高阶创意机器人STEM教学实践研究

薛翔

大众创业、万众创新，这是国家层面对创新的战略要求，学校培养学生成为创新型后备人才迫在眉睫。近年来，全国各地多所学校如火如荼地开展各种各样的科技创新类的教学活动，其中大部分仍停留于利用第三方研发的现成项目，被动地完成任务式的教学。经过长期探索和实践，我发现创意机器人项目是学校培养学生科技创新能力的重要抓手，能更好地提高学生创新能力。

“智能茶博士”项目定位于客人接待、茶的加工。该机器人自动完成定量取水、定温烧水、自动取杯、投放茶叶、泡茶等一系列工作。利用语音系统接待客人，协助客人选择茶叶，在加工茶的过程中，播放茶知识，宣传茶文化。

因地制宜，确定项目工程提任务

在研制“智能茶博士”过程中，我邀请几名优秀的机器人社团学生，参与项目测试工作。在此过程中，学生们发现该项目还可以拓展更多的功能，如接待客人、加工茶水等。于是，我因地制宜，提出了新的工程任务，主题初步确定为智能茶吧，研究重点确定为自动加工茶水。通过小组头脑风暴形式组织学生展开讨论，有机地将一个大工程分解为定量取水、定温烧水、自动取杯、投放茶叶、泡茶等几个小工程，提炼出自动加工茶水的工序以及各工序的初步设计思路。经讨论认为，茶杯的位移是联系各工序的关键所在，确定工程的第一阶段核心目标：构建茶杯传送平台。

综合考虑工程要求、学生能力以及学校的设施，工程结构部分选用了合金材质的积木件，具有坚固、稳定且较易搭建的特点。传感器、执行器以及编程软件均选用Arduino开源平台兼容的软、硬件。根据实际情况，确定工程任务，确立了学习目标。

适度指引，协助学生技术提水平

参与研发的学生，都经过了一年以上的机器人系统学习，部分参加了中国青少年机器人竞赛活动的省级比赛，具备一定的技术水平，但受原有固定项目的限制，技术能力、水平上存在较大的局限性。第一阶段的研发活动一开始就遇到了困难：学生不知道如何用一个电机控制来回两个方向，我并没有直接给出答案，而是让学生观察3D打印机的结构。很快，第一代茶杯传送平台搭建完成，检测时，茶杯在传送的过程中发生滑动，杯子有掉出托盘的可能。利用限位装置，学生很快就解决了该问题。随着工序和结构的增加，新的问题又出现了，用来防止茶杯滑动的限位装置，给后继的抓拿带来麻烦，且抓手握杯、旋转的动作存在安全问题。第一代传送平台陷入僵局，学生的积极性也受到了不小的打击。我再一次出手，让学生在网上观看煤矿传送的视频。第二代传送平台传送带传送孕育而生。

再如，学生经过多次的实验，最终确定用3D打印茶叶桶。我只是给学生推荐了SketchUp软件，学习、实验、应用等过程均由学生自主完成。有明确需求的学习，学习的主动性、学习的效果大大提升。

教师的“懒”，造就了学生的“勤”，在研发的中后阶段，学生能自主在网上选择、定制工程所需物品，自主学习新型传感器、执行器的使用和控制方法，甚至能自制切割机对不锈钢水管进行加工。学生自始至终都是学习的主体，教师适度引导，让学生的学习主动性、积极性和创造性得到充分发挥。

设计改进，项目实施融合多学科

工程化、项目化的教学活动本身需要进行多学科融合，需要拓展、深化、融合学生已有的多学科知识和技能，如语文、数学、自然科学、编程、生活常识、传统习俗等，学生必须进一步学习新学科、新知识、新技能。

如烧开水可以用直流电方式或者交流电方式进行加热，这里就自然用到了物理中的电学知识，更涉及用电安全。该环节的研究过程，具体如下。

加热装置的变更：在初始设计方案中，在奶粉罐里安装加热管装置，外接交流电，通过程序控制加热单元进行水加热。该方案的优点：加热速度快，能够节省时间。缺点：选用容器易生锈，污染水质;且接缝处容易漏水，若用耐热胶进行防漏， 会进一步污染水质，不能饮用。另外，交流电加热，增加了实验危险。在我的建议下，进行了直流加热方案的实验。

