“机器人＋数学建模”在STEM教育中的实践

王慧

【摘  要】  STEM课程是一门多学科交叉，将科学、技术、工程、数学有机地融合一起。它强调的是在不同的情境中培养学生问题的解决能力。机器人课程中融入数学建模思想，培养学生利用数学的思维去看待问题、分析问题、解决问题。

【关键词】  STEM教育;机器人;数学建模

18世纪中叶以来，人类历史发生三次工业革命，从第一次蒸汽技术革命，第二次电力技术革命，第三次计算机及信息技术革命到现在的人工智能革命，每一次的工业革命都推动着社会生产力的发展。机器人不仅作为新时代的产物，也是探究学科之间相互联系的一个契机。因此，学会学习与运用显得尤为重要。模型思想是《义务教育数学课程标准（2011年版）》中十大核心概念之一，是学生将数学与现实生活联系的重要纽带，是引导学生从现实问题到直观模型，从直观模型到抽象模型，从抽象模型到自主建构的建模过程。机器人、建模思想与STEM教育的精髓不谋而合，两者融合将STEM课程效果最大化。

一、学习机器人课程在STEM教育中的意义

现如今机器人产业已经渗透到各个领域，充分表明国家对培养多元化人才的需求，培养孩子学习机器人已刻不容缓。STEM教育是让学生学会综合运用多学科知识，通过实例看到知識的多元化，知道学科知识不是单一的，可以综合运用解决实际问题。机器人课程是STEM教育的具体体现，首先，机器人课程是开放式课程，融合了各个领域知识，发挥学生的动手实践能力、思维创新能力、团队协作能力;其次，学生们富有丰富的想象力和创造力，他们能在机器人课程中寻找乐趣、展示才能、培养创意;最后，开展机器人课程更符合STEM教育的意义，可以打破学生对各个学科的元认知，打破“偏科”的壁垒，也为国家培养多元化人才奠定了基础。

二、寻根溯源，明确数学建模的重要性

对于学生来说，他们年龄小，学习以直观思维为主，不善于抽象思维与逆向思维，他们所学的知识主要是从现实情境中抽象和概括出来的。但不能忽视一点，学生爱动手操作，爱思考，善于发现问题，勇于探索创新。机器人课程给学生提供了这样的“支架”，玩转机器人时，学生边玩边思考边构建数学建模，这样的教学模式有助于加强学生对数学知识的理解。数学建模能对现实问题进行数学抽象，用数学语言进行问题表达，能够帮助学生体会数学与生活的联系。建立数学模型、处理数学模型、应用数学模型的种子在学生们的心中逐渐生长。

三、实践中渗透，操作中感悟

学生对数学知识的学习，很难将知识系统化地应用到生活中，我们可以引导学生将数学中学到的知识运用到机器人课程中，加强学生对数学知识方法与思想的理解，感悟机器人在社会所占的价值。建模思想在机器人学习中如何渗透呢？我们不妨从生活入手，化自然语言为编程语言。

比如：让机器人从A点搬运货物到C点，要求从中选取最优路径（权值最小）。首先我会给学生充足的探索时间，让他们小组讨论交流、分析，各自说出自己的想法，然后教师提问：如果是自己搬运，会选择哪条路？有的学生认为从A点到B点，再从B点到C点（测距估算），还有学生持反对意见，认为可以结合路程=速度×时间（S=VT），将马达的速度设置最大值。但是转弯太多，转弯也是需要时间的。教师追问：那机器人前进多少？转多少角度的弯？（转弯：左轮与右轮转速的差。）如何判断这些条件呢？实践是检验真理的唯一标准，最后学生去估算、实践。通过问题的层层引导，学生运用了数学建模中的假设检验思想，并利用构建的模型通过软件将程序编写出来，再不断检验、调试，选择让机器人直接将货物从A点搬运到C点，这个简单的案例不仅将数学知识路程、速度、时间、减法、乘法毫秒等概念与公式的合理运用，还利用机器人现场模拟行走，直观地掌握数学理论——两点之间距离最短。长此以往，学生通过反复的操作、练习，就会在无形中养成用编程语言来解决问题的习惯，而在解决问题的过程中，将问题构建成模型库就是数学建模思想的核心，困扰学生的编程问题不再是问题。

再如：伸缩门是日常生活中较为常见的一种门，利用积木块搭建一个伸缩门（自动开关的伸缩门），控制行人或运输拦截和放行。传统的教学方式是老师直接告诉学生搭建平行四边形，虽然也能完成作品，但学生就不会去分析、讨论、研究为什么，在实践中也不会构建数学模型。即使学生了解平行四边形的特性，也只是单纯地了解数学理论知识，很难形成抽象思维。STEM课程不同于数学课程，它是开放的，是通过实践去论证的，设计伸缩门课程中，我会让学生以实践的方式探讨三角形、平行四边形、正方形它们各自的特性，哪一个更适合并说出理由。实践得出利用平行四边形的结构，因为它具有不稳定性，容易发生形变。最后在建立模型基础之上，再通过编程设计来判断解决问题的可行性。

以上实例都是基于STEM教育思想，即基于真实解决问题的学习。有利于学生建立解决问题的基本模型库;有利于学生学会用编程语言来表达实际问题;有利于培养学生团队合作精神。

“机器人+数学建模”在STEM教育中的实践意在借助于机器人平台模拟生活中的情境，增强学生数学建模的应用意识，提升学生数学建模的应用能力、个人能力、学科品味。

【参考文献】

[1]李其进.小学数学建模教学的起点、过程及应用策略[J]现代中小学教育，2017（08）：35-05.

[2]姜春霄.数学建模思想在小学机器人教育中的应用[J]中国教育信息化，2012（10）：65-02.