基于STEAM教育的VEX机器人的设计与教育应用
时间：2020-05-06 05:17:23 来源：千叶帆 本文已影响人
摘 要：STEAM教育要求学生在实践过程中学习各种学科以及跨学科的知识，从而全面提高学生的综合素质，但在 STEAM 教育的推进过程中，工程教育是一个弱项。文章基于STEAM教育的观点设计实现VEX机器人，为STEAM教育理论提供了实践平台，这也突出了VEX机器人的教育应用价值，是非常好的工程教育案例。作者从STEAM的五个角度出发，分析了VEX机器人的设计、操作过程，阐明了VEX机器人在教育中的应用，以期为VEX机器人在教育中的实践应用提供参考。
关键词：STEAM教育;VEX机器人;结构设计;教育应用
中图分类号：G433 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2019）02-0030-05
一、研究背景
1.STEAM教育背景
国外关于STEAM教育的研究多集中在美国、英国等发达国家。1986年，美国国家科学委员会就发表过《本科的科学、数学和工程教育》报告，这被认为是美国STEM教育集成战略的里程碑。2011年，时任美国总统的奥巴马推出的新版《美国创新战略》指出，“创新教育运动”指引着公共和私营部门的联合，以加强科学、技术、工程和数学（STEM）教育，旨在确保经济增长与繁荣。STEAM教育模式是以美国为首的一些国家在STEM教育模式的基础上，又在其中添加了一项ART（艺术）部分的综合性教育模式[1]。
笔者对STEAM教育研究现状进行分析后发现国外对STEAM教育非常重视，并且已经实施了相关的措施来确保STEAM教育的顺利改革。教育改革是一个需要不断尝试的过程，国外采取循序渐进的原则将STEAM教育自然地融入传统教育。
我国STEAM教育相对起步較晚，但近年来受关注度逐渐上升。2015年9月，教育部发布《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见（征求意见稿）》，谈到未来5年对教育信息化的计划时，提出学校要摸索STEAM教育、创客教育。2015年10月，仅上海就举办了多次以“STEAM教育”为主题的活动。
目前，全国已有600余所中学引入了STEAM教育课程。例如，北京景山学校的吴俊杰老师在学校开展STEAM教育多年，将大量动手实践活动引入课堂，并得到了学生及学校的高度认可[2]。在笔者看来，进行STEAM教育改革不仅有利于开阔学生视野、培养学生的综合能力，而且有利于培养更多尖端人才，以更快地突破现在的技术瓶颈，加快国家发展速度。
2.VEX机器人及VEX机器人工程挑战赛
VEX是美国太空总署（NASA）、美国易安信公司（EMC）等大力支持的机器人项目。VEX机器人世界锦标赛于2007年开始在美国举行，每年吸引着全球30多个国家，上百万青少年参与选拔，角逐参加总决赛的荣誉席位[3]。
VEX机器人比赛更加重视过程以及对学生能力的锻炼和培养，而非仅仅只看重结果。所以该比赛设置了多种奖项，例如：工程笔记奖，是为了鼓励那些在搭建过程中能认真记录自己团队的工作日志以及机器的搭建过程，及时反思自己错误并做出改正的学生;女生奖，因为这个比赛积极鼓励女生来参加，以提高女生在科学、技术、工程、数学方面的应用能力，所以努力的女生团队可以得到这个奖项;最佳结构奖，奖励给设计出有创新点结构，即使这个结构不能很好地完成任务，但是有很大的改进潜力的参赛队员;全能奖，这是所有VEX奖项里面的最高奖项，它不仅需要有很好的比赛成绩，还需要有很好的团队作风和真正的工程笔记、认真的工作态度，以及克服一切困难的精神，经过多重考察才能获得全能奖。
3.研究的意义
本文从STEAM教育的五个方面对VEX机器人的设计进行了详细剖析与评价，并且从VEX机器人课程的设计以及通过VEX机器人对学生综合素质的提高两方面分析了VEX机器人的教育应用，以期为VEX机器人今后的设计以及教育应用提供参考。
二、基于STEAM教育的VEX机器人设计