直流加热方案：考虑到直流加热比较慢，选用体积较小的易拉罐为加热容器，将易拉罐简单加工成近似长方体的形状，在外壁贴上直流加热片，对容器里的水进行加热。此方案安全系数高，但受限于加热片的功率，加热速度很慢，最终贴了4片加热片并做了保温处理，也没有将水烧开。于是我们又回归交流加热方案。

再改进设计后的交流加热方案：针对最初的交流加热方案中的两个问题改进。⑴交流供电的安全问题，购置了带有触电保护的防触电电源插座，减小触电危险。⑵水质污染问题，选用了定制加工的不锈钢圆管、改造后的不锈钢保温杯作为加热装置，加热效果以及水质得以保障。但在一次实验中，加热管因为干烧发生爆炸，存在较大安全隐患。

最终方案：采用专门订制的加热管和加热容器（材质为食品级304不锈钢加厚型），饮用安全和使用安全均得到了保证。

项目的选择，重视从学生的生活实际出发，激发他们的兴趣和求知欲。我们给学生一个平台，学生在项目的不断改进设计中，不断发现问题，解决问题。对于“智能茶博士”这样的项目，可能大家以为就是信息技术，其实是集人工智能、科学、物理、数学、传统文化等于一体的综合学习，需要将各个领域的知识融合，极大地丰富了学生的核心素养，提升了学生的综合能力。

撰写日记，规范科学研究养习惯

笔头懒，是学生进行科学研究活动的通病。懒得写，就不知怎么写。学生第一次参加社团活动时，我就提出撰写学习日记的格式和要求。“发现或出现的问题”“我的想法或做法”“结果或我的结论”是学习日记最基本的组成部分。学生在日记本上撰写日记，并通过QQ群像册上传日记的图片，我及时在QQ群进行点评。点评策略为开始阶段最少找出学生日记中的一个亮点，让学生感知老师对他的认可，呵护学生写日记的热情，逐步养成习惯;成熟阶段，点评的侧重点为学生在日记中提出的解决不了的问题和困惑，提供解决问题的思路。一个学年下来，约40%左右的學生养成撰写学习日记的良好习惯，日记质量也有很大的提高。良好习惯的养成是对学生进行科学研究的正确引导。

顺应形势，对接大赛不断挑新高

本项目的研发时间始于2016年10月25日，12月，“2017年中国青少年机器人竞赛活动”比赛方案公布，其中创意项目的主题为“我的学习伙伴”。我及时组织研发团队学生，研读比赛规则并展开讨论，决定加入“茶文化”元素，增加语音交互、学习知识功能，让顾客在等待机器人自动泡茶的同时，学习“茶文化”方面的知识。“智能茶吧”华丽转身为“智能茶博士”。在2017年4月市级比赛中获创意项目冠军，在2017年5月省级比赛中获创意项目初中组冠军，在2017年7月全国比赛中获创意项目中学组创意鼓励奖（银牌）。2019年研发团队的主力队员刘畅同学获“南通市第一届青少年科技创新市长奖提名奖。项目实施中能够创新是设计的主旨。有了创新点，学生对解决一个又一个问题充满了兴趣，不断挑战，激发了学生的学习积极性和创造性。

工匠精神，自主改进步伐不停息

创新驱动实质上还是靠人才驱动，只有激活“人”这个生产力当中的关键因素，聚天下英才而用之，才能为全面深化改革、推动创新发展提供坚实支撑和不竭动力。作为祖国未来的初中生，从课堂到生活，改革强音振奋人心，创新活力扑面而来。在信息技术课程中实现创新探索，我一直努力践行，自开始研制本项目，学生在实践中不断发现、不断改进、不断求新。在9个多月的时间里，主体结构、各种装置、控制方式、程序控制、加热方式等大小改变上百次。与此同时，学生亲身经历机器人的研制、创新、动手、合作等，多方面能力得到长足进步。

给学生创造有利于创新发展的良好环境，从课堂到生活，从生活到课堂，学生本有的创新活力扑面而来。让我们一直坚持以学生为中心，积极实践，积极创新，在高质量发展创新教育的征程上行稳致远。

作者单位：江苏海安市海陵中学