软件编程；ROBOTC

中图分类号：G633.67 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）06-0073-03

Exploration of VEX Robot Teaching Practice in Middle School based on STEM Environment//SUN Yan

Abstract In the field of education， the robot education has received a

lot of attention in recent years. Students design and build their own

robots. Because of its interdisciplinary nature， it is also an effective

way to cultivate STEM（science， technology， engineering， mathema-tics） accomplishment in primary and secondary schools. This study

conducted research on VEX robot teaching based on STEM environ-

ment， and designed the teaching of robot chassis， so as to provide ideas for future VEX robot teaching.

Key words STEM education； VEX robot； robot education； secon-dary schools； software programming； ROBOTC

1 VEX机器人教育研究现状

VEX机器人教育通常以竞赛的形式存在。VEX机器人大赛又称VEX机器人世界锦标赛（VEX Robotics Competition），

是一项旨在通过推广教育型机器人，拓展中学生和大学生对科学、技术、工程和数学领域兴趣，提高并促进青少年的团队合作精神、领导才能和解决问题的能力的世界级大赛[1]。每年大概4月份的VEX机器人世界锦标赛之后，官方就会发布下一年新的比赛规则，参赛者根据新的比赛规则来设计自己的机器人，来培养创新能力和综合实践能力。

STEM教育即科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）教育的简写。以STEM为理念，主要是因为STEM教育是个多学科交融的领域，这是符合机器人教育的。VEX机器人教学不是传统的分科式教学，而是一种跨学科教学方式。这要求学生不仅仅要对知识能够记忆、理解、应用，还要进行分析、评价、创造。VEX机器人的搭建和编程刚好是检验对知识掌握的情况。因此，STEM教育并不是将科学、技术、工程和数学四类学科简单叠加，而是使它们彼此之间进行有效融合，组合成为一个有机的整体[2]。

随着机器人技术的快速发展，机器人教育在当下已经成为一种趋势。通过对国内VEX机器人教育现状的调查发现，中学VEX机器人教学一般是以社团的形式存在的，该形式最大的好处就是能够进行小组合作学习，一般小组内有四名成员并且各有分工，这样的形式是符合VEX机器人跨学科、重实践的特点的。由于VEX机器人大赛是美国公司支持的机器人项目，因此在国内能够找到的资料非常少，相应的论文也很少，在CNKI中检索，大多是关于VEX机器人比赛情况的论文，STEM教育与VEX机器人教育整合方面的相关文献几乎没有。因此，本研究尝试去探寻基于STEM环境的中学VEX机器人教学，并对其教学实例进行活动设计，从而为以后的VEX机器人教学提供思路。

2 VEX机器人教学活动设计与实施

基于任务驱动的教学模式将VEX机器人作为技术和情境创生工具与STEM教育相整合[3]。在这种模式下的教学，不是按照传统教学中，教师按部就班对书本上的知识进行讲授，而是以任务为中心，寻求解答为驱动力，从而来激发学生主动学习。本研究以“给机器人底盘编写程序”为例，展开在STEM背景下的中学VEX机器人教学。

此案例教学采用基于任务驱动的教学模式，案例选用VEX机器人作为硬件载体，ROBOTC为软件编程平台。学生在此之前已经搭好底盘，并且熟悉ROBOTC操作界面。本案例实施是在西安高新一中初中校区VEX机器人社团，其人数在16人（四个组），并且这些学生之前都接触过机器人，基础较好，有一定的编程能力。社团内有已经搭建好场地，案例活动时长为120分钟。

1）活动主题：给底盘编写程序。

2）活动目标：表1是该案例的整合目标[4]。

3）教学过程。由于本节课是讲编程的第一节课，还需要很多的知识做支撑，因此采用任务驱动的教学模式。教学过程中要完成的主要任务：编程实现用遥控器控制底盘的运动。先进行集体教学，然后进行分组活动，四人一组，互相协助，共同完成任务。本案例教学流程如下。

①情境导入（5分钟）。提出问题：机器人底盘已经搭好了，如何实现让机器人动起来呢？之后播放这个赛季“步步为营”的比赛视频，让学生带着问题去看视频，观察机器人是如何运动的；并现场展示VEX机器人完成编程任务在场地中运动的场景，激发学生的学习动机。

②回顾知识（10分钟）。回顾上周社团活动所介绍的主控器、遥控器，由学生回答各个端口是干什么用的。做到教师与学生互动，使得学生全程参与教学。

③编程知识讲解（15分钟）。

首先，教师用人类语言和计算机语言的类比，引出机器人所要使用的编程工具——ROBOTC；

其次，以提问的方式让学生思考机器人底盘是如何进行运动的；

再次，详细讲解机器人底盘的运动原理，接着讲解具体在使用ROBOTC软件时的步骤：先要对端口进行设置；然后讲解底盘运动所要用到的知识点；最后讲解与主控器连接步骤、与遥控器如何进行对频。