STEAM教育的核心宗旨是培养具有创新能力的综合型人才，把各学科间的知识融合起来，开拓学生的思维，培养正确判断事物的能力。参赛者在搭建自己的VEX机器人的过程中，以完成比赛任务为目标，在解决比赛任务面临问题的过程中，需要综合多方面的知识，才能设计出完成任务的机器人。在整个学习过程中小组成员都是学习的主人[4]。
VEX机器人主要由结构设计和程序编写两部分组成，笔者以2015-2016年VEX机器人比赛“nothing but net”为例进行具体介绍。VEX机器人要完成比赛任务的功能，结构设计必须包括最基本的四个部分：①发射器，发射装置，用来发射赛场上的球;②底盘，支撑整个机器并能使机器进行自由移动;③抬升装置，完成高低举任务的装置;④捡球器，收球装置，即将球收集在自己的机器上。程序编写部分必须包括最基本的两部分：自动赛程序（完成前45S比赛）和手控赛程序（完成后75S比赛）。
1.发射器（见图1、图2）
科学方面：我们需要让机器人能在赛场上不同的地点将球打进球筐里面，想要将球发射出去就需要借助外力，为了打出不同的距离，就需要给球不同的力度，所以我们的想法是利用飞轮，通过轮子飞速旋转与球产生摩擦力，把球发射出去;通过改变轮子的速度从而改变给球的力，让球飞出不同的距离。
工程方面：发射器对结构的装配要求特别高，需要高度对称才能保证两边的飞轮转速相同，使球打出去是一条直线，从而顺利打入网中。齿轮之间的契合，裁剪后钢架的拼装，发射器搭建是否紧凑，飞轮高速旋转过程中怎么尽可能地减小抖动，每一个部分连接时极小的误差累计到最后都会导致很大的误差。另外，还可以利用工程中的PID自动控制算法来解决飞轮转速不稳定的情况[5]。
数学方面：通过测速，发现如果用飞轮发射器把球从赛场的一端打到另一端，需要的转速是1500转/分钟，但我们的393双线电机满功率的旋转速率是100转/分钟，速度是远远不够的。经过多次测试后，发现选择利用3号和7号齿轮来设计传动比为1∶21的发射器正好可以使球打进网内。我们需要调整电机的数量来改变飞轮上的扭力，让飞轮的速度更快地恢复，并通过工程上的PID自动控制闭环算法来保持飞轮速度的稳定。
艺术方面：作为整个机器最重要的部分，发射器应具有对称美、稳定美、设计美。齿轮的契合、材料的切割、整体的紧凑，都展现了VEX机器人的魅力。
2.底盘（见图3、图4）
科学方面：机器人在赛场上需要做大量的位置移动，所以需要底盘可以给机器人提供足够的速度和稳定性。赛场上，每场比赛短短的2分钟会发生很多意料之外的事情，尤其是在自动赛部分，机器人仅仅靠传感器来识别赛场上的一切，极有可能遇到未知问题，会让底盤的移动产生错位，机器发生偏移。所以一个好的底盘设计可以减少操作手操作起来的难度，可以让机器人在自动赛中更加灵活精确。
技术方面：设计底盘的时候，因为涉及到机器人的运动，所以需要运用到物理中力的合成与分解、数学中的笛卡尔坐标系，还有一些C语言程序中的逻辑运算。如果操作方面没有足够的经验，就需要利用特殊的底盘来实现力的分解和机器的多方向运动，在电机保持功率不变的情况下，前进后退方向上的力少了，速度就会下降。
3.抬升装置（见图5、图6）
在比赛的最后30秒，就是机器的抬升时间了，抬升是整个比赛过程最刺激和最受欢迎的，能否抬升成功可以体现一个团队的特色与优势。抬升的分数是低举25分，高举50分。抬升的难度在于它对稳定性的要求特别高。在此次设计中，笔者通过利用简单的物理学技巧——找不规则物体重心的知识点，找到机器的重心，使抬升装置稳固，从而实现每次都能顺利地抬升。
科学方面：一般情况下都是大机器抬升小机器。大机器给小机器伸出一个斜坡，小机器顺着斜坡往上爬，爬到高举需要的高度时大机器再收回自己的斜坡。但是我们通过学习观察，设计的方案是大机器先自己伸出两条腿，自己举起自己，举到一定的高度，再让小机器进入大机器下面，大机器收回自己的腿，把自己放在小机器上，这样的好处是抬升过程中是升高而不是伸长，节省了地方。
