STEM教育课程的设计与实践——以“制作智能机械臂模型”为例

何德洪

(广州市从化区第六中学 广东广州 510900)

一、STEM教育简介

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）四门学科的简称，STEM教育是一种注重实践的跨学科教育，最早出现在1986年美国科学委员会《本科的科学、数学和工程教育》的报告中。STEM教育着重培养学生的STEM素养，包括四个方面：一是科学素养，是指运用科学知识（如物理、化学、生物、地理等科学）认识世界、解释自然界的客观规律；二是技术素养，是指对科学和技术进行评价和做出相应决定所必需的基本知识和能力；三是工程素养，是指对工程设计和工程开发过程的理解；四是数学素养，是指学生运用数学知识解决实际情境下数学问题的能力[2]。

二、实践案例——“制作智能机械臂模型”

（一）学习者分析

本课程面向高二的学生，建立在学生已有知识和能力的基础上。通过物理课程，高二的学生对“力与运动”和传感器有一定的认识，能结合观察、动手操作、研究相关学习支架掌握机械臂的力学原理、机械结构和传感器的功能应用；通过信息技术课对相关计算机编程知识的学习，高二的学生已具备利用可视化编程软件编写简单程序的能力；高二的学生有一定的空间意识和逻辑计算能力，能理解机械臂的空间运动过程，运用数学知识计算传感器的阈值和简化程序算法；高二的学生有一定的动手能力、探究能力和团队协作能力，对机械和技术有一定的认识，学习积极性较高[3]。

（二）课程任务

使用机械臂模型套件组装机械臂实物模型，模型要符合真实工业机械臂的力学原理、机械结构，能正常执行动作，抓取和移动物体，能利用传感器和编程对机械臂进行一项以上的功能创新，如声音控制、按颜色分拣物品等。

（三）课程内容及流程

1.情景导入与提出任务（1课时）

教师播放机械臂在工业加工制造、汽车自动化装配、集成电子电路生产等应用场景中的视频，激发学生对现实生活中智能制造领域的兴趣，引出本课程的主题——机械臂，明确制作智能机械臂的课程任务，分析相关的功能设计要求。

2.组装机械臂模型（2～3课时）

（1）小组研究学习支架材料，确定组装机械臂模型的方案。

机械臂的力学结构、运行原理；伺服电机的结构、工作原理；组装机械臂模型构件的原则和技巧；不同规格的螺丝螺母、组装工具的使用和管理。

（2）每组发一套机械臂模型套件，学生团体协作，动手组装机械臂模型，教师从旁协助答疑。

（3）每个小组派代表分享机械臂模型的组装经验和收获。

3.设计动作组，实现机械臂抓取和移动物体（2～3课时）

（1）小组研究学习支架材料，探讨机械臂动作组的设计思路。

如何使用伺服电机控制板上位机软件，控制伺服电机的运行时间、转动方向和角度？如何分解机械臂抓取移动物体的动作过程，相关伺服电机如何组合控制？如何调节机械臂抓取物体的力度？

（2）利用伺服电机控制板的上位机软件，设计抓取物体、移动物体的动作组。

（3）运行调试程序，测试机械臂抓取物体、移动物体的效果。

（4）以小组为单位，比赛机械臂抓取移动物体，体验从理论到实践的快乐。

在D城，麦小秋已经和一个人有了千丝万缕的联系。那个人她叫饶哥。她不知道该怎样丈量她在D城的时间，从来到D城离开D城又回到D城，零零乱乱的日子大约已经有五、六年了。在她25岁的时光里，D城的生活占了她五分之一的光阴，而这五分之一几乎是她步入社会的全部。

（5）学生分享机械臂动作组设计、调试、运行中遇到的问题及团队协作解决问题的经验。

4.机械臂的功能创新（5～6课时）

（1）小组讨论机械臂要创新什么功能，选定相应的传感器。

超声波传感器、光敏传感器、触摸传感器、颜色传感器有什么功能？工作原理是什么？机械臂要创新什么功能？要实现功能，工程的复杂程度如何？

（2）小组研究学习支架材料，运用数学知识掌握计算传感器阈值的方法，教师从旁指导。

（3）小组学习传感器的程序范例，利用Arduino图形化编程软件实现对传感器的控制和使用。

（4）学生团队协作，探索程序的设计思路，画出程序设计的流程图。

（5）学生按程序设计的思路和流程图，利用Arduino图形化编程软件编写程序，教师从旁指导。

程序编写的原则和规范有哪些？如何设置程序变量？如何实现流程图中的分支结构和循环结构？怎样调试、测试程序？

（6）学生把程序上传到Arduino主板上调试，根据机械臂的实际运动情况进行修正和优化。

5.最终作品展示与评价（1～2课时）

（1）学生展示各组的智能机械臂作品，分享设计思路、实现过程。

（2）学生开展小组内的自评、互评。

（3）学生开展小组间的互评，交流心得体会。

（4）教师根据机械臂抓取移动物体的效果、机械臂拓展功能的创新性、学生在整个活动过程的表现，对学生和小组进行形成性评价和总结性评价，并对学生提出合理的期望。

（5）师生总结课程中涉及的STEM学科知识和STEM素养，并在以后的学习中有意识地加强。

三、结束语

“制作智能机械臂模型”课程，以项目式学习作为驱动，借助学习支架，围绕制作智能机械臂模型的课程任务展开，有效实现了科学、技术、工程、数学的跨学科融合，学生对课程的参与度较高。学生经历问题提出、调查研究、模型构建、设计制作、测试优化、功能创新、展示与评价等过程，较好地完成了设定的课程任务和课程目标，锻炼了逻辑思维能力、动手能力、团队交流协作能力，学会了分析、探究、解决实际问题的方法，收获了自信，树立了尊重科学、敢于创新的精神，有效提高了个人的STEM素养。通过课程实践，加深了师生对“技术”和“工程”的认识，检验了STEM教育课程设计理念的有效性。

科技、经济、社会快速发展的当下，STEM素养对一个国家的国际竞争力、经济发展水平及国民素质都有重要意义。我们应积极探索和实践STEM教育课程，重视培养学生的STEM素养，以满足学生未来的发展需要和社会对人才的需求。