讲解完成，布置任务：用右摇杆控制底盘，可以实现底盘的转弯；分别用5U、5D（5U、5D是遥控器通道5的两个按钮）来控制底盘的直线运动（当按5U时，机器人以50的速度向前运动；当按5D时，机器人以50的速度后退；两个按钮都不按时，机器人静止不动）。

④小组活动（70分钟）。根据教师布置的任务，学生给机器人底盘进行编程、下载并调试程序操作。该阶段是以学生为中心，每组组长组织自己的成员进行社团活动，以组为单位展示具体的程序以及思路和实践操作机器人，其他学生进行点评。教师针对每组出现的问题进行个性化答疑。

⑤总结（20分钟）。教师针对学生出现的问题集中做一小结，请已经解决这些问题学生回答，之后点评具体操作并对这节课的知识点进行小结。常遇到的三个问题：无法下载编译程序怎么办？电机不正常工作怎么办？当没有推摇杆时，底盘会轻微移动，该怎么解决？

4）活动场地。图1所示为开展VEX机器人活动需要用到的场地，此教学过程是在STEM背景下完成的，因此不需要传统教室。一共16人，四人一组，共四组。在进行集体教学时，学生坐在投影正中心的桌子上，便于集中注意力听讲；在进行小组活动时，学生回到各个对应的小组进行活动。

5）活动评价。

①知识点测试。课堂一开始对于主控器、遥控器各个端口的作用进行知识点测试，属于客观的形成性评价，测试学生对于上节课硬件端口的掌握情况。如果有问题，就进行集中讲授。

②汇报评价。通过小组合作学习，共同解决程序问题。小组完成“给机器人底盘编写程序”之后，每个组派代表进行汇报，展示任务完成情况以及遇到的问题，其他学生进行他评。这样的评价互动性强，每个学生都能够进行个性化的学习，能够培养批判性思维以及综合实践能力。

③总结性评价。教师针对汇报的情况做一小结，属于总结性评价，包括汇报表述是否清晰、是否解决了关键问题。

6）总结。在教学实施过程中，发现课堂气氛非常好，学生都在积极地回答问题，小组活动也有较大的主动性。由此可以看出，基于STEM背景的VEX机器人教学能够很好地调动学生学习的积极性，对知识也能够由理论往实践去转化，对培养学生的创新意识具有积极意义。

3 教学设计评析

“给机器人底盘编写程序”这节课是立足于STEM背景的VEX机器人教学，能够让学生从科学、技术、工程、数学等方面将抽象的知识具体化。这节课的设计有下面一些特点。

通过师生互动，掌握VEX硬件知识 由于VEX知识对于初中学生有一定的难度，讲过的硬件知识也需要回顾，这时候就需要用提问的方式让学生集中注意力，回答主控器、遥控器的所有按键的用法。

理论与实践结合，运用可视化的编程软件，将知识具体化 口头讲解ROBOTC软件编程是难以让学生掌握编程的，这时候就需要理论与实践相结合，让学生自己能给机器人编程并且进行编译下载，就能很好地将抽象知识具体化，使得学生不再畏惧编程。

小组活动，培养学生团队意识 不管是VEX机器人的搭建还是编程，仅仅靠一个人的力量是远远不够的，因此就需要培养学生的团队意识，以小组为单位进行活动。组长将任务进行分工，使得一个小组的四个人都有事可做，这样效率也会大大提高。

提供展示、交流、分享、反思的机会 通过以小组为单位展示具体的程序、思路和实践操作机器人，进行相互学习，这也是较为重要的环节，能够培养学生的自信心、沟通能力等。

4 结语

本文针对中小学机器人教学具有的实操性特点，结合目前的STEM教育[5]，设计基于STEM背景的VEX机器人教学，能够让学生从科学、技术、工程、数学不同的角度将学到的知识进行应用，使得学生有较高的学习兴趣，能够调动自主学习的积极性。采用集体教学与小组活动的形式，针对“给机器人底盘编写程序”这个案例，能够让学生不只止步于理论层面，而是转为理论与实践相结合。通过机器人的搭建，程序的编写也能激发学生的创新意识，培养综合实践能力以及团队协作能力，对自己未来的规划也更加明确。因此，提倡基于STEM背景的机器人教育，越来越多的教师应投身到基于STEM背景的VEX机器人教学的理论探索与实践中，其课程体系将越来越完善。

參考文献

[1]Caro I A. VEX Robotics： STEM Program and Robotics

Competition Expansion into Europe[J].Eurobot，2011.

[2]张剑平，王益.机器人教育：现状、问题与推进策略[J].中国电化教育，2006（12）：65-68.

[3]牟琴，谭良，周雄峻.基于计算思维的任务驱动式教学模式的研究[J].现代教育技术，2011（6）：44-49.

[4]余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015（4）：13-22.

[5]刘斌，陈惠敏，王超，等.基于问题的学习模式（PBL）研究与应用：“以大学生VEX机器人工程挑战赛”为例[J].昌吉学院学报，2012（4）：91-96.