技术方面：抬升的核心问题就是机器的重心，在第一次设计机器人抬升装置的时候机器总是前倾，让支撑杆非常受损。为了平衡重心，我们在机器的后面加了橡皮筋，希望用橡皮筋的弹力来平衡前面的重力，但是橡皮筋的弹力不是很容易控制，4根橡皮筋串联弹力太小，3根橡皮筋串联弹力又微大，最后终于调好了，但由于橡皮筋经常使用会变松，机器又开始发生倾倒。最后不得不重新思考新结构。最终用“称”机器的方法，找到机器重心所在的平面，解决了这个难题，也归纳出解决不规则物体的重心的办法。
4.拾球器（见图7、图8）
科学方面：在比赛的过程中，赛场上会有很多散落的球，机器要捡起那些球并把它们投进网里。拾球器一般而言有传送带拾球和橡皮筋拾球两种结构。橡皮筋拾球方便但传送球费劲，传送带拾球费劲但传送球方便，比赛时我们采用了橡皮筋的结构，但发现存在问题。比赛后我们反思了这种情况，拟下次设计橡皮筋和传送带相给合的方式。
技术方面：完成了以上几个部分任务，留给拾球器的电机只剩两个了，怎么利用两个电机来拾取赛场上的球，并将它们运送至发射器上，是我们要解决的技术方面的问题。我们需要测量球的直径来计算出拾球器的宽度，以及测量橡皮筋拉伸的长度，利用多级传动链条式传送带之间的同步运动，保证机器顺利完成拾球任务。
5.VEX机器人结构与程序的关系
如果把VEX机器人与人做对比，主控制器就相当于人的大脑，电机相当于人的四肢，传感器相当于人的五官，钢架相当于人的骨骼，电路相当于血管。那么，程序就是我们与外界交互的一种学习方式。没有程序的机器人就相当于一个刚出生的婴儿，不会与外界沟通。把程序导进机器人主控的过程就相当于给婴儿灌输知识的过程、对婴儿进行教育的过程。机器人运行程序的过程就是婴儿在实践自己学习知识的过程。
6.STEAM教育与VEX机器人的设计总述
通过上面的分析我们可以看出，STEAM教育的重点是培养学生的科学、技术、工程、艺术和数学的能力。通过对VEX机器人结构的设计、搭建和程序设计，让学生掌握了机械的基础知识、程序编写等科学知识，搭建机器测试程序的技术，测量与自动控制等工程思维，机器结构的对称、整体的紧凑、设计的巧妙的艺术欣赏，精密计算与大概预判相辅相成的数学工具的利用。
STEAM教育需要培养学生的能力均在VEX机器人的设计中完美地体现了出来。对于把STEAM教育融入传统教育而言，VEX机器人更像是一种工具。VEX机器人的设计过程对学生能力的培养更像是治愈患者疾病的药水。通过VEX机器人，让学生进行学习与设计，得到STEAM教育中所需要培养的能力，让STEAM教育自然而然地融入传统教育。
三、VEX机器人的教育应用
VEX机器人及VEX机器人比赛为教育应用提供了新平台、新技术、新工具，VEX机器人正慢慢地在STEAM教育、创新教育、综合人才培养等方面显示出得天独厚的优势，为多种教育理论提供了平台。但由于VEX机器人的零件价格昂贵，广泛应用和推广还存在一定的困难。
1.教学设计的可行性分析
我国的机器人教育开始于2000年，最初只有很少的学校参与，2007-2008年由于乐高头脑风暴机器人的出现，开始了机器人的普及时代。我们可以将这一过程与早些年的计算机普及情况作比较。当计算机出现的时候，计算机被视为高科技的象征，只有少数聪明的学生才会考虑学习计算机专业。但是当Windows系统出现以后，计算机被快速普及，变成了一个大众化的产品，人们只要经过基础训练就可以熟练地使用计算机。将VEX机器人引入课程，可以作为计算机教育的拓展与延续。它不仅可以拓展学生在学习中的活动，更是一个比计算机更强大的工具，对学生培养兴趣、学习知识、实现创新设计都会有很大的帮助。
2.教学基本设计
VEX可设计成课程进入中学甚至是大学，校本课程推动机器人教育不同于课外辅导机构的个人行为，而是表现为群体行为，即以学校兴趣班为载体，为了学习自己感兴趣的内容、技能而进行的机器人学习，这种形式的课程不是以类似于荣誉奖品等外因为学习动机，而是以学生的兴趣即内因为学习动机，这样学习的动力更加持久。VEX机器人结构的设计及程序的编写是基于比赛任务的，结构是科学、技术、工程的完美结合，程序是艺术和数学的完美展示。所以具体可以从结构设计和程序编写来设计课程（见表1）。
（1）教学目标
知识与技能目标：掌握VEX机器人的基本搭建，了解机械运动之间的物理规律，掌握ROBOTC的基本界面及操作，了解经典常用的ROBOTC算法。
過程与方法目标：掌握不同学科之间的知识是如何综合应用的，掌握学生之间相互交流的方法。
情感态度与价值观：培养坚韧不拔的意志力和面对困难迎难而上的勇气。
（2）学习者特征分析
VEX机器人面向小学生、中学生、大学生有不同的类别，分别为VEX IQ、VEX EDR、VEX U，因为笔者是对VEX U的机器人进行设计搭建的，所以学习者为大学生，也可以是高中生。高中生、大学生均有一定的知识储备，自律性、目的性较强。
（3）教学内容分析
以结构设计为例，在设计VEX机器人结构的课程中，可以让学生分析比赛任务，然后想出什么样的结构可以简单且尽可能完美地完成任务，教师肯定学生的想法后分析学生搭建结构中的优缺点，之后分小组完成VEX机器人的搭建。最后通过参加比赛（小组与小组之间、学校与学校之间）让学生学习合理的结构和相关综合知识。通过科学（S）、技术（T）、工程（E）、艺术（A）、数学（M）这五个方面对学生进行评价。通过结构设计与搭建，让学生掌握一定的机械基础知识，培养学生分析问题、解决问题以及动手操作的能力。
在编写程序的课堂上，我们可以划分为ROBOTC语言的学习以及ROBOTC语言在VEX机器人中的应用两部分。通过VEX机器人，学生可以更好地理解程序。编程的结果不仅仅是通过计算机输出一个值，而是通过机器来运行程序，完成同样的任务可以有很多不同的程序，涉及到一些经典的算法。由于VEX机器人与STEAM教育的契合，相信在不久的将来会有越来越多的学校开展机器人社团，引进VEX机器人，促进学生的全面发展。
（4）教学环境设计
目前学校多是以机器人社团开展教学，所以需要足够大的场地放置赛台以及学生的座位，需要充足的机器人设备来进行实验探究以及结构搭建，以及用于学生编程的装有ROBOTC for VEX软件的计算机。
3.教育应用的框架（见图9）
将新的材料、工具和方法介绍给学生，不但可以改变传统的教育内容与教育方式，而且为学生提供一个实现创新梦想的舞台，教师将在这种教育中更好地观察学生的性格、爱好特点，通过学习者特征分析，更好地引导学生，更加深入地挖掘学生的潜力，让学生全面发展，使他们有更加广阔的见识。通过对VEX机器人结构搭建与编程学习过程中的设计、开发、应用、管理、评价，形成一套切实可行的课程应用于教育。
四、总结与展望
在开展VEX机器人结构搭建、程序编写与教学设计的过程中，学生对科学、技术、工程、美术和数学等方面的潜能会被激发出来，产生浓厚的学习兴趣，从而提高学生的综合知识与能力。VEX机器人是为了促进STEAM教育而设计的，可用来作为课堂机器人的教学平台。对于VEX机器人是否优良的评价指标，也可以从科学、技术、工程、艺术、数学这五个方面进行评定。
在 STEAM 教育的推进过程中，工程教育是一个弱项，而VEX机器人是非常好的工程教育案例。STEAM教育为VEX机器人的设计与实现奠定了基础、指明了方向。VEX机器人为STEAM教育提供了操作平台，供STEAM理论进行实践。相信在不久的将来，VEX机器人会被普及在各级学校教育中，为促进STEAM教育、学生综合素质的提升注入自己的力量。
参考文献：
[1]龙玫，赵中建.美国国家竞争力：STEM教育的贡献[J].现代大学教育，2015（2）：41-49+112.
[2]范文翔，张一春.STEAM教育：发展、内涵与可能路径[J].现代教育技术，2018，28（3）：99-105.
[3]卢晓琦，秦健.基于项目式学习（PBL）的VEX机器人比赛选手准备过程模式构建[J].中国教育信息化，2017（17）：79-81.
[4]刘玮松，刘海东，焦晓武等.中学机器人教育与STEAM教育融合探索[J].中国教育技术装备，2017（20）：11-13.
[5]李尹.PID控制算法及其在风速控制中的应用[D].武汉：华中科技大学，2007.
（编辑：李晓萍）
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